作者：吴智泉1, 陈亮2, 张新3, 冯强1, 吴春1, 孙涛1, 杨佳霖1(1. 中国大唐集团新能源科学技术研究院, 北京100040; 2. 辽宁大唐国际新能源有限公司, 辽宁沈阳110004; 3. 新兴际华集团应急研究总院, 北京100070)

来源：《热加工工艺》2019 年5 月

摘要：针对风电机组塔筒螺栓大面积腐蚀的现状，采用化学成分、拉伸性能测试和微观组织观察等对螺栓的本体性能进行分析。结果表明：螺栓螺杆存在材质错用情况；螺栓螺杆拉伸性能满足标准的要求，冲击性能低于标准值；螺栓

螺杆心部存在硫化物类非金属夹杂物，且存在少量的铁素体；螺栓的定期检验破坏了处理表层，表面处理层不能有效起到抵御腐蚀的作用；螺栓的腐蚀属于大气腐蚀，伴随着电化学腐蚀，生成的腐蚀产物在潮湿环境中会继续转化变成可溶解的产物，进一步加快了腐蚀。对现役风电螺栓的处理措施提出了相关建议。

某风电场一共24 台风机，其中11# 风电机组由某风机厂生产制造，塔筒由某钢结构公司制造，塔筒规格为准4200 mm/3005 mm ×67261 mm （T1、T2、T2），于2010 年生产安装，至今已运行8 年。塔筒螺栓分三层， 一层塔筒与基础环连接螺栓数量为114 颗，螺栓型号为EN143499-4，性能等级为10.9 级， 产品规格为M48×295mm。螺栓用钢42CrNiMo 经过调质处理后具有较高的硬韧性、弹性和耐热性，同时又具有良好淬透性的中碳钢，因此被广泛地应用在制造重要设备上的机械零件。为了提高螺栓的抗腐蚀性，对每个螺栓均进行了发黑处理[1-2]。为了查找风电机组塔筒螺栓大面积腐蚀的原因，本文对送检的螺栓进行了破坏性实验，通过宏观检验、成分分析、力学性能实验、金相检验及扫描电镜等方法对腐蚀螺栓进行了分析。

1 现场螺栓腐蚀形貌

塔筒螺栓底层螺栓的位置如图1 所示。在风电机组运行过程中，发现螺栓的螺杆、螺帽和垫片均存在不同程度的腐蚀现象， 且腐蚀位置均为白色油漆脱落位置。尤其是螺帽白色油漆脱落较为严重，腐蚀也更为严重，如图2 所示。

现场塔筒螺栓的腐蚀情况如图3 所示。可看出，在螺帽、螺杆和垫片没有被外面白色面漆涂刷的部位均存在腐蚀情况。

从风机现场的观察情况， 白色漆与螺栓基体接触力较弱， 在现场不使用工具而仅使用人的指甲稍微用力即可将白色面漆抠掉。这主要是由于在日常检修中对螺栓进行多次施加力矩， 设备触动白色面漆，将白色面漆部分损坏。同时还可看出，白色面漆已经破坏部位存在明显的锈蚀迹象， 但是从扣掉白色面漆的情况（即使结合力很弱）可看出，未脱落的白色面漆下面的螺帽不存在腐蚀痕迹（已做发黑处理），如图4 所示。

对风电现场拆卸下来的螺栓的宏观形貌进行分析， 白色面漆未掉落的部位以及未与空气接触的部位（螺杆）均未存在腐蚀痕迹，螺杆与螺帽上的螺纹也未存在腐蚀痕迹， 而白色面漆已经脱落的部位均存在腐蚀的痕迹。为查找螺栓的材质是否存在问题以及螺栓腐蚀的原因， 在螺栓螺杆的不同位置切取了不同规格的试样，如图5 所示。利用这些试样可进行力学性能、化学成分和夹杂物分析等实验。对风电现场拆卸下来的螺栓的宏观形貌进行分析， 白色面漆未掉落的部位以及未与空气接触的部位（螺杆）均未存在腐蚀痕迹，螺杆与螺帽上的螺纹也未存在腐蚀痕迹， 而白色面漆已经脱落的部位均存在腐蚀的痕迹。

