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《船舶生产与设计杂志》，第31卷，第4期，2015年11月，第241-263页http://dx.doi.org/10.5957/jspd.31.4.130025-4
结构寿命评估和可靠性概述，第四部分：
舰船结构腐蚀与氢脆
易卜拉欣
密歇根州底特律市韦恩州立大学机械工程系
结构寿命评估定期评估结构系统的状态和状况，并为可能的维护行动或结构使用寿命的结束提供建议。它是一个多元化的领域，依赖于断裂力学、疲劳损伤过程、失效概率和可靠性等理论。就舰船结构而言，其寿命评估不仅受断裂力学和疲劳损伤过程理论的制约，还受腐蚀、接地和突然碰撞等因素的制约。本系列综述文章的目的是提供有关船舶和海洋结构物结构寿命评估的不同问题。第一部分论述了断裂力学理论的基本内容，分为线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学。断裂能的大小通常由裂纹周围的应力场决定，应力场由应力强度因子测量。应力强度因子的值取决于加载方式，由许多研究人员开发的不同方法进行评估。介绍了断裂力学理论在金属和复合材料结构中的应用，重点介绍了在海洋结构中的应用。当相对较大的结构件的惯性足够大时，断裂能量的正确平衡需要包含动能，那么断裂的动力特性就成为分析的主导。对于已经扩展的裂纹，当裂纹尖端速度比应力波速度小时，惯性效应很重要。这一事实已在断裂力学理论中以动态断裂和围动力的名义得以实现。本质上，围动力将经典连续介质理论的偏微分方程替换为积分微分方程作为工具，以避免由于裂纹表面和其他奇点上不存在偏导数而产生奇点。简要介绍了复合材料结构的断裂动力学、周向动力学以及损伤机理。讨论了断裂力学准则的局限性。船舶结构的寿命评估取决于第二部分所述的失效模式和失效概率描述。船舶结构的寿命评估取决于失效模式和失效概率描述。考虑到结构参数的不确定性，概率分析要求通过考虑裂纹扩展过程和第一通道问题，使用可靠性方法来评估疲劳寿命，该方法测量了安全运行状态下的出口时间概率。第三部分讨论了船舶撞击载荷、液化天然气在油轮中的液体晃动冲击载荷、船舶搁浅事故以及与固体碰撞等引起的船舶结构损伤评估文献中所报道的主要结果，在这种极端载荷下，结构的可靠性将是：e海洋结构设计阶段的主要问题。船舶结构上极端荷载的处理方法与动力学家提出的方法有很大的不同。环境对船舶结构的影响是主要的
2158-2874/15/3104-0241$00.00/0船舶生产与设计杂志
海洋系统生命评估中的因素。尤其是，这些影响包括腐蚀和氢脆。第四部分是船舶腐蚀和氢脆寿命评估。由于铝及其合金结构件对船舶和航空航天工业至关重要，本文介绍了环境对铝结构的影响以及铝和非铝金属的腐蚀控制和监测手段。混合动力船由不锈钢高级双船体中心部分组成，复合材料船首和/或船尾连接在该部分上。这种结构要求复合材料和钢部件之间有牢固的接头。复合材料与金属连接的一些困难与粘附体之间的刚度、热膨胀系数等力学性能差异大以及复合材料的大各向异性有关。这种差异通常会导致应力集中和接头薄弱。疲劳裂纹扩展、细节、接头和紧固件产生的应力集中在第五部分。焊接接头的疲劳改善被认为是本部分的主要任务之一。船体结构的脆性断裂造成了严重的结构损伤，这促使船体结构界发展了一些防止脆性断裂的措施。使用止裂器的基本原理是将裂纹驱动力降低到必须克服的抵抗力以下，以延长裂纹。止裂器可以像金属的加厚区域一样简单，也可以由层压或编织材料制成，能够承受无故障变形。第六部分以阻裂器的形式提供了不同的被动裂纹控制方法，以在裂纹扩展到结构构件上之前阻止裂纹扩展。介绍了金属和复合材料在船舶结构和管道中使用的止裂剂。这篇由六部分组成的评论文章并非详尽无遗，它是基于1800多篇参考文献。它不涉及结构健康监测，这是结构诊断过程中的一项主要任务。
