魚雷殼體濕擱置防腐蝕問題探討

高 涌，周永進，張瑞斌，陳彥勇

(1.中國艦船研究院，北京 100192;2.中國船舶重工集團公司第七○五研究所昆明分部，云南 昆明 650118)

魚雷殼體濕擱置防腐蝕問題探討

高 涌1，周永進2，張瑞斌2，陳彥勇2

(1.中國艦船研究院，北京 100192;2.中國船舶重工集團公司第七○五研究所昆明分部，云南 昆明 650118)

魚雷在發(fā)射管內(nèi)長時間海水浸泡的情況下，魚雷與海水直接接觸部位會由于海水腐蝕而發(fā)生性能變化，因此需要對接觸海水部位如殼體進行防海水腐蝕處理，以達到耐海水腐蝕使用要求。本文主要針對大面積接觸海水的殼體、鰭舵和連接螺釘?shù)雀g機理進行分析，提出可能采取的預(yù)防措施。

魚雷;殼體;濕擱置;海水防腐蝕

0 引言

隨著潛艇遠程續(xù)航能力的提高，魚雷需要隨艇長時間攜帶，魚雷在發(fā)射管內(nèi)被海水浸泡的時間大幅度增加，對與海水接觸的魚雷殼體、組部件等的耐腐蝕性能提出了更高的要求。由于海水是含鹽量很高的強電解質(zhì)溶液，對金屬有極強的腐蝕性，因此，接觸海水的魚雷部位的防腐蝕成為魚雷濕擱置研究的重要課題。

1 海水腐蝕機理

1.1 殼體及鰭舵材料

由于魚雷的殼體承壓要求，所采用的殼體材料通常為高強度鑄造鋁合金，鰭材料通常為高強度變形鋁合金，而舵由于應(yīng)力水平較高，通常采用高強度不銹鋼，鰭舵上面一般有導(dǎo)脊，導(dǎo)脊和連接螺釘通常可采用不銹鋼材料。

1.2 海水對不銹鋼及鋁合金腐蝕機理

1)海水對不銹鋼腐蝕機理

海水腐蝕主要是指海水中含量較高的氯離子對不銹鋼、鋁合金等的腐蝕［1］。所謂不銹鋼的“不銹”只是相對的，與不銹鋼在氧化性介質(zhì)中表面形成鈍化膜的現(xiàn)象有關(guān)。當(dāng)溶液中含有鹵族元素的離子，如氯離子有穿透鈍化膜的能力，就會破壞膜的完整性，產(chǎn)生點蝕、應(yīng)力腐蝕和晶界腐蝕等。

2)海水對鋁合金腐蝕機理

海水對鋁合金殼體腐蝕有以下幾種情況:

①鋁合金通常進行如陽極氧化和涂漆等表面處理。在初次表面處理時由于其表面處理的不干凈，可能存在殘堿、殘鹽或表面缺陷等時，陽極氧化層質(zhì)量受到一定影響，且減弱表面涂漆作用［2］。殘堿對金屬基體有較大的親和勢，即使在涂漆后，它還能自發(fā)地沿著涂層與金屬界面擴展而破壞涂層與金屬表面的粘附;殘鹽與通過涂層滲透進來的水分子發(fā)生水解和受氧分子的作用生成不溶性產(chǎn)物，體積不斷增大，使涂膜破壞;且在魚雷使用過程中，會劃傷涂層和氧化層。這種情況下，耐腐蝕性能大大下降。

②機械作用腐蝕包括沖擊腐蝕，這是由于液體湍流或沖擊所造成，高速流動的液體，因不規(guī)則流動，產(chǎn)生空泡，形成空泡腐蝕，常常破壞金屬表面的保護膜，加速腐蝕作用，如殼體及螺旋槳表面;微振磨損腐蝕，2個緊接著的表面相互振動而引起的磨損;應(yīng)力腐蝕開裂，是在拉伸應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)作用下的金屬腐蝕破壞，金屬內(nèi)會產(chǎn)生沿晶或穿晶的裂紋。

