﻿ 含腐蚀缺陷的耐压壳极限强度研究现状及展望
 舰船科学技术  2018, Vol. 40 Issue (7): 1-5 PDF

Current status and future directions for ultimate strength of the pressure hull under corrosion
MA Xiao-long, WU Fan, HUA Lin, ZHANG Er
Department of Naval Architecture Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China
Abstract: The ultimate strength of the pressure hull under corrosion under three common kinds of corrosion (uniform corrosion, local corrosion, pitting corrosion) in recent years is reviewed. put forward the commom problem of current status for Ultimate strength of the pressure hull under corrosion at present. Upon these, the study development future may be as follows: first, establishing and improving the standard database of describing the character of the pressure hull under pitting corrosion; second, considering the effect of the interaction between corrosion and fatigue; third, gradually perfect the detection means of the pressure hull under corrosion.
Key words: corrosion     the pressure hull     ultimate strength
0 引　言

1 耐压壳海洋腐蚀及检测技术概述 1.1 高强度钢腐蚀概况

1.2 腐蚀检测技术

1.3 存在的问题

2 腐蚀缺陷对耐压壳极限强度的影响 2.1 均匀腐蚀研究现状

Guedes Soares与Garbatov[15]考虑了涂层耗尽至腐蚀开始的过渡阶段，认为由于板材腐蚀的产生，在板表面产生阻碍腐蚀进程的氧化物，导致腐蚀到某一深度时会暂时中断，清除氧化层才能重新启动腐蚀进程，对此，提出腐蚀率计算公式：

 $d(t) = {d_\infty }\left[ {1 - \exp \left( {\frac{{t - {T_0}}}{{{T_t}}}} \right)} \right]{\text{，}}$ (1)

Paik模型[16]延续了Guedes Soares模型[27]中假定在腐蚀防护失效后腐蚀立即开始的前提，将构件腐蚀过程明确为无腐蚀和腐蚀2个阶段。并将腐蚀开始后腐蚀层厚度记为时间的函数，即

 $d(t) = A{(t - {T_{ct}})^B}{\text{，}}$ (2)

RE.Melchers[17]进一步提出了“拓展 South well的模型”和指数模型，即

 ${r_r}(t) = {C_1}{C_2}{T_e}^{{C_2} - 1}{\text{，}}$ (3)

 $C = A{t^n}{\text{，}}$ (4)

Kozliakov[19]通过对于大量船舶腐蚀损伤的研究，提出经验公式：

 $\Delta S(t) = \Delta {S_0}\frac{t}{T} + \Delta {S_n}{(\frac{t}{T})^n}{\text{，}}$ (5)

 $h(t) = {h_0} - \Delta S(t){\text{。}}$ (6)

2.2 局部腐蚀研究现状

2.2.1 点腐蚀模型概况

Paik线性模型[22]

 $d(t) = {c_1}(t - {T_c}),t \geqslant {T_c}{\text{。}}$ (7)

 $d(t) = {c_1} \times {(t - {t_i})^{{C_2}}},t \geqslant {t_i}{\text{。}}$ (8)

 $d(t) = {d_m}\left\{ {1 - \exp \left\{ { - {{\left[ {\alpha (t - {t_i})} \right]}^m}} \right\}} \right\}{\text{，}}$ (9)

Melchers多阶段点蚀现象学模型[25]将点蚀的发展过程细分为5个阶段，前2个阶段用来描述微观点蚀，后3个阶段描述宏观点蚀。但是该模型忽略了腐蚀保护系统发挥的作用，与实际腐蚀情形存在一定的差异。

2.2.2 点腐蚀影响下极限强度折算公式

2013年，张岩等[2627]通过系统研究认为含点蚀损伤板壳的腐蚀体积对结构极限剪切屈曲强度的影响较大，通过回归分析计算，得出点蚀损伤下极限强度数学公式：

 $\begin{split}& \displaystyle\frac{{{\tau _\mu }}}{{{\tau _{\mu 0}}}} = - 23.42{\left( {\displaystyle\frac{{\Delta V}}{{{V_0}}}} \right)^3} + 7.91{\left( {v\frac{{\Delta V}}{{{V_0}}}} \right)^2}-\\& 2.747\displaystyle\frac{{\Delta V}}{{{V_0}}} + 0.994{\text{。}}\end{split}$ (10)