关键词：复合材料结构；腐蚀；止裂剂；裂纹扩展速率；裂纹尖端单元；动态断裂；弹塑性断裂力学（EPFM）；环境效应；疲劳寿命预测；第一道问题；断裂韧性；格里菲斯-欧文断裂准则；接地事件；J积分；极限状态函数；接头和紧固件非线性弹性断裂力学；巴黎-埃尔多安幂律；失效概率；可靠性指标；船舶与固体碰撞；船舶失效模式；船舶接地；砰击载荷；晃动冲击载荷；应变能释放；应力强度因子；
S-N曲线；极限状态评估；焊接接头
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1。介绍 腐蚀和氢脆对船体结构整体性有着严重的影响，表现为船体极限强度的降低。腐蚀被认为是导致船舶结构老化的最重要因素。它涉及金属或合金与其周围环境的相互作用，并受材料和周围环境的性质的影响。钢和铝制造的船舶的设计和寿命延长需要考虑由于腐蚀造成的板厚损失，特别是当油漆涂层和牺牲保护等保护措施不完全有效时。对预期劣化率的估计是优化维护和维修决策的重要输入。特定环境中空间内的结构细节、方向和位置可能导致不同的腐蚀模式和速率（Gardineramp;Melchers2003）。腐蚀模型具有固有的高变异性，腐蚀预测能力差。 |
腐蚀模型完全根据厚度测量测量的经验数据（Paik等人2003年a）。对于铝合金结构，由于铝合金在不同的腐蚀路径下可能发生腐蚀，因此环境影响最大的是腐蚀。 与腐蚀有关的另一个问题是氢脆，这通常是由于在成形或精加工过程中无意将氢引入易受影响的金属，并增加材料的开裂。这一机制从金属中扩散的孤立氢原子开始。在高温下，氢的高溶解性使氢扩散到金属中（或氢在低温下通过浓度梯度扩散）。当这些氢原子在金属基质的微小空隙中重新组合形成氢分子时，它们从它们所在的空腔内部产生压力。这种压力可以增加到金属延展性和拉伸强度降低到开裂（氢致开裂）的程度。 本部分组织如下。第2节论述腐蚀由钢和铝制成的船舶结构。腐蚀机理、腐蚀导致的失效概率以及船舶结构腐蚀控制包含在第2节中。 |
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2014年8月18日JSPD委员会收到的手稿；2014年10月21日接受。 |
第2节论述了铝结构的腐蚀，包括铝的环境影响和铝中不同类型的腐蚀。第3节讨论了焊接和腐蚀疲劳裂纹引起的氢脆、疲劳裂纹增强、裂纹扩展模型和氢裂纹问题。本部分以一些结束语和结论结束。
2.船舶结构腐蚀
在不同航线航行的船舶可能会遇到各种各样的环境条件。如Soares等人所述。（2005年），任何船舶的整个使用寿命可被视为大量的短时间间隔，在此期间环境条件保持不变。环境条件正在对船舶结构造成不同类型的腐蚀。腐蚀是造成船舶老化最严重的问题之一。此外，腐蚀和疲劳裂纹是船舶结构中最常见的结构问题。本节讨论了两种不同类型金属（即钢和铝船结构）腐蚀的不同方面。电偶腐蚀、点蚀和应力腐蚀是钢和铝中常见的类型。
2.1.钢结构腐蚀
2.1.1腐蚀机理。船体腐蚀最常见的原因和机制包括电偶腐蚀、直接化学腐蚀和厌氧腐蚀。当两种具有不同电化学电位的金属在电解质（如盐水）中与金属接触时，就会发生电偶腐蚀。金属在电偶系中的距离越远，阳极的腐蚀速率越大（SSC-3481991；SR-13771996）。金属无需与法兰盘不同。如参考文献SNAMEO-23（1976）所述，大多数船体腐蚀本质上是电偶腐蚀。当某些化学物质含有氯和硫等元素，在没有电解质的情况下侵蚀钢时，就会发生直接化学侵蚀。这通常是导致油罐点蚀的原因，尤其是在运输高硫原油时。厌氧腐蚀是由许多港口存在的硫酸盐还原菌引起的。
压载舱的腐蚀与液货舱的腐蚀有很大的不同，二者都不同于双层底、双层船体和机舱的空隙空间中的腐蚀行为。压载舱内的点蚀可以通过这种机制开始，然后通过差分曝气加速，这是一种由钢表面氧含量差异引起的局部电蚀。海水中钢的一般腐蚀速率约为0.1mm/年（SSC-3481991）。影响腐蚀速率的主要因素是扩散、温度、电导率、离子类型、酸碱度和电化学电位（Anderson2002）。