③在魚雷結(jié)構(gòu)中，通常使用多種材料，各種材料之間在海水環(huán)境下會形成電偶腐蝕，加快陰極腐蝕。根據(jù)電化學(xué)反應(yīng)腐蝕原理，電偶腐蝕主要在大陰極和小陽極情況下，在比例超過10:1情況下形成必要條件，而鋁合金殼體與之相接觸如不銹鋼連接螺釘和銅合金零件等之間形成屬于大陽極和小陰極，比例超過10:1，此種情況下，殼體的腐蝕主要表現(xiàn)為自體腐蝕，電偶腐蝕的影響作用較小。

④生物腐蝕是由海洋生物的附著引起的，由于微生物的新陳代謝作用，分泌出具有侵蝕性的產(chǎn)物如CO2，NH4OH，H2S等以及其他有機酸和無機酸引起殼體的腐蝕作用。

2 防腐蝕措施

因經(jīng)濟性、物理力學(xué)性能和加工性等綜合因素限制，魚雷所有結(jié)構(gòu)不可能都采用高級別的不銹鋼，為減重大量采用鋁合金，因此需要采取一些相應(yīng)防腐蝕措施才能達到濕擱置要求。對于殼體防腐蝕重點主要解決自體腐蝕問題。根據(jù)腐蝕原理可分為以下3類措施。

1)把金屬材料和腐蝕介質(zhì)分隔開

把金屬材料和腐蝕介質(zhì)分隔開措施通過表面處理達到目的。通常有以下幾種方法:

①陽極氧化處理

鋁是比較活潑的金屬，又是易氧化的金屬，在空氣中能自然形成一層Al2O3·H2O或Al2O3氧化膜。該氧化膜厚可達0.01～0.10 μm。這層天然氧化膜為非晶態(tài)，薄而多孔，機械強度也低，可以保護鋁基質(zhì)在中性和弱酸性溶液中被腐蝕，起到一定的防護作用，但是自然形成的氧化膜遠遠滿足不了海水強腐蝕性要求。通過表面陽極氧化處理可以使其氧化膜層達到30 μm以上，使鋁基體材料和腐蝕介質(zhì)很好分隔開，在陽極氧化過程中的氧化膜必須進行封孔處理，以提高其耐蝕性、抗污染能力和固定色素體。封孔處理將電解過程中所產(chǎn)生的蜂窩狀孔隙封閉，將剛成型的氧化膜表面由化學(xué)活性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)惰性狀態(tài)，從而提高陽極氧化膜的耐蝕、抗污染、電絕緣和耐磨等性能。經(jīng)陽極氧化后殼體的硬度、耐磨性、耐海水腐蝕性能得到很大提高。

因此，陽極氧化處理是鋁合金常用、非常有效且成本較低的防腐蝕措施。

②微弧氧化處理

俄羅斯在魚雷殼體上制備了50 μm厚度的微弧氧化層，使魚雷的耐腐蝕性能大幅度提高，其魚雷在較長濕擱置周期內(nèi)均能保持良好性能，以滿足其潛艇遠海長時間巡游和戰(zhàn)備值班要求。

微弧氧化表面(如圖1)硬度高，抗沖擊，膜層均勻性好，膜層孔隙率小。在海水環(huán)境下有優(yōu)良耐腐蝕性能。

圖1 微弧氧化膜層Fig.1 Micro-arc oxidation film

微弧氧化在魚雷殼體的大面積制備是其主要技術(shù)難點，特別是控制內(nèi)外表面膜層均勻性。

③涂防腐涂料

涂防腐涂料把金屬材料和腐蝕介質(zhì)分隔開可達到防腐蝕目的。涂防腐涂料必須使涂層致密、均勻且與基體金屬附著良好，才可有效緩解工作介質(zhì)的沖蝕破壞作用。防腐涂料可采用如聚氨酯漆等，但避免用含鉛、銅或汞的涂料。

