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我國海洋油氣資源儲量巨大但探明率遠低于世界平均水平，主要原因是海洋裝備材料研發及應用的落后。近年來，隨著我國海洋工業的不斷發展，尤其是在國家發展海洋戰略的背景下，海洋平臺建設迎來了新的高速發展時期。國內鋼廠充分利用機遇，進行了海洋工程用鋼的研發、認證及生產應用。海洋平臺裝備得到了不斷發展，這也使得裝備服役環境由沿海向島礁甚至深海進一步拓展，“高溫、高濕、高鹽霧、強太陽輻射”的“三高一強” 嚴酷海洋環境對裝備的材料及結構造成了嚴重的腐蝕和破壞。與此同時，裝備自身會受到海浪、海嘯、強風暴、海底地震等自然災害帶來的疲勞載荷作用，這種環境腐蝕與疲勞載荷的耦合作用會造成裝備主承力結構提前被破壞甚至斷裂，嚴重影響了裝備的可靠安全服役。因此，研發一套腐蝕環境系統與疲勞試驗機結合的裝置來測試材料在腐蝕環境與疲勞載荷耦合作用下的腐蝕疲勞壽命顯得極為重要。為此，邢承亮、孫曉冉、安治國等研究人員研發了一套上述試驗裝置，可根據需求對腐蝕介質的pH、溫度、流速及疲勞載荷波形、加載頻率、受力狀態等試驗條件進行個性化設計，且該裝置能有效評估材料在環境腐蝕與疲勞載荷耦合作用下的性能變化。

01腐蝕疲勞試驗系統的設計

1.1腐蝕容池

腐蝕容池材料采用耐腐蝕性好、力學性能高、透明且價格較低的高分子材料制造，透明性好以便于仔細觀察整個試驗過程。將腐蝕容池加工成外徑70cm，內徑50cm，高65cm的圓桶形狀。容池底部為固定封閉底座，底座中心加工一個直徑20cm的圓孔，此孔下端有一個高30cm，直徑35cm的螺旋橡膠塞固定端。容池頂部為活動式上蓋，在中心加工一個直徑20cm的圓孔。在距容池上下兩端10cm處各開一個直徑8cm的圓孔，下端圓孔為進液口、上端圓孔為出液口，以保證容池中腐蝕介質的有效高度。腐蝕容池及試樣安裝截面圖如圖1所示。

圖1 腐蝕容池及試樣安裝截面圖

1.2溫度控制單元

溫度控制單元主要由加熱循環泵、加熱腔、控制儀表、測溫傳感器組成。加熱循環泵將腐蝕介質槽中的介質運輸到加熱腔中，加熱腔另外一端與介質槽連通以實現介質的循環加熱。將測溫傳感器放置在容池中，測試試驗時腐蝕介質的實際溫度，當測溫傳感器反饋溫度達到設定的溫度時，控制儀表發出信號，斷開加熱腔體的供電，停止加熱，相反未達到設定溫度時處于通電加熱狀態。

1.3腐蝕介質pH測試單元

腐蝕介質pH的實時狀態嚴重影響著試樣與介質的化學反應，所以精準地檢測pH非常重要。將測試探頭放置在腐蝕介質中，利用化學電位差原理，實時顯示介質的pH，根據試驗要求完成pH的調整。

1.4腐蝕介質循環單元

腐蝕介質循環單元在蠕動泵的工作下將配比好的腐蝕介質通過腐蝕容池進液口輸送到容池中，當腐蝕介質液面到達出液口時會沿出液口流回到腐蝕槽中完成循環。該蠕動泵具有調節流速、流向的作用。

1.5整套腐蝕疲勞試驗系統的工作原理

疲勞試驗機與上述腐蝕系統共同組成腐蝕疲勞試驗系統。將經過在疲勞試驗機上進行疲勞試驗后的試樣一端穿過橡膠塞從腐蝕容池的下端放入，旋轉橡膠塞固定端，完成試樣與腐蝕容池的連接，在容池底部涂抹有機膠防止介質滲出。再根據實際環境介質的成分配比腐蝕介質，將該腐蝕介質存放于介質槽中。啟動pH測試單元、加熱控制單元、循環單元即完成整套腐蝕系統的有效配合。腐蝕系統如圖2所示。