 $\begin{split}& \displaystyle\frac{{{\sigma _\mu }}}{{{\sigma _{\mu 0}}}} = 86.26{\left( {\displaystyle\frac{{\Delta V}}{{{V_0}}}} \right)^3} - 12.06{\left( {\displaystyle\frac{{\Delta V}}{{{V_0}}}} \right)^2}-\\& 2.23\displaystyle\frac{{\Delta V}}{{{V_0}}} + 1{\text{，}}\end{split}$ (11)
 $\begin{array}{l}\displaystyle\frac{{{\sigma _\mu }}}{{{\sigma _{\mu 0}}}} = - 85.73{\left( {\displaystyle\frac{{\Delta V}}{{{V_0}}}} \right)^3} + 20.30{\left( {\displaystyle\frac{{\Delta V}}{{{V_0}}}} \right)^2}- \\ 3.67\displaystyle\frac{{\Delta V}}{{{V_0}}} + 1{\text{。}}\end{array}$ (12)

2016年，杜晶晶等[29]通过大量仿真计算，得出腐蚀面积比和腐蚀深度比对极限强度折减影响不大，而板的柔度和腐蚀体积比对板的极限强度大致呈现二次和三次曲线的关系，并利用Matlab中的polyfity函数进行拟合，得出：

 $\begin{split}& \displaystyle\frac{{{\sigma _{x\mu }}}}{{{\sigma _{x\mu 0}}}} = 4.341{\left( {\displaystyle\frac{{{V_{loss}}}}{{{V_0}}}} \right)^3} - 2.841{\left( {\displaystyle\frac{{{V_{loss}}}}{{{V_0}}}} \right)^2}-\\& 1.558\displaystyle\frac{{{V_{loss}}}}{{{V_0}}}{\text{。}}\end{split}$ (13)

2017年，滑林等[30]结合实船勘验结果，认为板材强度影响的实质是板材刚度的影响，将点蚀损伤板壳看作是沿长度方向的变厚度板，通过几何模型中各网格的等效厚度，推导得出，确定板壳损伤后的刚度为

 $D' = E\left[ {\sum\limits_{i = 1}^{\rm{f}} {\left( {c{t_i}{Z_i}^2 + \frac{{c{t_i}^3}}{{12}}} \right) - \frac{{{{\left( {\sum\limits_{i = 1}^f {c{t_i}{Z_i}^2} } \right)}^2}}}{{\sum\limits_{i = 1}^f {c{t_i}{Z_i}} }}} } \right]{\text{，}}$ (14)

 $\lambda = 1 - \frac{{D'}}{D}{\text{。}}$ (15)

2.2.3 点腐蚀对耐压壳极限强度影响研究

2.3 存在的问题

3 研究展望

1）考虑到当前描述点腐蚀的模型说服力不强，缺乏较为详尽的完整点蚀实验数据支撑，今后的研究发展方向应从建立健全描述潜艇耐压壳点坑腐蚀特性的规范数据库入手，逐步发展出与耐压壳实际相吻合的点蚀模型。其中，规范数据库应注意以下几点要求：①在实艇勘验的基础上，数据覆盖面广，包括材料基本数据、腐蚀数据、环境参数等；②入库数据必须来源清楚，做到数据提供者自身，多专家评审、讨论，方可入库；③数据库的数据结构、名词术语、材料名称代号、计量单位实现标准化，统一化，便于计算机的识别处理和国内外广泛交流。

2）潜艇在复杂海水环境下长期服役受到腐蚀损伤的同时，频繁性的上浮下潜造成的结构疲劳损伤也是不可忽略的要素，单纯研究含腐蚀缺陷的耐压壳极限强度局限性较强，应当综合考虑腐蚀和疲劳的耦合作用。

3）对于海洋钢结构，监测与检测是掌握腐蚀状态的关键手段。如何检测出腐蚀状况则是解决潜艇结构腐蚀的首要问题。只有掌握腐蚀规律，准确、快速、非破坏性的检测出潜艇的腐蚀状况，研究基于计算机技术的深海腐蚀检测新手段，逐步完善与计算机技术相结合的数学方法运用于腐蚀监测，才能够大大提高腐蚀监测系统的数据处理效率，从而便于人们采取相应的防护措施，保证装备和人员的安全。

