邵健帥 焦曉飛 王建鋒
0 引言
海洋大氣環境的鹽霧、高溫、高溼度等環境因素對箱形吊梁（以下簡稱吊梁）的鹽霧腐蝕產生嚴重的潛在危險影響。同時，吊梁吊具由於腔內的不可見、不易測特性，在日常吊具維護中，往往不對吊梁密閉腔體內部腐蝕程度進行檢測；以往在吊梁設計中，只是對外表面採取噴漆措施，未對吊梁內表面採取防腐措施，這也增加了吊梁內部發生腐蝕失效的風險性。為提高吊梁吊具的使用安全性和可靠性，本文以位於海南文昌發射場的吊具為研究對象，從鹽霧腐蝕機理、吊具檢測方法和全生命周期承載安全性評估等多方面展開研究，提出了超聲波檢測方法在吊具腐蝕監測中的應用，為現役吊具的維護保養和安全性評估提供參考[1,2]。
1 典型吊具結構組成
梁式水平吊具由吊耳、叉架、橫梁、連接環、卡環、前吊帶、後吊帶、前吊耳和後連接耳等組成。梁式水平吊具結構組成如圖1 所示，吊梁內部結構如圖2 所示。
吊梁採用Q345A 的鋼板焊接而成，焊縫為坡口焊和角焊縫，遵循規範QJ176A—1999《地面設備熔焊通用技術條件》的II 類焊縫及以上的規定。焊接過程中在吊梁側面開有工藝孔，焊後封堵工藝孔。吊梁鋼板在焊接前採用噴砂的形式去除氧化皮，然後外表面噴三層漆，內表面不做防腐處理。在焊接後進行磁力探傷。對吊具進行1.25 倍的靜載試驗和1.1 倍的動載試驗，試驗後二次探傷，吊梁焊縫無裂紋，無永久變形[2]。
2 吊具腐蝕原因分析
2.1 吊具使用環境研究
海南文昌發射場具有熱帶和亞熱帶氣候特點，屬於典型海洋鹽霧大氣環境。經調研，當地的自然環境參數如表1 所示[3]。
1）降雨：累計年降雨量高達1 998.8mm。每月均有降雨，可在金屬表面直接產生水膜，是產生大氣腐蝕非常有利的條件。
2）凝露：全年均處於高溫高溼的環境下。當有較小溫差出現時，大氣中的水汽含量很容易達到飽和，易凝結成露。全年露日220 d，佔全年的60%。吊梁及吊具其他金屬件的表面在氣溫較低的時候很容易形成凝露水膜，當氯離子溶解在水膜中時，更容易加速腐蝕。
3）高溼度：全年相對溼度均高，3 月平均相對溼度最大，10 月平均相對溼度最小，年平均相對溼度為87%。
4）大氣汙染物：大氣中有較高濃度的氯離子，另外還含有微量的SO2、H2S、NH3 等腐蝕性雜質氣體。
2.2 吊具腐蝕類型
吊具主要包含吊梁、金屬連接件、標準件、外購件等結構。吊梁通常為Q345 鋼板焊接而成，金屬連接件主要由30CrMnSiA、40Cr 等合金結構鋼加工完成，外購件主要為卸扣和吊環等，材料為35CrMo 等高強度合金鋼。對處於海洋大氣環境下的吊具，主要腐蝕類型是大氣腐蝕和應力腐蝕，其中大氣腐蝕又包括大氣表面腐蝕和大氣縫隙腐蝕，以下對各腐蝕類型進行說明[4]。
2.2.1 均勻腐蝕
