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首頁(yè) 檢測(cè)技術(shù)與成果

分享:海上風(fēng)電用42CrMo軸承鋼的電化學(xué)行為

海上風(fēng)力發(fā)電不僅有助于減少對(duì)化石燃料的依賴,降低溫室氣體排放,還可以有效緩解陸地空間緊張的問題,增強(qiáng)能源供應(yīng)的穩(wěn)定性和安全性[1-2]。然而,海上風(fēng)電設(shè)施面臨著比陸地風(fēng)電更為苛刻的環(huán)境條件,如鹽霧、濕度、溫度、風(fēng)力和海浪等[3-5],這些因素極大地增加了設(shè)備的維護(hù)難度和成本,尤其對(duì)風(fēng)電機(jī)組中的金屬部件,如軸承、塔筒等[6-7]。隨著海上風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)量增加,風(fēng)電機(jī)組的故障率和可靠性也越來越受到重視,其中軸承故障已經(jīng)成為影響風(fēng)電機(jī)組可靠性的關(guān)鍵[8]。

軸承是海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心部件之一,也是最薄弱的環(huán)節(jié)之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)軸承類故障占我國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總故障的74%,而腐蝕因素占約40%,其中不乏運(yùn)行不到3 a即失效的案例[9]。服役壽命遠(yuǎn)不如預(yù)期(風(fēng)電行業(yè)要求20 a),導(dǎo)致風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期停運(yùn)甚至提前報(bào)廢。海上風(fēng)電軸承部件服役工況復(fù)雜且惡劣,在靜態(tài)條件下,風(fēng)機(jī)軸承持續(xù)受到C4級(jí)及以上腐蝕性等級(jí)的海洋環(huán)境腐蝕作用,部分軸承(如變槳、偏航軸承)直接暴露于海洋大氣環(huán)境,受到高濕、高鹽、長(zhǎng)時(shí)間潤(rùn)濕的多重作用[10-11],腐蝕性等級(jí)達(dá)到甚至超過C5級(jí)。在工作狀態(tài)下,風(fēng)機(jī)軸承還將承受機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致的高溫度、復(fù)雜工作載荷的耦合作用[12-13]。風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí),艙內(nèi)溫度將隨著機(jī)器啟動(dòng)及轉(zhuǎn)速提升發(fā)生改變,軸承部件的環(huán)境溫度將在30~70 ℃波動(dòng),最高可能達(dá)到80 ℃[14]。與此同時(shí),軸承部件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)還將承受高沖擊、振動(dòng)及徑向接觸應(yīng)力等載荷耦合作用,溫度場(chǎng)和力場(chǎng)的疊加將使得其所處環(huán)境的腐蝕性更加惡劣。然而,當(dāng)前大部分研究關(guān)注軸承鋼強(qiáng)韌性、高的抗疲勞性和耐磨性等方面[15-17],對(duì)其服役過程中的腐蝕問題缺乏系統(tǒng)研判和機(jī)制認(rèn)識(shí),使得海上風(fēng)電機(jī)組存在巨大安全隱患,這阻礙了我國(guó)風(fēng)電裝備國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。

因此,筆者以42CrMo軸承鋼為研究對(duì)象,通過電化學(xué)測(cè)試、腐蝕形貌分析等對(duì)其在模擬海洋環(huán)境中的電化學(xué)行為進(jìn)行了研究,并針對(duì)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)帶來的溫度變化對(duì)其腐蝕行為的影響進(jìn)行了探究,相關(guān)研究結(jié)果有助于加深對(duì)海上風(fēng)電軸承部件腐蝕失效的認(rèn)識(shí),為海上風(fēng)電裝備發(fā)展提供支撐和幫助。

1. 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用軸承材料為42CrMo合金鋼板,其主要成分如表1所示。從鋼板上切取尺寸為10 mm×10 mm×3 mm的塊狀樣品,通過SiC砂紙逐級(jí)(至2000號(hào))打磨,機(jī)械拋光至鏡面,隨后用去離子水和酒精依次清洗表面。將拋光后的試樣表面通過4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精侵蝕8~10 s,將其置于光學(xué)顯微鏡(光鏡)下觀察金相組織,結(jié)果如圖1所示。由圖1可知,42CrMo鋼的微觀組織主要由板條狀貝氏體和針狀鐵素體組成,未觀察到明顯的夾雜物和奧氏體晶界特征。

表 1 42CrMo軸承鋼的元素組成
Table 1. Chemical compositions of 42CrMo bearing steel
元素 Si Cr Ni C Mo P S Fe
質(zhì)量分?jǐn)?shù)/% 0.37 1.20 0.30 0.45 0.25 0.02 0.01 余量
圖 1 42CrMo軸承鋼的顯微組織
Figure 1. Microstructure of 42CrMo bearing steel