圖2 腐蝕系統示意圖

02試驗材料與試驗方法

2.1試驗材料

海洋工程用S690QL高強鋼板的服役條件非常惡劣，一直處于海水腐蝕和海浪、海風等引起的交變載荷的耦合作用中，具有代表意義，所以選該材料進行腐蝕疲勞性能的研究。S690QL高強鋼板的力學性能見表1。

表1 S690QL高強鋼板的力學性能

2.2腐蝕疲勞試樣

根據腐蝕容池的尺寸設計了腐蝕試樣，如圖3所示。試樣長夾持端與腐蝕容池的下端相連接，夾持在疲勞試驗機的下夾具上。試樣表面質量嚴重影響著試樣循環壽命，所以要對機加工后的試樣進行細磨，保證圓弧段粗糙度在0.4μm以下。

圖3 腐蝕疲勞試樣尺寸示意圖

2.3腐蝕介質成分設計

根據海洋工程用S690QL高強鋼板的服役環境條件，模擬配比人工海水，設計腐蝕介質的成分及含量見表2。該腐蝕介質的pH為8.3，接近真實海水的pH。

表2 腐蝕介質的成分及含量

2.4試驗方法

2.4.1 試驗設備

疲勞試驗采用MTS 250kN型疲勞試驗機，該設備力值控制精度高、頻率精準可調，具有閉環反饋控制系統、多種控制波形，且其夾具規格齊全、噪聲小。腐蝕試驗采用前述腐蝕系統。

2.4.2 試驗分組

將S690QL高強鋼板按照圖3要求加工8根試樣，第一組4根用于空氣中室溫疲勞試驗，編號為1~4；第二組4根用于模擬海水腐蝕疲勞試驗，編號為5~8，兩組試驗除所處的環境介質不同外其他條件均相同。

2.4.3 試驗參數

兩組試驗采用正弦波形控制模式，應力臺階為5%，試驗頻率為20Hz，應力比為0.1，應力從材料屈服強度60%的應力開始，具體參數見表3。

表3 試驗參數設置

03試驗結果與分析

S690QL高強鋼板在應力比為0.1及4種不同應力條件下分別進行了空氣中的室溫疲勞試驗和模擬海水中的腐蝕疲勞試驗，結果如圖4所示。可見在相同試驗條件下，S690QL高強鋼板的疲勞壽命隨著循環應力的增加而不斷減小，在相同循環應力條件下空氣中的室溫疲勞壽命遠遠高于模擬海水中的腐蝕疲勞壽命。

圖4 S690QL高強鋼板的腐蝕疲勞壽命曲線

空氣中的室溫疲勞斷口和模擬海水中的腐蝕疲勞斷口形貌如圖5所示，可見空氣中和模擬海水中的腐蝕疲勞斷口都比較平直，均為脆性斷口。空氣中室溫腐蝕疲勞典型斷口可見解理臺階、二次裂紋和疲勞輝紋，在疲勞輝紋間存在細小的二次裂紋，斷口為解理斷口，疲勞裂紋擴展主要為穿晶斷裂機制。在空氣中裂紋萌生壽命約占總壽命的90%，裂紋擴展占總壽命的10%。模擬海水中腐蝕疲勞斷口形貌可見由腐蝕介質造成的點蝕，點蝕周圍分布著二次裂紋，部分晶粒為解理斷裂、部分晶粒為沿晶斷裂，因此模擬海水中的腐蝕疲勞裂紋擴展為混合斷裂機制。點蝕處的應力集中加速了裂紋萌生，裂紋萌生壽命約占總壽命的10%；其還加快了裂紋擴展速度，裂紋擴展占總壽命的90%，使材料的斷口脆性增加。

圖5 不同條件下疲勞試樣斷口的微觀形貌

04結論

     (1) 該套腐蝕系統具有控溫準確、pH檢測實時、流速可控、容池和試樣連接密閉性好、安全、結構簡單等優點，完全可以滿足腐蝕疲勞試驗的要求。

     (2) 隨著循環應力的增加，S690QL高強鋼板的疲勞壽命明顯降低。在相同的循環應力下，材料受海水腐蝕-疲勞載荷耦合作用的疲勞壽命大大低于在空氣中室溫下的疲勞壽命。

     (3) 模擬海水與試樣表面發生了應力腐蝕，在點蝕處造成的應力集中大大增加了裂紋的擴展速度，從而明顯降低了試樣的疲勞壽命。

作者：邢承亮，孫曉冉，安治國，趙中昱，宋月，孫江歡，白麗娟

單位：河鋼集團鋼研總院 理化檢測中心