在海洋大氣環境中，當鹽霧沉降在暴露的金屬表面上時，由於Cl- 對金屬鈍化膜極強的破壞作用而大大加快了金屬全面腐蝕的速度，增大了金屬局部腐蝕的可能性。大氣腐蝕的本質是薄液膜下的電化學應。金屬本身因含有雜質而有電極存在，在大氣中存放和使用時，由於大氣中降水、露、霧等氣象條件的影響在金屬表面產生薄水膜，而大氣中存在的汙染成分，如SO3、NO2、Cl- 和降塵等，溶於金屬表面薄水膜，使之成為電解液，這樣金屬內部有電流產生，從而產生腐蝕。吊具使用的鋼板直接暴露在海南腐蝕性海洋大氣環境中，在金屬表面容易發生腐蝕。腐蝕作用以基本相同的速度鋼板表面同時進行，這種腐蝕就是均勻腐蝕。由於吊梁內表面沒有採取任何防腐措施，所以很容易發生均勻腐蝕。金屬發生均勻腐蝕時，其表面比較均勻地減薄，各部位腐蝕速率接近，無明顯的腐蝕形態差別。某種金屬均勻腐蝕示意圖如圖3 所示。
2.2.2 點蝕
點蝕是一種外觀隱蔽而破壞性極大的一種局部腐蝕形式，雖然因點蝕而損失的金屬質量很小，但是由於幾何形態上構成了大陰極小陽極的結構，致使腐蝕孔的陽極溶解速度相當大，而且點蝕發展過程中具有自動加速的特點，故腐蝕孔若連續的發展，能很快導致腐蝕穿孔破壞，產生危害性很大的事故。吊具使用的金屬材料在腐蝕介質中經過一段時間後，在整個暴露於腐蝕介質中的表面上個別的點或微小區域內出現腐蝕小孔，而其他大部分表面不發生腐蝕或腐蝕很輕微，且隨著時間的推移，腐蝕孔不斷的向縱深方向發展，形成小孔狀腐蝕坑，這種腐蝕形態叫做點腐蝕（見圖4）。從腐蝕的外觀形貌來看,腐蝕孔的直徑很小，僅數十微米，但深度一般遠大於直徑，點腐蝕不僅可以生成開口式的蝕孔，還可以生成閉口式的腐蝕孔。吊梁外表面通常採用噴漆處理，當漆層被磕碰之後，容易發生點蝕；當漆層噴塗質量不高時，也容易出現點蝕現象。
2.2.3 縫隙腐蝕
吊具存在諸如吊梁上安裝標牌後的鉚釘和鉚釘安裝孔之間存在較小的縫隙，或是焊接出現微小裂紋但是檢測未發現該裂紋，在零件之間縫隙滿足腐蝕條件時就可能存在縫隙腐蝕。縫隙腐蝕是一種很普遍的腐蝕現象，當金屬與金屬、金屬與非金屬之間縫隙寬度為0.025 ～ 0.1 mm 時，幾乎所有的腐蝕性介質都能引起金屬的縫隙腐蝕，其中含氯離子的溶液通常是縫隙腐蝕最敏感的介質。縫隙腐蝕的機理如下：腐蝕前，縫隙內外的金屬表面發生相同的、陽極反應陽極反應陰極反應隨著反應的進行，縫隙內的氧耗盡，氧還原反應終止；縫隙外供氧充分，氧還原反應繼續進行，縫隙內外構成氧濃差電池。為了維持電中性，縫外易流動的氯離子遷移到縫內，使縫內金屬氯化物濃度增加。金屬氯化物在水中水解，即有水解結果生成一種不溶的氫氧化物和游離酸，於是縫隙內PH 值下降。氯離子和氫離子都會加速金屬的溶解。金屬溶解增加，又引起更多氯離子遷入，氯化物濃度增加，氯化物水解又使介質進一步酸化，又使陽極溶解，如此往復循環使縫隙內金屬不斷腐蝕（見圖5）。
2.2.4 焊縫應力腐蝕
焊縫腐蝕主要與吊梁等焊接形式相關，焊接區的抗性能低。晶間腐蝕是由於晶間和晶粒之間存在電化學的不均勻性而造成的，在有應力作用下，晶間腐蝕往往可能成為應力腐蝕開裂的先導，甚至發展成為晶間應力腐蝕開裂。
