金属点蚀实验构件力学性能分析方法的研究进展

苏 琪，徐小建，刘 壮，刘 佳，马 云

(1.西安石油大学石油工程学院，陕西省油气田特种增产技术重点实验室，陕西 西安 710065；2.西部低渗-特低渗油藏开发与治理教育部工程研究中心，陕西 西安 710065；3.长庆油田分公司第三采气厂，陕西 西安，710018；4.长庆油田分公司第一采气厂，陕西 榆林，718500)

腐蚀是材料受到环境介质的化学、电化学和物理作用而发生损坏或变质的现象[1]，材料的腐蚀问题存在于国民经济的各个领域。2014 年我国的腐蚀成本高达21278.2 亿元人民币，约占当年国内生产总值的3.34%[2]。据统计，由金属的局部腐蚀引起的事故比例要远远高于全面腐蚀，因局部腐蚀引起的失效占比高达80%，其中因腐蚀疲劳断裂引起的失效占23%，应力腐蚀断裂占19%，纯点蚀引起的失效占11%，晶间腐蚀占8%，磨蚀占6%，高温腐蚀等其他形态的腐蚀为10%左右。可见点蚀引起的破坏是金属材料最广泛的破坏形式之一。

钢构件广泛应用在建筑、船舶、石油天然气等工业环境。依据设计规范，其在使用期间一般都处于弹性阶段，材料的工作应力状态应为静应力且小于屈服强度。在服役过程中，点蚀和均匀腐蚀都很常见，但点蚀的危害更大，因为点蚀难以检测，而且会导致力学性能和承载能力的恶化[3-11]，引起极突然的失效[12-13]，因此有必要研究点蚀发生之后的力学性能变化。

目前已有很多对点蚀构件进行拉伸、压缩和弯曲的实验，可观察其在不同应力状态和边界条件下的性能。研究表明，点蚀会使钢板的抗拉强度、抗压强度、弯曲强度出现不同程度的下降。一般认为力学性能恶化的原因有2 个，一是化学夹杂物，二是表面缺陷[14]。点蚀缺陷会使金属表面粗糙，产生严重的应力集中[15-16]，进而导致变形能力的降低。而且局部塑性应变的累积会导致裂纹的过早萌生和扩展[17-18]，这个过程十分复杂，与点蚀构件力学性能的下降密切相关。研究点蚀构件力学性能的方法众多且各有优劣，在进行点蚀对构件力学性能影响的研究实验时，要进行详细的对比，以确保研究结果能适用于服役场合。因此，有必要对金属点蚀实验构件的力学性能分析方法进行详细的研究及梳理对比，以期为同领域的相关研究提供参考。

1 钢构件腐蚀的研究方法

获得钢构件腐蚀试件的方法有4 种，即自然环境腐蚀、加速腐蚀、机械手段模拟腐蚀和数值分析法。

1.1 自然环境腐蚀

自然环境腐蚀直接将预制的标准尺寸试件暴露于环境中，定期对试件的腐蚀情况进行观察并连续记录。腐蚀实验的周期从数年至数十年不等，与其他获得腐蚀试件的方法相比，周期最长，但实验数据最为可靠。

侯文泰、梁彩凤等人[19-20]在16 年里，在我国的7 个实验点获得了17 种常用钢在自然环境中的腐蚀实验数据， 7 个实验点由北到南涵盖了热带、亚热带、北温带3 种气候，及干燥、湿热、工业性、海洋性等多种大气环境，为我国金属腐蚀的研究提供了众多可靠的数据。实验结果证明，钢在自然环境下的长期腐蚀遵循式(1)的幂函数规律，并发现短期的自然环境暴露得到的腐蚀规律与长期暴露得到的规律是不同的，指出自然环境下短期腐蚀实验规律应用于推测长期腐蚀行为是不可靠的。

式中，D为腐蚀深度，mm；t为暴露时间，a；A、n 为常数。

Wang 等人对自然腐蚀的钢板进行了拉伸实验和表面测量，发现腐蚀会使构件的承载能力和变形能力显著降低，极限强度主要由厚度减薄造成，变形性能的退化主要由局部的体积损失决定。并对现有的经验公式进行总结，对预测结果进行误差分析，发现大多数的经验公式在抗拉强度方面的预测效果良好，但在变形能力上无法实现预测。

