海洋大气环境中的吊具全周期安全评估研究

邵健帅 焦晓飞 王建锋 0 引言海洋大气环境的盐雾、高温、高湿度等环境因素对箱形吊梁（以下简称吊梁）的盐雾腐蚀产生严重的潜在危险影响。同时，吊梁吊具由于腔内的不可见、不易测特性，在日常吊具维护中，往往不对吊梁密闭腔体内部腐蚀程度进行检测；以往在吊梁设计中，只是对外表面采取喷漆措施，未对吊梁内表面采取防腐措施，这也增加了吊梁内部发生腐蚀失效的风险性。为提高吊梁吊具的使用安全性和可靠性，本文以位于海南文昌发射场的吊具为研究对象，从盐雾腐蚀机理、吊具检测方法和全生命周期承载安全性评估等多方面展开研究，提出了超声波检测方法在吊具腐蚀监测中的应用，为现役吊具的维护保养和安全性评估提供参考[1,2]。1 典型吊具结构组成梁式水平吊具由吊耳、叉架、横梁、连接环、卡环、前吊带、后吊带、前吊耳和后连接耳等组成。梁式水平吊具结构组成如图1 所示，吊梁内部结构如图2 所示。图1 梁式水平吊具示意图图2 吊梁内部结构示意图吊梁采用Q345A 的钢板焊接而成，焊缝为坡口焊和角焊缝，遵循规范QJ176A—1999《地面设备熔焊通用技术条件》的II 类焊缝及以上的规定。焊接过程中在吊梁侧面开有工艺孔，焊后封堵工艺孔。吊梁钢板在焊接前采用喷砂的形式去除氧化皮，然后外表面喷三层漆，内表面不做防腐处理。在焊接后进行磁力探伤。对吊具进行1.25 倍的静载试验和1.1 倍的动载试验，试验后二次探伤，吊梁焊缝无裂纹，无永久变形[2]。2 吊具腐蚀原因分析2.1 吊具使用环境研究海南文昌发射场具有热带和亚热带气候特点，属于典型海洋盐雾大气环境。经调研，当地的自然环境参数如表1 所示[3]。表1 吊具使用环境记录数据1）降雨：累计年降雨量高达1 998.8mm。每月均有降雨，可在金属表面直接产生水膜，是产生大气腐蚀非常有利的条件。2）凝露：全年均处于高温高湿的环境下。当有较小温差出现时，大气中的水汽含量很容易达到饱和，易凝结成露。全年露日220 d，占全年的60%。吊梁及吊具其他金属件的表面在气温较低的时候很容易形成凝露水膜，当氯离子溶解在水膜中时，更容易加速腐蚀。3）高湿度：全年相对湿度均高，3 月平均相对湿度最大，10 月平均相对湿度最小，年平均相对湿度为87%。4）大气污染物：大气中有较高浓度的氯离子，另外还含有微量的SO2、H2S、NH3 等腐蚀性杂质气体。2.2 吊具腐蚀类型吊具主要包含吊梁、金属连接件、标准件、外购件等结构。吊梁通常为Q345 钢板焊接而成，金属连接件主要由30CrMnSiA、40Cr 等合金结构钢加工完成，外购件主要为卸扣和吊环等，材料为35CrMo 等高强度合金钢。对处于海洋大气环境下的吊具，主要腐蚀类型是大气腐蚀和应力腐蚀，其中大气腐蚀又包括大气表面腐蚀和大气缝隙腐蚀，以下对各腐蚀类型进行说明[4]。2.2.1 均匀腐蚀在海洋大气环境中，当盐雾沉降在暴露的金属表面上时，由于Cl- 对金属钝化膜极强的破坏作用而大大加快了金属全面腐蚀的速度，增大了金属局部腐蚀的可能性。大气腐蚀的本质是薄液膜下的电化学应。金属本身因含有杂质而有电极存在，在大气中存放和使用时，由于大气中降水、露、雾等气象条件的影响在金属表面产生薄水膜，而大气中存在的污染成分，如SO3、NO2、Cl- 和降尘等，溶于金属表面薄水膜，使之成为电解液，这样金属内部有电流产生，从而产生腐蚀。