吊梁主體材料為Q345，在焊接成型過程中焊縫處會存在較高的殘餘應力和總裝完成後造成的結構應力，當金屬表面防護漆層失效情況下，金屬表面在應力和腐蝕介質的共同作用下，表面的氧化膜或鈍化膜被破壞，而破損處相對其他有膜覆蓋的表面成為陽極，更容易發生陽極反應，金屬原子溶解成離子，形成溝形裂紋，即金屬材料表面萌生裂紋（見圖6）。
海南海洋性大氣環境下，金屬表面形成富含氯離子的電解液薄膜，氯離子可以在金屬表面或鈍化膜上吸附，與電解質溶液形成強電場，促進基體金屬離子的溶出；氯離子與金屬鋼可形成氯的絡合物，加速本體鋼溶解。這些作用都能減少陽極極化阻滯，加速金屬鋼的腐蝕。隨著裂紋的萌生，局部的應力分布發生變化，應力集中於裂紋尖端，使附近區域發生塑性變化，這種情況又反過來加快了裂紋尖端的陽極反應，及陽極溶解型應力腐蝕，可以用化學式表示由於裂紋的縫隙狹窄，裂紋縫隙內的腐蝕介質幾乎是停滯的，陰極反應耗盡的氧來不及補充，從而使裂紋縫隙內的陰極反應中止。由於陰極反應中止，相應的腐蝕反應也會中止，則腐蝕產物MOH的生成中止，沒有比容更大的腐蝕產物MOH 的連續生產，裂紋尖端的膨脹速度將大為降低，直至裂紋縫隙內的氧通過物理擴散作用得以補充，陰極反應得以繼續從而使腐蝕反應繼續。此時，這種作用與普通的均勻腐蝕或點蝕的機理更為接近。
2.2.5 鍍覆層腐蝕
熱滲鋅是一種比較耐鹽霧腐蝕的表面處理技術。吊耳、連接耳等採用熱滲鋅作為表面防腐技術。但如果是在熱滲鋅過程中由於工件擺放位置不合理、間距較小、鍍覆時間控制不合理等原因，導致熱滲鋅層厚度不均；在滲鋅後封閉處理中，鋅層表面未形成鹼式碳酸鋅等保護層時，就很容易出現如圖7 和圖8 所示的熱滲鋅表面鏽蝕現象，影響吊具自製件的美觀和接口配合。在圖7 中，連接耳表面鐵紅色部分是鋅層鏽蝕後的氧化鐵。在圖8 中，調節耳外表層中的白色鏽蝕部分是氧化鋅，這是因為鋅層表面沒有形成穩定的鹼式碳酸鋅而導致鋅層腐蝕過快導致。
3 吊具腐蝕狀態的監測方法
針對在海洋大氣腐蝕環境下的吊具進行腐蝕狀態檢測，主要檢測對象是：吊梁外表面大面積均勻腐蝕情況、本體局部點蝕、吊梁表面漆層的破壞、焊縫腐蝕、卸扣、吊環等外購件外觀腐蝕情況、吊耳、止動銷等自製件外觀腐蝕情況、吊帶腐蝕情況、鋼絲繩腐蝕情況、螺栓腐蝕和吊梁內表面腐蝕情況。以上腐蝕均會對吊具承載安全性造成影響[5]。
3.1 監測項目
吊具的監測項目對吊具的維護保養具有重要意義，是保障吊具在生命周期內可以安全可靠使用的重要條件。吊具監測項目內容如圖9 所示。
3.2 監測方法
3.2.1 外觀檢查
進行外觀檢查時, 首先將產品外表面清理乾淨，之後通過目視或用放大鏡對吊具零部件進行外觀檢查：
1）零部件外觀檢查 對吊耳、連接耳、鋼絲繩等零部件進行目視檢查，零部件不得有鏽蝕、裂紋、磕碰等現象。
2）吊梁外觀檢查 對吊梁外表面漆層進行目視檢查，不允許有掉漆、鏽蝕、磕碰等缺陷，檢查吊梁外形結構，結構不允許出現變形。
3）焊縫外觀檢查 目視檢查焊縫，必要時用10 倍放大鏡，不得有裂紋。
3.2.2 超聲波無損檢測
在利用超聲波設備進行無損檢測時，一般對吊梁漆層厚度、吊梁內部腐蝕程度、吊梁焊縫裂紋情況、零部件鍍覆層厚度等進行檢測，檢測結果作為吊梁承載安全性評估的重要依據。在進行超聲波檢測時，檢測流程如圖10 所示。