李晓刚[21]指出，我国与美日等国家在自然环境腐蚀研究方面的差距整体有明显减小，但在野外大型腐蚀场站的建设、室内的研究手段、理论研究与数值模拟、腐蚀防护技术等方面的差距较大，尤其在腐蚀表面分析的手段上，例如激光拉曼光谱等工具的应用，我国近年才发布了相应的国标(GB/T 40219-2021)，与国际先进水平的差距较大。

总的来说，自然环境腐蚀实验需要付出巨量的时间成本，要获得广泛的材料种类数据的难度很大，而且腐蚀具有复杂性、多样性的特点，是多因素耦合的结果。总体来看，目前腐蚀模型的建立主要依靠经验公式，对腐蚀机理的深入研究以及单一因素在当中所起作用的研究，仍处在初级阶段，主要处于实验的大量积累与腐蚀行为的观测、检测，以及技术研究的量变过程中。

1.2 加速腐蚀实验法

加速腐蚀实验是在保持腐蚀机理与自然环境腐蚀相一致的情况下，设置人工腐蚀条件，从而较快速地得到腐蚀试件的方法。可以通过控制腐蚀介质的浓度和环境温度等条件，提高试件的腐蚀速率。Okamoto 等人[22]证实，用加速腐蚀的实验方法制备的点蚀损伤，能很好地反映真实的点蚀损伤效果。常见的实现加速腐蚀的方式有：

①盐雾实验法[23]。按盐溶液成分的不同，可把盐雾实验分为中性盐雾实验、醋酸盐雾实验(AASS)和醋酸氯化铜盐雾实验(CASS)等。用压缩空气将溶液吸入喷嘴，喷洒成细雾状小液滴充满空间，均匀洒落在试件表面，可以加速材料的腐蚀行为。

②湿热实验法。在湿热箱中模拟部分气候下的温度、湿度条件，强化金属的腐蚀环境，可加速腐蚀。但由于仅设置了部分腐蚀条件，无法体现与其他因素的协同作用对材料腐蚀的影响，因此难以反映真实的腐蚀规律。

③干湿周浸循环实验。将各种材料的挂片浸入腐蚀介质中，也是金属腐蚀实验的常用方法。挂片按需要，可全部、部分或周期性地浸入腐蚀介质中，但全部浸入溶液的方法，与实际的金属表面在薄液膜下的腐蚀情况相差较大[24]，周期性浸入的方法因试件在空气中停留时实现了薄液膜下发生腐蚀，这一点与实际情况更相近，因此可更多地考虑采用这种腐蚀模式。

④电解加速腐蚀。GB/T 6466-2008[25]中指出，这是快速评价钢或锌合金铸件上铜-镍-铬和镍-铬电沉积层耐蚀性的方法，具有比盐雾腐蚀的效率更高、结果更接近实际工况的特点，目前的应用范围更广泛。王伟等人[26]对海洋风电管桩的Q235 钢片展开电加速腐蚀研究，制作腐蚀试样并研究表面缺陷的发展规律。吴国庆等人[27]采用电解腐蚀，研究了高强度钢表面电解腐蚀前后以及电解后的不同蚀坑深度，对残余应力测量的影响。

⑤多因子循环复合实验。这一方法复合了干湿周浸实验与周期性喷雾两个方面，可通过控制多个参数，实现对不同气候环境更加综合的室内模拟实验，更贴合实际的腐蚀结果。

尽管能快速获得腐蚀试样，但也有研究指出，不同方法获得的试样在某些方面仍存在差异。Yu[28]进行了API X65 钢的腐蚀行为研究。一组试样暴露于干湿循环条件下，另一组试样完全浸入实验溶液中。研究发现，干湿循环条件和全浸环境中的初始腐蚀行为有显著差异，前者以点蚀为特征，形成了双层锈层，外锈层多孔而内锈层致密；后者以一般腐蚀为特征，未有明显分层。Xiao[29]采用三维扫描技术，研究了盐雾腐蚀和电解加速腐蚀两种方式，发现随着腐蚀程度加深，电解腐蚀试样存在腐蚀的不均匀性，而盐雾腐蚀试样则表现出相对明显的均匀性。当腐蚀程度相当时，拉伸实验的载荷-位移曲线显示，相比电化学腐蚀试样，盐雾腐蚀的试样具有更长的屈服平台和更高的极限强度，认为这是受到电化学腐蚀的试样截面不均匀，且存在由腐蚀坑引起的应力集中而导致的。