1.2 電化學(xué)測(cè)試

選用傳統(tǒng)的三電極體系在CS350M電化學(xué)工作站上進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試,其中:42CrMo鋼為工作電極,飽和甘汞電極(SCE)為參比電極,Pt片為對(duì)電極。從鋼板上切取尺寸為10 mm×10 mm×3 mm的塊狀樣品,用導(dǎo)線焊接后,環(huán)氧樹脂密封暴露1 cm2的工作面積,并將工作面用砂紙逐級(jí)(至1500號(hào))打磨。將工作電極浸泡在3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)NaCl溶液中,測(cè)試溫度為25,30,40,50,60,70 ℃,測(cè)試時(shí)間分別為0,3,7,15,30 d。電化學(xué)阻抗譜(EIS)和極化曲線測(cè)試前,先開展至少20 min的開路電位(OCP)測(cè)試,以判斷系統(tǒng)是否達(dá)到穩(wěn)定。隨后,在不同條件下進(jìn)行EIS測(cè)試,擾動(dòng)電位為10 mV,測(cè)試頻率為0.01 Hz~100 k Hz。動(dòng)電位極化測(cè)試的電位掃描范圍為-0.4~0.5 V(相對(duì)于OCP),掃描速率為0.5 mV/s。

1.3 浸泡試驗(yàn)

從42CrMo鋼板上切取尺寸為25 mm×10 mm×3 mm的矩形試樣,用砂紙逐級(jí)(至1500號(hào))打磨,置于3.5%NaCl溶液中分別浸泡3,7,15,30 d,試驗(yàn)溫度為25 ℃。浸泡結(jié)束后取出試樣,置于光學(xué)顯微鏡下觀察其表面腐蝕產(chǎn)物形貌,隨后利用除銹液去除表面腐蝕產(chǎn)物,觀察其腐蝕形貌特征。

2. 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)42CrMo鋼電化學(xué)性質(zhì)的影響

圖2為42CrMo鋼在不同溫度下的OCP曲線。由圖2可知,各溫度條件下,42CrMo鋼的OCP均快速降低并在浸泡400 s后逐漸趨于穩(wěn)定。25 ℃時(shí),42CrMo鋼的OCP約為-0.585 V,隨著溫度的升高,OCP逐漸降低,當(dāng)溫度升至60 ℃和70 ℃時(shí),42CrMo鋼的OCP穩(wěn)定在約-0.7 V,相較于25 ℃時(shí)的降低了約115 mV。由OCP的變化規(guī)律可知,溫度升高增加了42CrMo鋼的電化學(xué)活性。

圖 2 42CrMo軸承鋼在不同溫度下的OCP曲線及其穩(wěn)定值
Figure 2. OCP curves (a) and stability values (b) of 42CrMo bearing steel at different temperatures

圖3為42CrMo軸承鋼在不同溫度3.5%NaCl溶液中的EIS曲線。由圖3(a)看出,所有溫度下42CrMo鋼的Nyquist圖均表現(xiàn)為一個(gè)較大的半圓弧,這通常意味著其具有容抗特征。隨著溫度升高,容抗弧的半徑迅速降低后逐漸趨于穩(wěn)定。通常,容抗弧半徑降低意味著電化學(xué)反應(yīng)阻力減小,即腐蝕加速。由Bode圖中的相位角變化可知,各溫度條件下,中-低頻區(qū)域均有一個(gè)較寬的峰值范圍,根據(jù)文獻(xiàn),可推斷影響該電極反應(yīng)過程的時(shí)間常數(shù)可能有2個(gè)[18-19]。因此,本文選用圖3(a)中的等效電路圖對(duì)所得EIS曲線進(jìn)行了擬合,等效電路中各元件的含義如下[20]:Rs為溶液電阻,Rf和Qf為腐蝕產(chǎn)物電阻和相應(yīng)的常相位角元件,Rct為電荷轉(zhuǎn)移電阻,Qdl為雙電層對(duì)應(yīng)的常相位角元件。依據(jù)上述等效電路擬合得到的電化學(xué)參數(shù)值如表2所示,由表可知,隨著溫度的升高,Rct從4 020 Ω·cm2迅速降低并逐漸穩(wěn)定在500 Ω·cm2附近。Rct反映金屬失去電子的困難程度,其值越小意味著金屬耐蝕性越差。顯然,溫度升高降低了3.5%NaCl溶液中42CrMo軸承鋼的耐蝕性,這與前文OCP的變化規(guī)律保持一致。

圖 3 42CrMo軸承鋼在不同溫度下的Nyquist圖和Bode圖
Figure 3. Nyquist plots (a) and Bode plots (b) of 42CrMo bearing steel at different temperatures
表 2 不同溫度下42CrMo軸承鋼的EIS擬合結(jié)果
Table 2. Fitting results of EIS of 42CrMo bearing steel at different temperatures
溫度/℃ Rs/(Ω·cm2) Qf Rf/(Ω·cm2) Qdl Rct/(Ω·cm2)
Yf/(Ω-1·cm-2·sn n Ydl/(Ω-1·cm-2·sn n
25 7.54 4.82×10-4 0.87 7.96 5.09×10-4 0.85 4 020
30 7.38 5.56×10-3 0.84 6.35 6.83×10-4 0.92 1 286
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