④隔絕腐蝕介質(zhì)

隔絕腐蝕介質(zhì)工作原理同表面涂層相同，即把金屬材料和腐蝕介質(zhì)分隔開，不同之處在于實施途徑不同。如對緊固件可用AMC防腐潤滑油涂抹緊固件，避免緊固件和海水直接接觸，從而防止發(fā)生嚴重的縫隙腐蝕和電偶腐蝕等。對兩段殼中分結(jié)合面，可在110℃的沸騰的工業(yè)用油И－20А中浸煮，使分結(jié)合面內(nèi)充分滲透、吸附一定量的油，形成附加的保護油膜，防止海水滲透浸入而腐蝕殼中分結(jié)合面。

⑤納米復(fù)合材料膜層表面處理

鋁合金表面納米復(fù)合材料膜層要求氧化鋁模板具有較大的孔徑及較厚的膜層，需生成一層孔徑為100～220 nm、厚度超過20 μm、硬度為360 ～370 HV的氧化膜。鋁陽極氧化膜的微觀多孔性結(jié)構(gòu)(圖2)賦予了其獨特的功能，如在多孔層中填充非金屬高分子物質(zhì)如PTFE(聚四氟乙烯)形成表面復(fù)合材料(圖3)，可在保持鋁陽極氧化膜原有特性的基礎(chǔ)上有效降低陽極氧化膜的摩擦系數(shù)，改善其潤滑性能，提高耐磨性能，同時也能提高表面耐腐蝕性能。

現(xiàn)有的常規(guī)陽極氧化技術(shù)無法實現(xiàn)鋁合金表面納米復(fù)合材料膜層要求孔徑。如一般常用的硫酸及草酸陽極氧化生成的氧化鋁模板膜層厚，硬度高，但模板孔徑分別為幾個至十幾個納米，潤滑劑難以填充;磷酸陽極氧化生成的氧化鋁模板孔徑較大，但膜層太薄，僅2～3 μm左右。制備納米復(fù)合材料膜層，控制氧化膜的微孔結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵，但還需解決氧化膜微孔中填充PTFE填充率問題，如有微孔沒有填充，海水會從微孔浸入，則降低膜層腐蝕性能。

2)電極保護法

①犧牲陽極保護法

犧牲陽極保護是海水中最常見的一種防腐蝕措施，其原理是選用電極電位比要保護的金屬更負的金屬作為陽極材料(不能選用表面可形成致密保護性氧化膜的金屬)與被保護的金屬連接起來，于是在介質(zhì)中構(gòu)成腐蝕電池，電位較低的金屬成為陽極被溶解，而被保護的金屬形成陰極受到保護。

犧牲陽極的材質(zhì)選擇要合乎使用要求，主要考慮犧牲陽極的使用壽期以及要與工作介質(zhì)相匹配。犧牲陽極與被保護部件的連接方式也很重要，否則達不到預(yù)定目的。

鋁合金在海水中的電位序材料(見圖4)排列中，屬較為活性金屬，其自腐蝕電位為－0.7～－1.1 V，在犧牲陽極保護法中，用作犧牲陽極較有效的材料為鎂和鋅，鋅的自腐蝕電位為－1 V左右，鎂為－1.6 V左右。

圖4 各種材料電位序列圖［3］Fig.4 Potential sequence chart of several materials

圖4為普遍接受的電位序列，實際電位受多種因素(溫度、鹽度、在電解液中移動等)影響而變化。

但在船舶上通常保護鋁船殼較好的陰極保護是用鋅陽極而不是鎂陽極，這是因為鎂會引起保護殼體周圍形成堿性條件，不但起不到保護作用，反而引起鋁的腐蝕。在海水中鋁的正確保護電壓為0.985 V，與銀/氯化銀電極相當(dāng)。