加速腐蚀的优点，是能在相对较短的时间内，得到在腐蚀机理上与自然环境下的腐蚀相一致的实验结果，具备用短时间的实验来推测长周期腐蚀过程的巨大优势，使用范围非常广泛。但目前采用单一腐蚀条件制作的试样很多，多因子循环复合的实验较少，这与实际的腐蚀条件不太符合，对后续的分析和预测残余性能、寿命的研究有影响[30]。为此，需要建立与实际自然环境腐蚀更加吻合的加速腐蚀体系，这对预估服役钢构件的寿命和剩余强度具有重大意义。

1.3 模拟腐蚀实验

用机械手段模拟腐蚀实验是一种能相对简便地得到腐蚀构件的办法，主要研究点蚀尺寸、位置参数等对点蚀钢构件整体变形和力学性能的影响，能准确反映自然点蚀对钢构件力学特性的影响[31-32]，试件易于加工，可操作性强。

Ma 等人[33]用线切割的方法，加工了4 种不同深度及缺口形状的样品，以模拟不同点蚀坑的形貌，研究点蚀形貌对钢筋静态和疲劳行为的影响，得到了不同点蚀程度下的应力-应变曲线，建立了点蚀参数与疲劳寿命之间的关系。Ahmmad 等人[34]用数控铣床加工了随机锥形点蚀孔，对随机分布点蚀坑的钢板强度和变形性能进行了数值模拟研究，估算了腐蚀钢板在单轴拉伸条件下的强度和变形能力，与拉伸实验结果的拟合较好，提出了估算点蚀引起变形能力降低的经验公式，并验证了其准确性。秦静远[35]采用实验和非线性有限元方法，研究了具有点蚀损伤的钢管构件的压缩力学性能，发现点蚀强度(degree of pitting intensity, DOP)对极限载荷的影响不大，中间位置的点蚀对承载能力和变形能力的削弱能力小于圆管端部，受压圆管的极限承载力和变形能力由最小截面积决定。综上所述，机械钻铣法形成的蚀坑，能较好地模拟真实的点腐蚀对钢构件性能的影响。

1.4 数值分析法

数值分析的应用领域广泛，应用于腐蚀后力学性能劣化规律的研究时优势明显，通过Ansys、Abaqus 等有限元分析工具，可利用随机/规则点蚀坑的大小、位置参数或由实际腐蚀实验得到的试件表面的形貌数据，进行模拟力学实验，分析在不同的加载类型、不同点蚀参数下的构件力学性能的劣化规律。

已有很多研究[36-42]通过腐蚀构件的力学实验结果，验证了数值模拟模型的可行性。目前点蚀损伤对构件力学性能影响的研究已取得了大量成果。拉伸模拟一般采用实体单元，压缩分析一般采用壳单元，但多是基于简化的几何形状而不是真实的腐蚀表面，针对随机点蚀与构件类型、尺寸如板的长细比、管的长径比等条件耦合下的定量关系的研究比较少。点蚀构件的相关数值分析研究成果见表1。

表1 点蚀构件的数值分析方法Table 1 Numerical analysis of pitted components

2 点蚀参数对构件力学性能影响的研究现状

局部点蚀作为一种表面缺陷、应力/应变集中的区域，会对钢板的抗拉强度、抗压强度、弯曲强度和抗剪切强度造成不同程度的损害。腐蚀过程可分为3 个阶段：点蚀、相邻蚀坑聚集、以一般均匀腐蚀为主[43]。腐蚀钢材表面的不规则和粗糙度，通常认为是点蚀坑的形貌不同而导致的，由大量离散的点蚀坑相互独立、连通、重叠而形成。为了量化点蚀的这种随机性，常以蚀坑的直径、深度、分布、径深比，腐蚀构件的体积损失、质量损失、最小截面积、DOP 等参数来描述钢材表面的点蚀形貌，这些量化指标整体可归纳为蚀坑的尺寸参数和位置参数2 个要素[44-47]。这2 个要素与腐蚀钢材的力学性能和承载能力的退化直接相关。点蚀参数对构件力学性能影响的研究进展见表2。

对点蚀参数与力学性能影响的研究，除了可通过实验定性地说明其对力学性能的影响外，还可通过回归分析、数值模拟等手段提出经验公式和预测模型，以尽可能地建立二者之间的定量关系。