点蚀是一种直径与深度几乎相同的空洞形式。点蚀是一种局部腐蚀形式，通常沿重力方向生长。它也是自生成的，即自催化的，从金属中的杂质、氧化皮或其他沉积物或金属中的某些不均匀性开始。船舶内的船底板通常以点蚀和刻槽的形式遭受最大的腐蚀损耗。对于涂层电镀，损耗会以局部点蚀和切槽的形式出现，从而导致涂层失效。对于无机锌涂层，损耗往往是只有最小厚度损失的鳞片区域。
微生物引起的腐蚀是由黑色粘液和硫化氢气味引起的。这表明存在硫酸盐还原菌（SRB）。这些细菌的活性阈值高于35摄氏度。在单体油轮中，海水通常将钢冷却到低于此温度，因此这不是问题。
2.1.2腐蚀建模和环境影响。几种类型的腐蚀同时表现出它们的影响。海洋结构中最相关的两种钢腐蚀类型是一般腐蚀和点蚀。阿哈迈德和梅尔切斯（1995）提出了一个有趣的应用点蚀。一般腐蚀的特点是材料表面的整体氧化，其对板材的共同影响可以通过与材料厚度的普遍减少相关的随机表面轮廓来体现。这种一般腐蚀模式的例外情况发生在焊缝附近，在焊缝附近的钢板区域通常以较高的速率受到腐蚀。
船舶老化和许多导致结构失效的海上事故促使研究人员研究腐蚀问题（莫里斯，1992年）。Melchers（2001）建立了船舶腐蚀模型来精确预测腐蚀损失及其程度。腐蚀损失模型是以恒定的“腐蚀速率”来描述的，这意味着随着时间的推移，板厚减小的速率是恒定的。做出了一些努力，包括对名义或计算变量的估计。这些模型被用于结构可靠性分析，尽管它们表现出高度的可变性，因此倾向于对失效的寿命风险作出较差的估计。制定了老化船舶寿命延长评估程序。
Ohyagi研究了一般腐蚀对海洋结构的影响，他提供了每次检验测得的厚度平均值和最大值，以及相关的显著统计参数，如标准偏差。量化腐蚀影响的常用方法是基于对给定暴露时间内材料损失的评估。然后根据该重量损失计算厚度的等效均匀减少量。对于平板，Mateus和Wirz通过以下表达式表达了这种减少：
式中，dn为N年暴露后腐蚀板的等效均匀厚度，d为未腐蚀板的厚度，dw为N年暴露后腐蚀效应导致的厚度（或平均腐蚀深度）均匀减小，wis为未腐蚀钢板的原始重量，wn为受腐蚀的钢板经N年暴露后，a为板长，b为板宽，r为钢板密度。结构构件腐蚀的影响对于结构在一定时间后的完整性评估，最终预测结构的使用极限至关重要。正如Melchers（1994）所指出的，有必要决定在结构的预期寿命内，由于腐蚀而造成的材料损失有多少裕度。00
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表1一般腐蚀导致的结构部件厚度减小（Mateusamp;Wirz1998）（所有厚度值均以毫米为单位）
Melchers（1994）Violette（1994）Ohyagi（1987）DNV（1991b）LRS（1995）
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Ohyagi（1987）的腐蚀模型具有最大腐蚀磨损率的平均线性模型，遵循磨损率超过概率的正态分布，其特征是dw=0.34ny，其中ny是暴露的年数，dw以毫米为单位。与正态分布相关的标准差接近0.23mm。Mateus和Wirz（1998）总结了其他一般腐蚀模型，并将其列在表1中进行比较。Melchers（1994）模型基于钢试样的数据，而Ohyagi（1987）和TSCF（1993、1995、1997）模型基于对船舶结构部件的测量。DNV（1991b）和LRS（1995）津贴反映了多年来对船舶结构部件进行的调查和测量得出的结论。在10年的暴露时间内，Melchers模型预测厚度均匀减小1.13mm，而Ohyagi模型预测厚度均匀减小3.4mm。这是一个显著的差异，需要进一步调查。
对于焊接板，靠近焊缝的区域往往会出现沟槽腐蚀现象，这很可能与电偶腐蚀、应力腐蚀和一般腐蚀相结合。电偶腐蚀效应与钢板与焊接金属材料电偶性能的必然差异有关。这些腐蚀类型的综合效应导致船舶结构中的腐蚀速率明显高于钢试样上测量的腐蚀速率。靠近板边界的有效厚度减小意
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