②外加電流陰極保護技術(shù)

外加電流陰極保護技術(shù)是將犧牲陽極保護中的犧牲陽極塊更換成只起導(dǎo)電作用而不溶解的輔助陽極，在陽極和殼體之間加一直流電源，并通過海水構(gòu)成回路。電源向殼體輸入保護電流，使殼體成為陰極而得到保護。該外加電流保護系統(tǒng)由恒電位儀也就是外加電源、參比電極、不溶性輔助陽極構(gòu)成。整個系統(tǒng)使殼體電位始終保持在保護電位范圍內(nèi)。

3)電偶腐蝕防護方法

電偶腐蝕防護方法采取電絕緣。魚雷殼體與多種金屬材料相接，如舵不銹鋼、導(dǎo)脊鈦合金和進水管銅合金等。它們之間直接連接，接觸海水時，就會發(fā)生電偶腐蝕，致使負電位的金屬遭到快速腐蝕溶解。因此，需采用防腐蝕電絕緣連接方式，減少異種金屬部件的直接連接避免產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。特別對于殼體鋁合金材料，與銅合金(如青銅和黃銅)相接處必須充分采取電絕緣措施以避免電偶腐蝕發(fā)生。

電絕緣通常方法是在2個構(gòu)件之間裝上塑料、氯丁橡膠或Tufnol制作的填塊、墊圈和襯套等(圖5)。

圖5 2種不同金屬螺栓連接電絕緣結(jié)構(gòu)圖［3］Fig.5 Connect two kinds of metal with screw electrical insulating structure chart

3 結(jié)語

綜上所述，本文列出幾乎所有種類海洋環(huán)境下魚雷殼體防腐蝕方法，其中最常用而且實施比較方便的方法是表面處理方法，如陽極氧化、微弧氧化及涂漆等。電極保護法在船舶上應(yīng)用較多，但在魚雷殼體上應(yīng)用還未見報道，由于諸多限制，還需進一步工程化研究，才能很好應(yīng)用于魚雷殼體作為殼體防腐蝕技術(shù)途徑之一。隨著魚雷濕擱置要求越來越高，不同種金屬材料應(yīng)用電化學(xué)腐蝕問題也會凸現(xiàn)出來，值得在結(jié)構(gòu)設(shè)計中引起注意。

［1］李聯(lián)聯(lián).核電站海水系統(tǒng)泵的防腐蝕控制［J］.GM通用機械，2009，(11):70 －72.

［2］王來強.船舶腐蝕成因及防護技術(shù)［J］.中國水運，2008(10):20－21.

［3］奈杰爾·沃倫(英).船舶中金屬腐蝕(第1版)［M］.1987.

［4］許友林，等.船舶防腐蝕技術(shù)應(yīng)用及其發(fā)展［J］.中國修船，2008，(6):17 －19.

Discussion on anti-corrosion of torpedo wet-storage

GAO Yong1，ZHOU Yong-jin2，ZHANG Rui-bin2，CHEN Yan-yong2
(1.China Ship Rsearch and Development Academy，Beijing 100192，China;2.Kunming Branch of 705 Research Institute，CSIC，Kunming 650118，China)

Under the circumstances that a torpedo is immersed in seawater for long in a launching tube，the performance of the parts that are directly contacting seawater could change because of corrosion.In order to protect the torpedo from the corrosion of seawater，anti-corrosion measures are necessary for the parts，such as the torpedo shell，which are contacting seawater.This article mainly analyses the mechanism of corrosion on the water-contacting parts such as shells，horizontal tail fin and rudder，and connecting screws etc.Meanwile，preventive measures are also proposed.

torpedo;shell;wet-storage;anti-corrosion

TJ63，U672.7+2

A

1672－7649(2011)06－0086－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.020

2011－05－06

高涌(1971－)，男，高級工程師，主要從事水中兵器總體技術(shù)研究。