使用測厚儀對吊梁表面漆層和零部件表面的處理層厚度進行定量檢查，以判斷表面塗覆層的腐蝕程度。利用超聲波測厚儀對吊梁腔內腐蝕程度進行定量檢查，以判斷吊梁各板材的腐蝕程度；對於腔內的筋板，由於操作無法到達，故超聲波測厚儀無法檢測出其腐蝕程度，由於吊梁內腔所處的環境條件基本相同，且內部筋板對吊梁主承載結構影響較小，因此可認為腔內筋板的腐蝕程度與外部板材一致。當檢查發現吊梁內部可能出現由於腐蝕而導致鋼板厚度減小時，使用內窺鏡對吊梁腔內腐蝕程度進行定性檢查，以判斷腔內是否出現腐蝕以及對腐蝕程度進行直觀檢查。
在使用內窺鏡檢查時，如吊梁內部各部位均有腐蝕現象，首先根據吊梁的圖紙對吊梁腔內進行判斷，選出非關鍵承載區域和判斷腔內是否有筋板。如果是接觸共同一片空氣的鋼板，則腐蝕程度相同。當某筋板兩側的空氣相通時，則認為該筋板兩側均發生腐蝕，且腐蝕程度相同。所以針對圖5b 所示的翻轉吊具的腔內有很多筋板，則選擇非關鍵承載區，然後在該區域打一個能適應內窺鏡探頭的孔對腔內進行腐蝕程度定性判斷。如果經超聲波測厚儀檢測，僅吊梁的局部厚度減小，則主要選擇在該局部位置的非關鍵承載區域打一個能適應內窺鏡探頭的孔對腔內進行腐蝕程度定性判斷，其他位置不適用內窺鏡進行檢查。內窺鏡檢測如圖11 所示。最後可利用超聲波探傷儀對吊梁焊縫和吊具自製件進行裂紋檢查，以判斷是否出現裂紋及裂紋的大小和位置等。
3.2.3 加載試驗
吊具在大修過程中一般應進行加載試驗考核，試驗項目為靜載試驗和動載試驗，試驗要求參考吊具技術條件中相關要求。試驗過程中可根據吊具的結構特點，在應力較大的位置布置測點，對吊具承載時的應力進行測試。
3.3 檢測判據及結果處理
3.3.1 外表面檢查
1）目視檢查零部件外表面是否有鏽蝕，對出現鏽蝕的部位應進行打磨，打磨後檢查表面是否有裂紋等缺陷，對無缺陷的零部件重新補漆或塗油處理。
2）用10 倍放大鏡檢查金屬零件外表面是否有裂紋，出現裂紋時一般應進行報廢處理。
3）用10 倍放大鏡檢查吊梁焊縫是否有裂紋，對不能確定的可疑部位進行無損探傷檢查。確定為裂紋的部位應做明顯標記，如裂紋在關鍵受力部位，或返廠進行打磨檢查後確認不可修復，則該零件報廢。
3.3.2 無損檢測
1）對利用超聲波漆層測試儀測出的漆層厚度進行記錄，對厚度出現明顯減少的情況進行記錄，對漆層厚度小於原始厚度70% 的產品需進行補漆。
2）利用磁性測厚儀對零件的熱滲鋅層表面厚度進行檢測並記錄，對厚度出現明顯減少的情況進行記錄，對熱滲鋅層厚度小於原始厚度50% 的產品需進行補鋅。
3）對利用超聲波探傷儀測得的焊縫損傷狀態進行記錄，確定為裂紋的部位應做明顯標記，如裂紋在關鍵受力部位，或返廠檢修後確認不可修復，則該零件報廢。
4）利用超聲波測厚儀檢測吊梁各鋼板的厚度並記錄，並與焊接之前的板厚數據進行對比，對鋼板厚度明顯減少的情況，應通過仿真、加載試驗對吊梁的承載安全性進行評估。