吊具使用的钢板直接暴露在海南腐蚀性海洋大气环境中，在金属表面容易发生腐蚀。腐蚀作用以基本相同的速度钢板表面同时进行，这种腐蚀就是均匀腐蚀。由于吊梁内表面没有采取任何防腐措施，所以很容易发生均匀腐蚀。金属发生均匀腐蚀时，其表面比较均匀地减薄，各部位腐蚀速率接近，无明显的腐蚀形态差别。某种金属均匀腐蚀示意图如图3 所示。图3 金属的均匀腐蚀2.2.2 点蚀点蚀是一种外观隐蔽而破坏性极大的一种局部腐蚀形式，虽然因点蚀而损失的金属质量很小，但是由于几何形态上构成了大阴极小阳极的结构，致使腐蚀孔的阳极溶解速度相当大，而且点蚀发展过程中具有自动加速的特点，故腐蚀孔若连续的发展，能很快导致腐蚀穿孔破坏，产生危害性很大的事故。吊具使用的金属材料在腐蚀介质中经过一段时间后，在整个暴露于腐蚀介质中的表面上个别的点或微小区域内出现腐蚀小孔，而其他大部分表面不发生腐蚀或腐蚀很轻微，且随着时间的推移，腐蚀孔不断的向纵深方向发展，形成小孔状腐蚀坑，这种腐蚀形态叫做点腐蚀（见图4）。从腐蚀的外观形貌来看,腐蚀孔的直径很小，仅数十微米，但深度一般远大于直径，点腐蚀不仅可以生成开口式的蚀孔，还可以生成闭口式的腐蚀孔。吊梁外表面通常采用喷漆处理，当漆层被磕碰之后，容易发生点蚀；当漆层喷涂质量不高时，也容易出现点蚀现象。图4 金属的点蚀2.2.3 缝隙腐蚀吊具存在诸如吊梁上安装标牌后的铆钉和铆钉安装孔之间存在较小的缝隙，或是焊接出现微小裂纹但是检测未发现该裂纹，在零件之间缝隙满足腐蚀条件时就可能存在缝隙腐蚀。缝隙腐蚀是一种很普遍的腐蚀现象，当金属与金属、金属与非金属之间缝隙宽度为0.025 ～ 0.1 mm 时，几乎所有的腐蚀性介质都能引起金属的缝隙腐蚀，其中含氯离子的溶液通常是缝隙腐蚀最敏感的介质。缝隙腐蚀的机理如下：腐蚀前，缝隙内外的金属表面发生相同的、阳极反应阳极反应阴极反应随着反应的进行，缝隙内的氧耗尽，氧还原反应终止；缝隙外供氧充分，氧还原反应继续进行，缝隙内外构成氧浓差电池。为了维持电中性，缝外易流动的氯离子迁移到缝内，使缝内金属氯化物浓度增加。金属氯化物在水中水解，即有水解结果生成一种不溶的氢氧化物和游离酸，于是缝隙内PH 值下降。氯离子和氢离子都会加速金属的溶解。金属溶解增加，又引起更多氯离子迁入，氯化物浓度增加，氯化物水解又使介质进一步酸化，又使阳极溶解，如此往复循环使缝隙内金属不断腐蚀（见图5）。图5 缝隙腐蚀原理图2.2.4 焊缝应力腐蚀焊缝腐蚀主要与吊梁等焊接形式相关，焊接区的抗性能低。晶间腐蚀是由于晶间和晶粒之间存在电化学的不均匀性而造成的，在有应力作用下，晶间腐蚀往往可能成为应力腐蚀开裂的先导，甚至发展成为晶间应力腐蚀开裂。吊梁主体材料为Q345，在焊接成型过程中焊缝处会存在较高的残余应力和总装完成后造成的结构应力，当金属表面防护漆层失效情况下，金属表面在应力和腐蚀介质的共同作用下，表面的氧化膜或钝化膜被破坏，而破损处相对其他有膜覆盖的表面成为阳极，更容易发生阳极反应，金属原子溶解成离子，形成沟形裂纹，即金属材料表面萌生裂纹（见图6）。图6 应力腐蚀条件示意图海南海洋性大气环境下，金属表面形成富含氯离子的电解液薄膜，氯离子可以在金属表面或钝化膜上吸附，与电解质溶液形成强电场，促进基体金属离子的溶出；氯离子与金属钢可形成氯的络合物，加速本体钢溶解。