无人机空中检查-应力腐蚀开裂：原因、检测和预防

应力腐蚀开裂（SCC）存在固定模式：将特定金属置于高拉伸应力与腐蚀剂环境中，一段时间后（往往过快），这种组合刺激就会致使金属内部或表面的裂纹扩展。无论应力腐蚀裂纹大小、形状是圆形还是分支状、处于表面还是深层，都会严重损害资产的结构完整性。本文将阐述这一现象的本质以及缓解办法。

应力腐蚀开裂的成因

1. 材料敏感性：因合金元素的差异，部分材料比其他材料更易出现应力腐蚀开裂。含镍量 35% 的合金抗应力腐蚀开裂性能出色，而镍含量超 45% 的合金几乎不受此缺陷影响。并且，不同金属（甚至其不同等级）对不同介质的敏感性或抵抗力各异。例如，奥氏体不锈钢极易遭受氯化物导致的损坏；相反，像 LDX 2101 这类精益双相不锈钢，在 ASTM G39 U 型弯头应力腐蚀测试中对氯化物的抵抗力更强。此外，SAF™ 3207 和 SAF™ 2707 HD Sandvik 等级能成功抵御氯化物引发的 SCC。铜合金在氨中通常会开裂，但在海水中腐蚀程度较轻。钛合金（主要是 2 级和 4 级）对碱性、盐液和有机酸抵抗力强，但在无水甲醇溶液中易断裂。总之，要依据环境来选择材料。

2. 操作环境：应力腐蚀引发的开裂只有在特定化学物质存在时才会出现。化学物质暴露可能来自外部（如管道埋置处土壤中的硫污染物），也可能来自内部（如储存罐中的甲醇）。根据 API 571，以下是常见腐蚀性物质及其易受影响材料的表格：[此处可插入相关表格]。另外，一些额外触发因素会加速 SCC，如高温、pH 值、湿度、氧气水平以及其他污染物的存在。而且，部分合金与其他金属接触时更易损坏。例如，2 级和 4 级钛在接触镉或液态汞时会发生 SCC。

3. 拉伸应力和腐蚀应力：拉伸应力是指拉伸或拉开材料所需的力，通常由直接施加的压力、机械载荷，或者焊接、机械加工和冷加工产生的残余应力导致。因此，拉伸应力在热交换器元件、制冷机组、水冷式冷凝器、加氢处理设备和工业锅炉中较为常见。一般而言，金属抗拉强度良好，在破裂前能承受较大变形（如不锈钢可承受高达 690 MPa 的变形）。然而，当面对特定化学剂和温度时，敏感材料在较低拉伸应力水平下也会破裂，这就是碱性应力腐蚀产生的原因。碱性应力腐蚀源于碱性环境中的施加应力和残余应力，碱性环境通常指化学物质暴露在高温（一般是碱性氢氧化物溶液）下。在温度下，碱性裂纹数小时内就会扩散。通常，碱性应力腐蚀发生在未消除应力的资产中。

   
   

   

应力腐蚀开裂的检测与测试方法

1. 目视检查：目视检查能够发现较大且明显的应力腐蚀裂纹，可通过手动或借助照相机、潜望镜、放大镜等光学设备进行。通常，目视检查是所有其他测试方法的前置步骤，主要用于初步检查或现场准备。影响视觉测试对 SCC 评估的因素包括裂纹大小、照明条件、测试速度、相机分辨率和表面特性。商业检查无人机在检测此类问题时很有帮助。若裂纹出现在高架资产、密闭空间或危险化学品附近，工业检查无人机是最佳检查帮手。其结构紧凑、机动性强，能接触任何组件，拍摄详细图像和视频，便于从各个角度检查损坏情况。

2. 超声波检测：超声波检测（UT）利用高频声波检测细小的外部裂纹、内部缺陷或材料退化。UT 需要高精度设备，包括传感器、探伤仪、厚度计以及用于难以到达区域的无人机。但需注意，UT 没有通用解决方案。传统传感器能检测 SCC 的某些方向，但无法确定每个孤立裂纹的大小或它们之间的距离。多波束模型可检测中壁或较深裂纹的精确深度。导波传感器在精确定位缺陷位置方面表现出色。此外，可能需要借助其他软件扩展 UT 数据，如 SAFT 算法，以检测裂纹长度。因此，要根据具体用例选择 UT 设备。例如，当需要检测难以触及资产的表面开裂和材料损失时，配备 UT 有效载荷的 Voliro T 检查无人机是不错的选择。该无人机可执行 A 扫描，测量 2 - 150 毫米 / 0.08 - 5.9 英寸之间的材料厚度，分辨率达 0.06 毫米 / 0.002 英寸，有助于找到易出现裂纹的区域。特别是在存在拉伸应力的氯化物或腐蚀性环境中，材料变薄先于实际裂纹出现。还有一种 UT 探头是高温探头，可可靠测量加热至 0 - 260°C/32 - 500°F 的资产厚度。