Paik 等人[52]较早就开始了对点蚀板的研究，制作了规则分布的人工蚀坑试样，利用最小截面积来评价腐蚀钢板的极限强度，并构建了数值分析模型，进行了大量的非线性分析。实验结果也验证了数值分析模型的可靠性。Garbatov 等人用体积损失率来评价钢的腐蚀程度，通过回归分析，得到腐蚀钢的弹性模量、抗拉强度和伸长率与体积损失率的关系。徐善华等人[53]从腐蚀钢板的单调拉伸实验中发现，DOP 与力学性能下降的相关性不明显，并引入与其相关性较好的最大蚀坑影响系数的概念，建立了与点蚀形貌相关的强度退化模型，与实验曲线的拟合较好。

Nakai 等人对规律分布的人工蚀坑的腹板施加压缩载荷，通过控制不同的DOP 和蚀坑位置，得到的抗压强度略小于或等于均匀腐蚀的抗压强度。蚀坑集中在板边缘时，其极限强度低于蚀坑位于板中心位置的极限强度，但作者对这一现象没有给出解释。Sultana 等人在随机分布的点蚀损伤板的极限强度研究中，也得到了这一结论。Liang 等人用Abaqus 模拟点蚀从板单元边缘向中心位置的移动时，也有同样的发现，对此他的解释是：当坑位于结构边缘时，由于边界效应，会产生较强的应力集中，因此这是结构边缘蚀坑的SCF 值（应力集中系数）远大于中心坑的SCF 值而导致的。

早期对点蚀损伤影响钢结构强度的研究，多以规则分布的点蚀为主，缺少随机点蚀损伤下力学性能退化规律的研究，这与实际情况中点蚀发生的尺寸、位置参数的随机性不相符。近年的研究已经补上了这一短板。目前，除了直接用腐蚀试件进行力学实验，以及使用数值分析软件随机产生点蚀参数的方法外，基于实际腐蚀试件的表面形态数据，进行建模分析的手段越来越受到重视。Wang 等人利用三维轮廓仪获取真实腐蚀表面的三维形貌，通过数值分析发现，与其他模拟研究中提出的经验公式相比，实验预测结果的精度有很大的提高。

Qin 等人利用三维形貌观测仪，对人工盐雾腐蚀后的构件表面进行表征，得到腐蚀损伤的相关参数，并用有限元软件ANSYS 对真实腐蚀表面钢板的力学性能进行数值模拟研究。数值模拟的拉伸结果与腐蚀构件的实际拉伸结果相一致。同时建立了钢的本构模型，并总结了模型参数的变化规律。

对于特定的实验环境和数据，大多数具有代表性的变量和经验模型都能提供理想的预测结果，但多数代表性变量仍不能完全体现点蚀发生的随机性，因此预测模型具有特定的应用条件。当腐蚀条件发生变化时，其应用也会受到限制。Xu 等人建议，为了保证预测结果的可靠性，最好在同一场合下同时采用3 个或3 个以上的经验模型进行预测。目前针对点蚀的相关研究可总结如下：

1）将随机点蚀视为形状、深度和分布均较为规律的点蚀，对其极限强度进行的评估往往过于乐观，低估了实际情况中极限强度的降低，安全风险较高。

2）拉伸条件下，一般认为材料的抗拉强度主要由最小截面积决定，屈服强度同时与蚀坑深度及DOP 有关。压缩条件下，极限强度主要由体积损失率[54]控制，但针对弯曲和剪切条件的研究报道较少，缺乏相对统一的结论。特别是在板单元的实验中，对板的长细比与长宽比的影响研究，相关结论的差异较大[55]。

3）拉伸条件下，对点蚀构件数值模拟正确性的验证实验已有很多，但对压缩、弯曲、剪切条件的数值模拟，仍缺乏相关的实验，用于验证所建立模型的准确性。

4）有关点蚀形貌、位置参数与力学性能退化之间的定量关系研究，以及力学性能退化模型的相关报道总体仍较少。

3 结论与展望

腐蚀是涉及材料学、电化学、物理学等多学科的复杂行为，在腐蚀的萌生阶段和发展过程中，其与服役环境中的众多影响因素间的交互影响十分复杂，需要自然环境腐蚀的模型建立、实验室研究数据的积累、数值分析对腐蚀行为模拟与预测等各方面的协同互补。腐蚀初期的点蚀行为及其造成的破坏往往呈现出非线性、随机性、突发性等特点。未来，除了研究点蚀的形貌参数，还应考虑加入随机点蚀以及在不同的构件尺寸、预/残余应力、交变载荷等条件下，对力学性能定量影响的研究，建立与实际自然环境腐蚀更加贴近的腐蚀体系，以便准确地研究点蚀构件力学性能的劣化规律，使得实验结论能更好地贴合实际工况，从而为金属防护与失效的预判提供翔实的依据。