海上風力發(fā)電不僅有助于減少對化石燃料的依賴，降低溫室氣體排放，還可以有效緩解陸地空間緊張的問題，增強能源供應的穩(wěn)定性和安全性[1-2]。然而，海上風電設施面臨著比陸地風電更為苛刻的環(huán)境條件，如鹽霧、濕度、溫度、風力和海浪等[3-5]，這些因素極大地增加了設備的維護難度和成本，尤其對風電機組中的金屬部件，如軸承、塔筒等[6-7]。隨著海上風電機組裝機量增加，風電機組的故障率和可靠性也越來越受到重視，其中軸承故障已經成為影響風電機組可靠性的關鍵[8]。
軸承是海上風力發(fā)電機組的核心部件之一，也是最薄弱的環(huán)節(jié)之一。據統計軸承類故障占我國風力發(fā)電機組總故障的74%，而腐蝕因素占約40%，其中不乏運行不到3 a即失效的案例[9]。服役壽命遠不如預期（風電行業(yè)要求20 a），導致風機長期停運甚至提前報廢。海上風電軸承部件服役工況復雜且惡劣，在靜態(tài)條件下，風機軸承持續(xù)受到C4級及以上腐蝕性等級的海洋環(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、長時間潤濕的多重作用[10-11]，腐蝕性等級達到甚至超過C5級。在工作狀態(tài)下，風機軸承還將承受機器運轉導致的高溫度、復雜工作載荷的耦合作用[12-13]。風機運行時，艙內溫度將隨著機器啟動及轉速提升發(fā)生改變，軸承部件的環(huán)境溫度將在30~70 ℃波動，最高可能達到80 ℃[14]。與此同時，軸承部件轉動時還將承受高沖擊、振動及徑向接觸應力等載荷耦合作用，溫度場和力場的疊加將使得其所處環(huán)境的腐蝕性更加惡劣。然而，當前大部分研究關注軸承鋼強韌性、高的抗疲勞性和耐磨性等方面[15-17]，對其服役過程中的腐蝕問題缺乏系統研判和機制認識，使得海上風電機組存在巨大安全隱患，這阻礙了我國風電裝備國產化進程。
因此，筆者以42CrMo軸承鋼為研究對象，通過電化學測試、腐蝕形貌分析等對其在模擬海洋環(huán)境中的電化學行為進行了研究，并針對軸承運轉時帶來的溫度變化對其腐蝕行為的影響進行了探究，相關研究結果有助于加深對海上風電軸承部件腐蝕失效的認識，為海上風電裝備發(fā)展提供支撐和幫助。
1. 試驗
1.1 試驗材料
試驗用軸承材料為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（至2000號）打磨，機械拋光至鏡面，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%（體積分數）硝酸酒精侵蝕8~10 s，將其置于光學顯微鏡（光鏡）下觀察金相組織，結果如圖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。
| 元素 | Si | Cr | Ni | C | Mo | P | S | Fe |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 質量分數/% | 0.37 | 1.20 | 0.30 | 0.45 | 0.25 | 0.02 | 0.01 | 余量 |
1.2 電化學測試
選用傳統的三電極體系在CS350M電化學工作站上進行電化學測試，其中：42CrMo鋼為工作電極，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極，Pt片為對電極。從鋼板上切取尺寸為10 mm×10 mm×3 mm的塊狀樣品，用導線焊接后，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（至1500號）打磨。將工作電極浸泡在3.5%（質量分數，下同）NaCl溶液中，測試溫度為25，30，40，50，60，70 ℃，測試時間分別為0，3，7，15，30 d。電化學阻抗譜（EIS）和極化曲線測試前，先開展至少20 min的開路電位（OCP）測試，以判斷系統是否達到穩(wěn)定。隨后，在不同條件下進行EIS測試，擾動電位為10 mV，測試頻率為0.01 Hz~100 k Hz。動電位極化測試的電位掃描范圍為-0.4~0.5 V（相對于OCP），掃描速率為0.5 mV/s。
1.3 浸泡試驗
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（至1500號）打磨，置于3.5%NaCl溶液中分別浸泡3，7，15，30 d，試驗溫度為25 ℃。浸泡結束后取出試樣，置于光學顯微鏡下觀察其表面腐蝕產物形貌，隨后利用除銹液去除表面腐蝕產物，觀察其腐蝕形貌特征。
2. 結果與討論
2.1 溫度對42CrMo鋼電化學性質的影響
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，42CrMo鋼的OCP約為-0.585 V，隨著溫度的升高，OCP逐漸降低，當溫度升至60 ℃和70 ℃時，42CrMo鋼的OCP穩(wěn)定在約-0.7 V，相較于25 ℃時的降低了約115 mV。由OCP的變化規(guī)律可知，溫度升高增加了42CrMo鋼的電化學活性。
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圖均表現為一個較大的半圓弧，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反應阻力減小，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)域均有一個較寬的峰值范圍，根據文獻，可推斷影響該電極反應過程的時間常數可能有2個[18-19]。因此，本文選用圖3（a）中的等效電路圖對所得EIS曲線進行了擬合，等效電路中各元件的含義如下[20]：Rs為溶液電阻，Rf和Qf為腐蝕產物電阻和相應的常相位角元件，Rct為電荷轉移電阻，Qdl為雙電層對應的常相位角元件。依據上述等效電路擬合得到的電化學參數值如表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。