为查找螺栓的材质是否存在问题以及螺栓腐蚀的原因， 在螺栓螺杆的不同位置切取了不同规格的试样，如图5 所示。利用这些试样可进行力学性能、化学成分和夹杂物分析等实验。

2 实验结果与分析

2.1 化学成分分析

从螺杆、螺帽和垫片上分别取样， 通过牛津FOUNDRY-MASTER PRO 型全谱直读光谱仪进行化学成分分析， 检测位置为取样中间部位， 检测三点，实验结果如表1 所示。可看出，检测的化学成分数据与EN14399-4：2005 标准对42CrNiMo 材料的要求不符。测试出的Ni 含量很低，所以可判定，所用螺栓的材质为42CrMo，而不是42CrNiMo。这说明该螺栓存在材质错用情况。

2.2 硬度实验

图6 为硬度测试检测样块。该检测块厚10mm，使用维氏硬度计对螺栓进行硬度检验， 沿着试样直径方向从左到右（即从螺栓中心向螺栓外缘）依次选取17 个测试点进行硬度测试。

该试块的硬度检测结果如表2 所示。可看出，螺栓的中心及螺栓外缘均符合EN14399-4：2005 标准对42CrNiMo 材料硬度的要求， 但是其他部位的硬度较低，不满足EN14399-4：2005 标准对42CrNiMo材料的要求；同时可发现螺栓外缘的硬度明显高于其他部位的。

2.3 室温拉伸实验

从送检的螺栓螺杆杆部取准=5mm 纵向圆棒试样3 根，使用万 能实验机进行室温拉伸实验，实验结果见表3。可发现螺杆的检测数据满足EN14399-4：2005 标准对42CrNiMo 材料的要求。

2.4 室温冲击实验

从送检的螺栓杆部取10mm×10mm×10mm 的V 型缺口试样3 根，根据GB/T3098.1-2010 《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》对螺栓进行-20℃低温冲击实验，实验结果见表4。可看出，螺栓的冲击韧、性平均值为43 J/cm2， 螺栓冲击值低于EN14399-4：2005 标准对42CrNiMo 材料的要求，这表明螺栓材质比较脆。

2.5 非金属夹杂物分析

在螺杆上取纵向试样， 按GB/T 10561-2005 对试样进行非金属夹杂物含量的评定， 非金属夹杂物的分析结果见表5；螺杆中非金属夹杂物主要以A类居多，大多数呈连续性的短条状，密集分布，级别为A2.5。参照YB/T 5137-2018《高压用热轧和锻件制无缝钢管圆管坯》标准要求，螺栓中A 类夹杂物

含量偏高。

2.6 低倍组织分析

从送检的螺栓的杆部取横截面试样，按照GB/T226-2015《钢的低倍组织和缺陷酸蚀检验法》进行低倍组织实验和缺陷检验， 并且参照GB/T1979-2001《结构钢低倍组织缺陷评级图》和GB/T 1220-2007《不锈钢棒》对低倍组织的缺陷进行评级。

螺杆试样的低倍组织如图7 所示。可看出，阀杆中心疏松1.5 级， 一般斑点状偏析1.5 级， 试样中部存在白亮带，无目视可见的缩孔分层、裂纹、气泡、夹杂、翻皮和白点缺陷。参照上述两个标准对低倍组织的要求（一般疏松≤2 级，中心疏松≤2 级， 锭型偏析≤2 级）， 螺栓试样的低倍组织满足同类材料的一般要求。

2.7 金相组织

将抛光浸蚀后螺栓杆部的金相试样采用ZEISS蔡司金相显微镜在200 倍和500 倍两种倍率下观察金相组织，如图8 所示。可看出，螺栓的热处理组织为保持马氏体位向的回火索氏体+ 短棒状铁素体，晶粒度5 级，在沿晶界处有断续析出的碳化物；并且碳化物析出较均匀，渗碳体呈颗粒状均匀分布。