3. 声发射测试：受拉伸应力的资产会发出声发射（AE），即由材料变形或缺陷形成引发的应力波。现代 AE 传感器工作频率范围为 50 kHz 至 1 MHz。将其附着在表面时，能分析高频声波并检测裂纹扩展。通过在不同位置放置多个 AE 传感器，可对发射源进行三角测量，精确定位开裂位置。声发射测试的主要优势在于能在微裂纹产生初期就检测到。AE 传感器与资产监控软件集成后，可发送信号并快速捕捉变化。另一个应用是将模式识别算法应用于声发射记录，以识别精确的开裂特征。例如，某研究小组尝试使用线性回归技术分析从 304H 不锈钢板连续监测中获得的 AE 数据，编写了迭代算法来识别 AE 信号的精确位置和信号特征。

4. 慢应变速率测试（SSRT）：慢应变速率测试是将材料浸入模拟腐蚀环境中，以恒定速率直接施加应变的过程。测试结果可确定物体的抗拉强度、腐蚀裂纹阈值和失效时间。SSRT 是评估应力腐蚀开裂的标准方法，由 ASTM G129 - 21 规范。其主要优点包括设置简单、模块化、成本低于断裂力学测试，且筛选速度相对较快。然而，该方法也有局限性。近期一项研究发现，SSRT 无法准确预测镍铜高温合金中材料对氢致脆性的敏感性，因为氢无法深入晶间结构。

   
   

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应力腐蚀开裂缓解策略

1. 保护涂层：应用保护涂层、油漆和粘合剂能在金属表面与腐蚀剂之间形成屏障。例如，环氧树脂和氯化橡胶涂料与金属结合力强，即使在地下环境也能减少金属与有害化学物质的接触。石墨基涂层可保护核反应堆中的锆合金免受应力腐蚀开裂。同时，MAO 陶瓷涂层显示出保护镁合金的潜力。不过，由于日常磨损，涂层可能变薄或出现孔洞。定期检查能帮助主动发现这些变化，在裂纹侵入金属前重新涂抹涂层。在 Voliro，可使用专用干膜厚度（DFT）探头加快检查速度。DFT 测量仪有两种模式，可检查黑色金属和有色金属上的涂层，能测量高达 1.5 毫米 / 0 - 60 密耳的油漆厚度，无论新旧漆。

2. 热处理：热处理（如固溶退火或硬化）可通过释放残余应力，使某些合金更耐应力腐蚀开裂。例如：

• 冷轧 316L 不锈钢：在 650°C 下热处理 10 小时，可使开裂几率降低 50%。

• 182 合金焊缝：在 600°C、620°C 或 650°C 下热处理 10 小时，可增强抗裂性能。

• 316 L 不锈钢：在 1066°C 和 1150°C 下进行固溶退火会降低抗 SCC 性能，而硬化处理可降低 SCC 敏感性。

• AISI 304 奥氏体不锈钢：低温表面渗碳降低了氯诱导 SCC 的可能性。

3. 持续状态监测：持续的状况监测有助于早期发现 SCC。该策略涉及持续实时数据收集，并与基线测量值对比。借助机器学习（ML）算法，可增强对状况数据的分析，以预测 SCC 的发生。为实施状态监测预防 SCC，需投入：

• 物联网传感器，用于收集资产的声波、振动、转子速度、工作温度、湿度和腐蚀性化学物质存在等信息。

• 光学设备，如安装高清和变焦摄像头的无人机，用于对易受 SCC 影响的部件进行定期目视检查。

• 无损检测设备，如超声波传感器或 EMAT，用于发现任何微小的表面裂纹、结构变薄和涂层损失。

结论

行业无人机机载大脑 —— 面向高校、科研院所的低空经济解决方案

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