这些作用都能减少阳极极化阻滞，加速金属钢的腐蚀。随着裂纹的萌生，局部的应力分布发生变化，应力集中于裂纹尖端，使附近区域发生塑性变化，这种情况又反过来加快了裂纹尖端的阳极反应，及阳极溶解型应力腐蚀，可以用化学式表示由于裂纹的缝隙狭窄，裂纹缝隙内的腐蚀介质几乎是停滞的，阴极反应耗尽的氧来不及补充，从而使裂纹缝隙内的阴极反应中止。由于阴极反应中止，相应的腐蚀反应也会中止，则腐蚀产物MOH的生成中止，没有比容更大的腐蚀产物MOH 的连续生产，裂纹尖端的膨胀速度将大为降低，直至裂纹缝隙内的氧通过物理扩散作用得以补充，阴极反应得以继续从而使腐蚀反应继续。此时，这种作用与普通的均匀腐蚀或点蚀的机理更为接近。2.2.5 镀覆层腐蚀热渗锌是一种比较耐盐雾腐蚀的表面处理技术。吊耳、连接耳等采用热渗锌作为表面防腐技术。但如果是在热渗锌过程中由于工件摆放位置不合理、间距较小、镀覆时间控制不合理等原因，导致热渗锌层厚度不均；在渗锌后封闭处理中，锌层表面未形成碱式碳酸锌等保护层时，就很容易出现如图7 和图8 所示的热渗锌表面锈蚀现象，影响吊具自制件的美观和接口配合。在图7 中，连接耳表面铁红色部分是锌层锈蚀后的氧化铁。在图8 中，调节耳外表层中的白色锈蚀部分是氧化锌，这是因为锌层表面没有形成稳定的碱式碳酸锌而导致锌层腐蚀过快导致。图7 热渗锌连接耳的表面锈蚀图8 热渗锌调节耳的表面锈蚀3 吊具腐蚀状态的监测方法针对在海洋大气腐蚀环境下的吊具进行腐蚀状态检测，主要检测对象是：吊梁外表面大面积均匀腐蚀情况、本体局部点蚀、吊梁表面漆层的破坏、焊缝腐蚀、卸扣、吊环等外购件外观腐蚀情况、吊耳、止动销等自制件外观腐蚀情况、吊带腐蚀情况、钢丝绳腐蚀情况、螺栓腐蚀和吊梁内表面腐蚀情况。以上腐蚀均会对吊具承载安全性造成影响[5]。3.1 监测项目吊具的监测项目对吊具的维护保养具有重要意义，是保障吊具在生命周期内可以安全可靠使用的重要条件。吊具监测项目内容如图9 所示。图9 吊具监测项目表3.2 监测方法3.2.1 外观检查进行外观检查时, 首先将产品外表面清理干净，之后通过目视或用放大镜对吊具零部件进行外观检查：1）零部件外观检查 对吊耳、连接耳、钢丝绳等零部件进行目视检查，零部件不得有锈蚀、裂纹、磕碰等现象。2）吊梁外观检查 对吊梁外表面漆层进行目视检查，不允许有掉漆、锈蚀、磕碰等缺陷，检查吊梁外形结构，结构不允许出现变形。3）焊缝外观检查 目视检查焊缝，必要时用10 倍放大镜，不得有裂纹。3.2.2 超声波无损检测在利用超声波设备进行无损检测时，一般对吊梁漆层厚度、吊梁内部腐蚀程度、吊梁焊缝裂纹情况、零部件镀覆层厚度等进行检测，检测结果作为吊梁承载安全性评估的重要依据。在进行超声波检测时，检测流程如图10 所示。图10 超声波无损检测流程使用测厚仪对吊梁表面漆层和零部件表面的处理层厚度进行定量检查，以判断表面涂覆层的腐蚀程度。利用超声波测厚仪对吊梁腔内腐蚀程度进行定量检查，以判断吊梁各板材的腐蚀程度；对于腔内的筋板，由于操作无法到达，故超声波测厚仪无法检测出其腐蚀程度，由于吊梁内腔所处的环境条件基本相同，且内部筋板对吊梁主承载结构影响较小，因此可认为腔内筋板的腐蚀程度与外部板材一致。