从螺栓的微观组织可看出， 微观组织显示有一定条带状，说明热处理工艺存在缺陷，在调质之前没有进行正火处理， 在调质后就会保留轧制态的带状组织。

在晶界析出的碳化物的不均匀性使螺杆的强度和塑性下降，从螺杆的力学性能可看出，强度高于标准值较少，屈强比较大；而条带状组织的出现，使螺

杆的脆性增加，从螺栓的冲击功可看出，螺栓的冲击性能低于标准的要求。

2.8 扫描电镜及能谱分析

42CrNiMo 螺栓的电镜检测微观组织如图9 所示。可看出，42CrNiMo 螺栓的组织为保持马氏体位向的回火索氏体+ 短棒状铁素体；同时还可看出，组织具有明显的方向性。

对螺杆的边缘侧进行了电镜扫描观察，可看出，在螺杆外缘存在厚约为147 μm 的黑色的区域层，如图10 所示。

对图10 所示区域进行了EDS 分析， 结果如图11 所示。可看出，Si、Cr 和Mn 元素都在42CrNiMo标准规定范围之内；但是C 元素远远超过标准规定值， 达到10.25% ， 远超标准的规定值0.38%～0.45%。C 与铬的亲和力很大，能与铬形成一系列复杂的碳化物，含碳量越高，形成的碳化物就越多，铬的消耗量就越大，耐腐蚀性就越差，这说明外表层含碳量高会降低螺栓的耐蚀性。

2.9 螺纹底部

螺母的螺纹体视显微镜照片如图12 所示。可看出，螺纹底部和侧面光滑，没有存在腐蚀的现象。

2.10 腐蚀深度

垫片和螺母外露部位（油漆层和发黑层已经脱落的部位）的腐蚀深度如图13 所示。可看出，垫片和螺母的腐蚀深度最深， 分别可达284.54、87.63μm，且腐蚀层较为疏松。

3 实验结果分析

3.1 原材料分析

螺栓螺杆的化学成分与EN14399-4：2005 标准对42CrNiMo 材料的要求不符，存在材质错用情况。螺杆硬度与其拉伸性能相匹配， 拉伸性能满足EN14399-4：2005 标准对40CrNiMo 材料的要求，但是螺栓的冲击性能低于标准规定值。

非金属夹杂物和低倍组织分析， 阀杆中存在大量的密集分布的硫化物类夹杂物， 评定级别为2.5级，参考YB/5137-2007《高压用热轧和锻件制无缝钢管圆管坯》对管坯的要求，其已达到标准的上限，且低倍组织和缺陷酸蚀检验评级，中心疏松1.5 级，一般斑点状偏析1.5 级。上述现象均从侧面反映了材料的冶炼水平和内在质量控制要加强。将抛光浸蚀后金相试样采用ZEISS 蔡司金相显微镜在200 倍和500 倍两种倍率下观察金相组织，如图8 所示。可看出，螺栓的热处理组织为回火索氏体，渗碳体呈颗粒状均匀分布，基体铁素体内分布着碳化物（包括渗碳体）球粒的复合组织，符合螺栓用调质钢的组织特征，无异常组织缺陷存在。

经螺栓的金相组织分析， 基体组织为回火索氏体和少量铁素体， 沿晶界析出短小的碳化物。根据标准，螺杆材质须调质处理，而螺杆中出现铁素体。这可能是由于材料淬火时温度较低、保温时间不足或冷却速度较慢引起的。

3.2 发黑处理的抗腐蚀性

螺栓进行了发黑处理， 使螺栓表面产生一层氧化膜（外层主要是Fe3O4，内层为FeO），以隔绝空气，达到防锈目的。这只是一种表面处理，不会对内部组织产生任何的影响，它不是热处理，和淬火有着本质的区别。发黑处理具有便宜、外观好看等优点，同时也具有与基体材料结合力差、抗锈蚀能力差等缺点。对螺栓进行了发黑处理，在有白色面漆覆盖的地方，发黑处理层在一定程度上保护了螺栓免受腐蚀，但是白色面漆脱落的地方，发黑处理的螺栓螺杆、螺帽和垫片均产生了腐蚀现象， 这说明在此应用环境下发黑处理并不能保证螺栓免受腐蚀。发黑处理的缺点在螺栓上得到了体现：几乎无防锈性能，易生锈。