 [1] 宫杰, 万彪, 吴梵等. 21世纪潜艇发展[J]. 船海工程, 2004(1): 45–47. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=jckxjs200104001 [2] 崔维成, 刘水庚, 顾继红等. 国外潜艇设计和性能研究的一些新动态[J]. 船舶力学, 2000(4): 65–66. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CBLX200504016.htm [3] 冀南. 腐蚀对潜器耐压船体剩余强度影响的分析[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2009. [4] LIANG Cho-chung, SHIAH Sheau-wen, JEN Chan-yung, et al. Optimum design ofmultiple intersectingspheres deep-submerged pressure hull[J]. Ocean Engineering, 2004, 31, 177–199. [5] 陆蓓, 刘涛, 崔维成. 深海载人潜水器耐压球壳极限强度研究[J]. 船舶力学, 2004, 8(1): 51–58. http://mall.cnki.net/magazine/Article/CBLX200401006.htm [6] 吴进怡, 柴柯, 肖伟龙等. 25钢在海水中的微生物单因素腐蚀[J]. 金属学报, 2010, 46(6): 755–760. http://www.irgrid.ac.cn/handle/1471x/402521 [7] FERNANDEZ J, ILLESCA S S, GUILEMANY J M. Effect of Microalloying Elements on the Austenitic Grain Growth in a Low Carbon HSLA Steel[J]. Materials Letters, 2007, 61(11/12): 2389–2392. [8] 徐科. 英国潜艇用钢及其焊接材料[J]. 材料开发与应用, 2008, 23(4): 55–58. http://www.cqvip.com/qk/92793x/200801/27273525.html [9] 王燕舞, 崔维成. 考虑腐蚀影响船舶结构可靠性研究现状与展望[J]. 船舶力学, 2007, 11(2): 307–320. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=cblx200702019 [10] 唐莺, 潘孟春, 罗飞路. 脉冲漏磁检测技术中传感器性能影响因素研究[J]. 仪器仪表学报, 2010, 31(12): 2875–2880. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=yqyb201012037 [11] CROUCH A, ANGLISANO R, JAARAH M. Quantitative field evaluation of magnetic-flux-leakage and ultrasonic in-line inspection[J]. Pipes&Pipelines International, 1996, 41(4): 23–32. [12] 甘芳吉, 万正军, 罗航等. 基于场指纹法的金属管道小腐蚀坑的监测方法[J]. 仪器仪表学报, 2013, 34(9):2087-2094. http://industry.wanfangdata.com.cn/hk/Detail/Periodical?id=Periodical_yqyb201309024 [13] 杨青松, 雷渡民. 舰船重点部位腐蚀监测系统研究[J]. 中国工程科学, 2015, 17(5): 63–70. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCKX201505011.htm [14] 潘文华. 浅谈无损检测[J]. 黑龙江科技信息, 2011, 2: 24, 170. http://epub.cqvip.com/articledetail.aspx?id=1000000406615 [15] SOUTHWELL C R, BULTMAN J D, HUMMER Jr C W. Estimating of service life of steel in seawater[M]. In: Schumacher M, editor. Seawater Corrosion Handbook. New Jersey: Noyes Data Corporation, 1979: 374–387. [16] S. QIN, W. CUI. Effect of corrosion models on the time-dependent reliability of steel plated elements[J]. Mar. Struct, 2003, 16: 15–34. [17] PAIK J K, KIM S K, LEE S K. Probabilistic corrosion rate estimation model for longitudinal strength members of bulk carriers[J]. Ocean Engineering, 1998, 25(10): 837–860. [18] GUEDES SOARES C, GARBATOV Y. Reliability assessment of maintained ship hulls with correlated corroded elements[J]. Marine Structures, 1997, 10: 629–653. [19] KOZLIAKOV V V. Analysis of structural peeuliarities and causes of severe hull damages of bulkcarriers, tankers and OBO-ships[J]. Teehnique Report, Odessa Marine Engineering Institute, 1997. [20] 魏东, 张圣坤, 周继胜. 考虑腐蚀与疲劳损伤的船体总纵极限强度与可靠性分析[J]. 中国造船, 1999, 4: 43–50. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DLHS200303016.htm [21] 林振东. 腐蚀影响下海洋平台结构的极限承载力研究[D]. 镇江: 江苏科技大学, 2014. [22] PAIK J K, KIM S K, LEE S K. Probabilistic corrosion rate estimation model for longitudinal strength members of bulk carriers[J]. Ocean Engineering, 1998, 25(10): 837–860. [23] 王燕舞, 黄小平, 崔维成等. 船舶结构钢海洋环境点蚀模型研究之一: 最大点蚀深度时变模型[J]. 船舶力学, 2007, 11(4): 577–586. http://www.cqvip.com/qk/91784a/200704/25245682.html [24] QIN S P, CUI W C. Effect of corrosion models on the time-dependent reliability of steel plated elements[J]. Marine Structure, 2003, 16: 15–34. [25] MELCHERS R E. Pitting corrosion of mild steel in marine immersion environment-Part 1: Maximum pit depth[J]. Corrosion, 2004, 60(9): 824–836. [26] 张岩. 含腐蚀损伤船体结构屈曲评估方法研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2011. [27] 张岩, 黄一, 刘刚. 点蚀损伤船体结构板的极限剪切屈曲强度研究[J]. 船舶力学, 2013Z1: 102–111. http://mall.cnki.net/magazine/Article/CBLX2013Z1014.htm [28] 孟凡磊. 含点蚀损伤加筋板结构极限强度研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2014. [29] 杜晶晶, 杨平, 崔冲, 夏添. 点蚀板在纵向压力作用下的极限强度研究[J]. 船舶工程, 2016. 9(38): 89–94. http://mall.cnki.net/magazine/Article/CBLX2013Z1014.htm [30] 滑林, 吴梵. 联合载荷作用下点蚀船体板的极限强度计算方法研究[C]//第10届武汉地区船舶与海洋工程研究所学术论坛, 2017. [31] 王燕舞, 吴晓源, 张雨华, 等. 船舶结构钢海洋环境点蚀模型研究之二: 实船蚀坑形态与径深比时变模型[J]. 船舶力学, 2007, 11(5): 735–743. http://www.cqvip.com/QK/91784A/200705/25714906.html [32] PAIK J K, LEE J M, KO M J. Ultimate shear strength of plate elements with pit corrosion wastage[J]. Thin-Walled Structures, 2004, 42: 1161–1176. [33] 徐强, 万正权. 含坑点腐蚀的壳体有限元方法[J]. 钢结构论文集, 2010, 14(1–2): 84–93. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=cblx201001011 [34] 韦丽金. 点蚀疲劳寿命估算的投影面积法[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2008. [35] HUANG Y, ZHANG Y, LIU G, et al. Ultimate strength assessment of hull structural plate with pitting corrosion damnification under biaxial compression[J]. Ocean Engineering, 2010, 37(17–18) : 1503–1512. [36] JIANG X, GUEDES S C. Ultimate capacity of rectangular plates with partial depth pits under uniaxial loads[J]. Marine Structures, 2012, 26(1) : 27–41. [37] 王仁华, 俞铭华, 李良碧, 王自力等. 初始缺陷对深海载人潜水器耐压球壳塑性稳定性影响. 中国造船, 2005, 46(4): 92–96. http://www.cqvip.com/QK/87801X/200606/21370400.html [38] 张岩. 含腐蚀损伤船体结构屈曲评估方法研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2011. [39] 孙洁. 随机分布点蚀损伤下平台圆管构件的极限承载力研究[D]. 镇江: 江苏科技大学, 2016. [40] YAN Zhang, YI Huang, QI Zhang, GANG Liu. Ultimate strength of hull structural plate with pitting corrosion damnification under combined loading [J]. Ocean Engineering, 2016, 116: 273–285. [41] 徐强, 万正权. 含坑点腐蚀的深海耐压球壳有限元分析[J]. 船舶力学, 2011, 15(5): 488–505. http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-CBLD201009001025.htm [42] 向杨君, 卞如冈. 耐压壳体局部腐蚀稳定性计算方法[C]//中国钢结构协会海洋钢结构分会学术论文集, 2015. [43] 朱锡, 吴梵. 舰艇强度[M]. 北京: 国防工业出版社. [44] 陈严飞. 海底腐蚀管道破坏机理和极限承载力研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2009.