当检查发现吊梁内部可能出现由于腐蚀而导致钢板厚度减小时，使用内窥镜对吊梁腔内腐蚀程度进行定性检查，以判断腔内是否出现腐蚀以及对腐蚀程度进行直观检查。在使用内窥镜检查时，如吊梁内部各部位均有腐蚀现象，首先根据吊梁的图纸对吊梁腔内进行判断，选出非关键承载区域和判断腔内是否有筋板。如果是接触共同一片空气的钢板，则腐蚀程度相同。当某筋板两侧的空气相通时，则认为该筋板两侧均发生腐蚀，且腐蚀程度相同。所以针对图5b 所示的翻转吊具的腔内有很多筋板，则选择非关键承载区，然后在该区域打一个能适应内窥镜探头的孔对腔内进行腐蚀程度定性判断。如果经超声波测厚仪检测，仅吊梁的局部厚度减小，则主要选择在该局部位置的非关键承载区域打一个能适应内窥镜探头的孔对腔内进行腐蚀程度定性判断，其他位置不适用内窥镜进行检查。内窥镜检测如图11 所示。最后可利用超声波探伤仪对吊梁焊缝和吊具自制件进行裂纹检查，以判断是否出现裂纹及裂纹的大小和位置等。图11 使用内窥镜检测圆柱筒内腐蚀程度3.2.3 加载试验吊具在大修过程中一般应进行加载试验考核，试验项目为静载试验和动载试验，试验要求参考吊具技术条件中相关要求。试验过程中可根据吊具的结构特点，在应力较大的位置布置测点，对吊具承载时的应力进行测试。3.3 检测判据及结果处理3.3.1 外表面检查1）目视检查零部件外表面是否有锈蚀，对出现锈蚀的部位应进行打磨，打磨后检查表面是否有裂纹等缺陷，对无缺陷的零部件重新补漆或涂油处理。2）用10 倍放大镜检查金属零件外表面是否有裂纹，出现裂纹时一般应进行报废处理。3）用10 倍放大镜检查吊梁焊缝是否有裂纹，对不能确定的可疑部位进行无损探伤检查。确定为裂纹的部位应做明显标记，如裂纹在关键受力部位，或返厂进行打磨检查后确认不可修复，则该零件报废。3.3.2 无损检测1）对利用超声波漆层测试仪测出的漆层厚度进行记录，对厚度出现明显减少的情况进行记录，对漆层厚度小于原始厚度70% 的产品需进行补漆。2）利用磁性测厚仪对零件的热渗锌层表面厚度进行检测并记录，对厚度出现明显减少的情况进行记录，对热渗锌层厚度小于原始厚度50% 的产品需进行补锌。3）对利用超声波探伤仪测得的焊缝损伤状态进行记录，确定为裂纹的部位应做明显标记，如裂纹在关键受力部位，或返厂检修后确认不可修复，则该零件报废。4）利用超声波测厚仪检测吊梁各钢板的厚度并记录，并与焊接之前的板厚数据进行对比，对钢板厚度明显减少的情况，应通过仿真、加载试验对吊梁的承载安全性进行评估。3.3.3 加载试验吊具加载试验后，对吊梁及其他结构件进行无损探伤检查，吊梁及其他结构件不得有裂纹和永久变形；根据应力测试结果计算得到的安全系数应满足《吊具设计规范》中相关要求。3.4 监测周期在吊具使用寿命期内，应按规定进行例行检修、中修和大修。原则上每执行一次发射任务进行一次例行检修，中修、大修的具体年限按照执行任务的频繁程度确定( 见表2)。特殊情况可按型号要求安排检修，大修当年不进行中修。表2 吊装设备中修、大修的具体年限3.5 结论对海洋大气腐蚀环境中的吊具进行常规检测和超声无损检测，得到关于吊梁腐蚀和焊缝出现裂纹的重要数据，作为后续章节吊梁承载安全性评估的输入。通过内窥镜检测、超声波测厚仪检测、超声波探伤仪检测结果对吊梁腐蚀、裂纹的检测和判断具有良好的效果。