在日常的运行维护中经常进行打力矩以保证螺栓的力矩要求， 这就进一步破坏螺栓表面的发黑层和白色面漆，更进一步加剧螺栓的腐蚀。

3.3 大气腐蚀分析

大气腐蚀是一种电化学腐蚀。暴露在大气中的螺栓金属表面，由于环境水分的蒸发，常有一层冷凝水，在这薄薄一层冷凝水形成的同时，就有一些气体

（如大气中的N2、O2、H2S、HCL、SO2、CO2等）溶进去，形成可导电的溶液（电解质溶液），螺栓金属和介质之间发生氧化还原反应，使螺栓金属遭到破坏，所以大气腐蚀的程度又因地域而异[3]。

螺栓金属与大气中的氧气进行反应， 在表面形成一层氧化膜，但是，在螺栓上形成的疏松的铁锈不能阻止金属与水溶液接触， 所以金属表面还会继续进行氧化使锈蚀不断扩大，最终形成孔洞。当金属铁Fe 周围的介质是酸性电解质，即pH＜7 时，发生的氧化还原反应是析氢腐蚀， 氧化成红色的Fe2O3；当金属铁Fe 周围的介质是碱性电解质, 即pH≥7 时,发生的氧化还原反为吸氧腐蚀，生成Fe3O4。产生的红锈体积可大到原来钢铁体积的4 倍，黑锈体积可大到原来的2 倍[4-5]。

从化学角度分析， 黑色氧化膜和黑锈是同一种物质，同属于Fe3O4，不同的是前一种氧化的比较轻，后一种属于严重腐蚀氧化， 放大观看金属表面都有凹陷的锈蚀坑点。至于是不是继续向金属深层腐蚀氧化，并不取决于金属表面的氧化层，而是取决于金属以外的外在因素。螺栓氧化锈蚀的保养只能是延

缓锈蚀并不能阻止锈蚀[6-7]。

从文献[8]的大气腐蚀速度与水膜厚度的关系可看出，当水膜不超过10nm（Ⅰ区）时，没有连续电解液膜， 属于干大气腐蚀；当水膜约10nm～1μm（Ⅱ区）时，连续的电解液薄膜，属于潮大气腐蚀；当水膜约1μm～1mm（Ⅲ区）时，随膜厚增加，氧通过水膜变得困难， 腐蚀速度有所下降， 属于湿大气腐蚀；当水膜水膜>1mm（Ⅳ区）时，相当于金属全浸在电解质溶液中的腐蚀，腐蚀速度基本不变。

从当地的气象环境可以看出， 当地大气腐蚀属于潮大气腐蚀， 螺栓的腐蚀过程及腐蚀机理分析如下[9-10]：

（1） 大气腐蚀初期的腐蚀机理

遵从电化学腐蚀的一般规律+ 电解液膜较薄+常常干湿交替。

阴极过程：O2+2H2O+4e=4OH- （1）

电位极负的金属：全浸于电解质中的腐蚀→大气腐蚀，阴极氢去极化为主→阴极氧去极化为主。

原因：在薄的液膜条件下，氧的扩散比全浸状态更容易。

阳极过程：M+xH2O=Mn+·H2O+ne （2）

阳极过程就是阳极钝化及金属离子水化过程。在薄的液膜条件下， 大气腐蚀的阳极过程会受到很大的阻碍， 阳极钝化以及金属离子化过程的困难是造成阳极钝化的主要原因。

因此，当金属表面电解液层变薄时，大气腐蚀的阴极过程通常更容易进行，阳极过程变得困难；潮大气腐蚀时，腐蚀过程主要是阳极过程控制，湿大气腐蚀，腐蚀过程受阴极过程控制，但与全浸于电解液中的腐蚀相比， 已经大为减弱；随着水膜层厚度的变化，不仅表面潮湿程度不同，而且彼此的电极过程控制特征也不一样。