3.3.3 加載試驗
吊具加載試驗後，對吊梁及其他結構件進行無損探傷檢查，吊梁及其他結構件不得有裂紋和永久變形；根據應力測試結果計算得到的安全係數應滿足《吊具設計規範》中相關要求。
3.4 監測周期
在吊具使用壽命期內，應按規定進行例行檢修、中修和大修。原則上每執行一次發射任務進行一次例行檢修，中修、大修的具體年限按照執行任務的頻繁程度確定( 見表2)。特殊情況可按型號要求安排檢修，大修當年不進行中修。
3.5 結論
對海洋大氣腐蝕環境中的吊具進行常規檢測和超聲無損檢測，得到關於吊梁腐蝕和焊縫出現裂紋的重要數據，作為後續章節吊梁承載安全性評估的輸入。通過內窺鏡檢測、超聲波測厚儀檢測、超聲波探傷儀檢測結果對吊梁腐蝕、裂紋的檢測和判斷具有良好的效果。
4 吊具承載安全性評估
安全性評估是改善吊具安全狀況、保障吊裝安全的重要技術手段，為吊具零部件在海南大氣腐蝕環境下的檢查、檢修、判廢提供科學依據。
4.1 吊具全周期承載安全性評估流程圖
從吊具設計、生產、驗收到交付後的常規檢修、中修和大修，均需對吊具進行過程控制，評估流程如圖12 所示。
當吊具交付後，通過吊具的常規檢修、中修和大修等，當發現吊具出現腐蝕時，按照圖13 所示的流程圖進行分析，以確定吊具是否能夠繼續使用。對吊具零部件腐蝕程度應根據表面腐蝕狀態，同時結合有限元計算結果進行判斷。輕微腐蝕主要是表面漆層或塗覆層本身的腐蝕，其引起的腐蝕不會影響結構件的承載性能，如果金屬本體已發生腐蝕，則其屬於較嚴重的腐蝕，需要對結構進行有限元計算及接口尺寸覆核，如果覆核結果不能滿足設計要求，則該零/ 部件應報廢並重新生產。當吊具交付後，通過吊具的常規檢修、中修和大修等，當發現吊具出現裂紋時，需按照圖14 所示的流程圖進行分析，以確定吊具是否能夠繼續使用。
在吊具正常的壽命周期後，可以根據型號要求，對吊具進行壽命評估，在進行壽命平時時，需進行全面的狀態檢查；然後進行仿真計算，評估吊具的剩餘安全係數是否滿足標準要求；最後進行吊具載荷試驗，通過試驗進一步保障吊具產品的質量。吊具壽命期結束後的流程圖如圖15 所示。
4.2 吊具的防腐評估數據包
吊具的防腐評估數據包對安全性評估具有重要意義，包括吊具全生命周期的歷程數據。外觀狀況主要是指吊具通過現場目視、拍照得到的外觀狀態。製造過程的質量是吊具全生命周期安全性評估的基礎，因此，要監測和收集製造過程的詳細，檢查的每一項應符合規範要求。吊梁、金屬零件、吊帶、非金屬零件的監測數據包項目如表3 ～表6 所示。
貯存包括製造廠家發貨前的貯存和到達使用地點的貯存，運輸過程和到達使用地點的組裝是產品全生命周期的一個重要環節，監測數據包項目如表7 所示。
5 結語
通過研究，理清了位於海洋大氣環境中的吊具的多種腐蝕機理，提出了有效的定性和定量化的腐蝕監測方法：內窺鏡檢測和超聲波檢測。根據相關標準提出了檢測判據和結果處理措施。針對吊裝重要產品的吊具提出了全生命周期內的承載安全性評估流程圖和評估，有利的保障了海洋大氣環境中的吊具的安全使用。