4 吊具承载安全性评估安全性评估是改善吊具安全状况、保障吊装安全的重要技术手段，为吊具零部件在海南大气腐蚀环境下的检查、检修、判废提供科学依据。4.1 吊具全周期承载安全性评估流程图从吊具设计、生产、验收到交付后的常规检修、中修和大修，均需对吊具进行过程控制，评估流程如图12 所示。图12 吊梁内部腐蚀评估流程图当吊具交付后，通过吊具的常规检修、中修和大修等，当发现吊具出现腐蚀时，按照图13 所示的流程图进行分析，以确定吊具是否能够继续使用。对吊具零部件腐蚀程度应根据表面腐蚀状态，同时结合有限元计算结果进行判断。轻微腐蚀主要是表面漆层或涂覆层本身的腐蚀，其引起的腐蚀不会影响结构件的承载性能，如果金属本体已发生腐蚀，则其属于较严重的腐蚀，需要对结构进行有限元计算及接口尺寸复核，如果复核结果不能满足设计要求，则该零/ 部件应报废并重新生产。当吊具交付后，通过吊具的常规检修、中修和大修等，当发现吊具出现裂纹时，需按照图14 所示的流程图进行分析，以确定吊具是否能够继续使用。图13 当吊具检测出锈蚀时的处理流程图图14 吊具检测出裂纹时的处理流程图在吊具正常的寿命周期后，可以根据型号要求，对吊具进行寿命评估，在进行寿命平时时，需进行全面的状态检查；然后进行仿真计算，评估吊具的剩余安全系数是否满足标准要求；最后进行吊具载荷试验，通过试验进一步保障吊具产品的质量。吊具寿命期结束后的流程图如图15 所示。图15 吊具寿命期结束后的流程图4.2 吊具的防腐评估数据包吊具的防腐评估数据包对安全性评估具有重要意义，包括吊具全生命周期的历程数据。外观状况主要是指吊具通过现场目视、拍照得到的外观状态。制造过程的质量是吊具全生命周期安全性评估的基础，因此，要监测和收集制造过程的详细，检查的每一项应符合规范要求。吊梁、金属零件、吊带、非金属零件的监测数据包项目如表3 ～表6 所示。表3 吊梁的监测数据包项目表4 金属零件的监测数据包项目表5 吊带的监测数据包项目请点击表6 外购金属件的监测数据包项目贮存包括制造厂家发货前的贮存和到达使用地点的贮存，运输过程和到达使用地点的组装是产品全生命周期的一个重要环节，监测数据包项目如表7 所示。表7 贮存、运输和组装过程的监测数据包5 结语通过研究，理清了位于海洋大气环境中的吊具的多种腐蚀机理，提出了有效的定性和定量化的腐蚀监测方法：内窥镜检测和超声波检测。根据相关标准提出了检测判据和结果处理措施。针对吊装重要产品的吊具提出了全生命周期内的承载安全性评估流程图和评估，有利的保障了海洋大气环境中的吊具的安全使用。举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真01-2014:40液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估01-2014:33SPMT 液压平板车车板变形有限元计算与仿真模拟01-2014:31相关文章春节留在深圳可分享2000万元数字人民币红包烟台市跨境电商“成绩单”出炉 2020年实现跨境电商进出口18.4亿元安丘成功创建为省级健康促进市 “健康安丘”建设迈出坚实步伐惠及39904户！今年枣庄拟实施30个老旧小区改造抗疫一线，绽放青春（暖闻热评）

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