（2） 金属表面大气腐蚀形成锈层的腐蚀机理湿润时，阳极反应发生在金属/Fe3O5界面上：

Fe→Fe2++2e （3）

阴极反应发生在Fe3O5/FeOOH 界面上（即锈层内发生了Fe3+→Fe2+ 的还原反应，锈层参与了阴极反应）[11]：

8FeOOH+Fe2++2e→3Fe3O4+4H2O （4）

（3） 大气腐蚀在金属表面形成锈层后的腐蚀机理[12-13]。

①干燥时：锈层和底部基体金属的局部电池成为开路， 在大气中氧的作用下锈层内的Fe2+ 重新氧化成为Fe3+：

3Fe3O4+O2+6H2O→12FeOOH （5）

②在干湿交替的情况下， 带有锈层的钢腐蚀被加速。

在大气中长期暴露，钢的腐蚀速度逐渐减慢：原因一：锈层的增厚会导致电阻增大和氧的渗入困难，使锈层的阴极去极化作用减弱；原因二：附着性良好的锈层内层将减小活性阳极面积，增大阳极极化。

锈层分为外层FeOOH，内层Fe（OH）2和基体铁表面FeSO4·H2O 的三层。当大气中的SO2、H2O 及O2浸入锈层，它与铁表面阳极溶解出的Fe2+ 反应生成FeSO4：

Fe2++SO2→FeSO4 （6）

阴极部位：

2e+1/2O2+H2O→2OH- （7）

Fe2++2OH-→Fe(OH)2 （8）

可溶性的FeSO4存在锈层中， 锈层保护能力下降，腐蚀速度加快[14]。

因此， 螺栓的腐蚀锈层只有两种：Fe2O3和Fe3O4，这两种化学物质都不会起到阻止螺栓锈蚀的作用。所以不对螺栓进行进一步处理，螺栓的锈蚀过程是不间断的、连续的，直至瓦解完毕。

4 结论

（1） 螺栓螺杆的化学成分检测中Ni 含量严重偏低，不满足EN14399-4：2005 标准对42CrNiMo 材料的要求，存在材质错用情况。

（2） 螺栓螺杆拉伸性能满足EN14399-4：2005标准对42CrNiMo 材料的要求， 冲击性能低于标准值；螺栓螺杆心部存在硫化物类非金属夹杂物，级别为2.5 级，中心疏松1.5 级，一般斑点状偏析1.5 级，且存在少量的铁素体，组织状态不佳，表明螺栓冶金质量和调质工艺均存在问题。

（3） 螺栓采用发黑处理和刷涂油漆用于提高螺栓的耐蚀性能， 白色油漆未脱落的部位没有腐蚀现象，白色油漆已经脱落的部位存在腐蚀现象，且表面存在疏松的腐蚀层；同时从检验分析情况看，一是螺栓的定期检验破坏了螺栓的油漆和发黑处理表层，二是油漆与螺栓的结合不紧密， 存在自然脱落的部位。在此应用情况下螺栓的发黑处理和刷涂油漆不能有效起到抵御腐蚀的作用。

（4） 螺栓的腐蚀属于大气腐蚀，同时该地属于潮湿大气， 伴随着电化学腐蚀， 生成的腐蚀产物Fe2O3和Fe3O4在潮湿环境中会继续转化变成可溶解的产物；进一步加快腐蚀，在风电场的情况下螺栓的锈蚀过程是一个持续的过程。

5 建议

（1） 对所有螺栓进行防锈处理，将螺栓表层腐蚀锈层清理干净，刷涂防锈漆，并定时检测螺栓的腐蚀情况，随时补刷防锈漆。

（2） 在定检打力矩后应检查螺栓表面的防锈漆，存在破坏的应及时补刷防锈漆。

（3） 如果螺栓腐蚀严重的，应予以更换，更换的螺栓需要进行。

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