船用自動(dòng)化儀表在高鹽霧環(huán)境下的抗腐蝕能力及應(yīng)用*

張喜

(重慶川儀速達(dá)機(jī)電有限公司，重慶 400702)

船用自動(dòng)化儀表在高鹽霧環(huán)境下的抗腐蝕能力及應(yīng)用*

張喜

(重慶川儀速達(dá)機(jī)電有限公司，重慶 400702)

以船用自動(dòng)化儀表的實(shí)際工況為基礎(chǔ)，對(duì)船用自動(dòng)化儀表在鹽霧環(huán)境中所受到的影響進(jìn)行分析和研究。根據(jù)鹽霧腐蝕機(jī)理，結(jié)合船用自動(dòng)化儀表功能基礎(chǔ)和性能需求，提出了鹽霧環(huán)境中提高設(shè)備抗鹽霧腐蝕能力的設(shè)計(jì)、工藝方案。并應(yīng)用于X型船用柴油機(jī)監(jiān)測(cè)儀表結(jié)構(gòu)上。通過(guò)鹽霧試驗(yàn)對(duì)X型船用柴油機(jī)監(jiān)測(cè)儀表的抗鹽霧能力進(jìn)行考核。對(duì)降低成本、提高產(chǎn)品實(shí)用性和可靠性有著重要意義。

船用;抗鹽霧腐蝕;工藝方案

1 船用自動(dòng)化儀表的影響因素

1.1 船用自動(dòng)化儀表高鹽霧的影響及防護(hù)

船用自動(dòng)化儀表在使用過(guò)程中會(huì)受到海洋大氣、海水飛沫、沖洗甲板、清洗設(shè)備時(shí)所用海水以及凝結(jié)水的侵蝕。在海洋的高濃度鹽霧條件下，設(shè)備主要會(huì)受到以下三方面的影響:①產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕、加速應(yīng)力腐蝕和鹽在水中電離后形成的酸堿溶液的腐蝕;②由于鹽沉積引起的電子裝備損壞、導(dǎo)電層產(chǎn)生等絕緣材料和金屬腐蝕的電氣影響;③機(jī)械部件和組件的活動(dòng)部分阻塞或粘接、由電解作用導(dǎo)致漆層起泡的影響。因此，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就必須考慮設(shè)備在高鹽霧條件下抗腐蝕能力。

1.1.1 鹽霧腐蝕機(jī)理及抗腐蝕能力

大氣中鹽霧的出現(xiàn)于分布和氣候環(huán)境條件及地理位置有著密切的關(guān)系。在海洋環(huán)境中的鹽霧，其組成與海洋相似，對(duì)設(shè)備腐蝕主要是其中有大量氯離子。它對(duì)金屬的腐蝕是以電化學(xué)方式進(jìn)行的，其機(jī)理是基于原電池腐蝕［1］。鹽霧的電化學(xué)腐蝕過(guò)程大致如下:

陽(yáng)極上，金屬由于負(fù)電性強(qiáng)(標(biāo)準(zhǔn)電極電位低)容易失去電子而變?yōu)榻饘訇?yáng)離子，并以水化離子的形式進(jìn)入溶液，同時(shí)把相當(dāng)?shù)碾娮恿粼诮饘?Me)中。

陰極上，留在陰極金屬中的剩余電子，被氧去極化，還原并吸收電子，成為氫氧根離子。

在電解液中，氯化鈉離解而生成鈉離子(Na+)和氯離子(Cl－)，部分氯離子、金屬離子和氫氧根離子反應(yīng)成金屬腐蝕物。

鹽霧對(duì)金屬的腐蝕作用，除了鹽霧作為一種電解質(zhì)加速電池腐蝕過(guò)程外，還因?yàn)辂}霧溶液中主要腐蝕介質(zhì)為氯離子。氯離子具有很小的水合能，容易被吸附在金屬表面，同時(shí)氯離子半徑很小(只有1.81× 10－10m)，因此具有強(qiáng)的穿透性，容易穿過(guò)金屬表面氧化層，進(jìn)入金屬內(nèi)部。然后氯離子排擠并取代氧化物中的氧而在吸附點(diǎn)上形成可溶性的氯化物，導(dǎo)致這片區(qū)域上的保護(hù)膜出現(xiàn)小孔，破壞金屬的鈍化，加速金屬腐蝕［2－3］。

1.1.2 鹽霧防護(hù)分析

鹽霧中鹽分的顯著特點(diǎn)是能從相對(duì)干燥的大氣中吸附大量水分，尤其在高溫高濕的條件下。從鹽霧腐蝕的機(jī)理中可以看出，當(dāng)物體表面附著這些含鹽水分時(shí)，就會(huì)長(zhǎng)期保持潮濕狀態(tài)。由于含鹽水膜的附著，就加速了金屬材料的腐蝕，也降低了電子設(shè)備絕緣材料的表面比電阻，是電子設(shè)備損壞變質(zhì)的一個(gè)重要原因［4］。

水分中溶解鹽具有兩個(gè)獨(dú)立侵蝕作用:①腐蝕許多金屬和無(wú)機(jī)材料;②提供一種活性電解質(zhì)，使不同金屬接觸時(shí)產(chǎn)生電偶腐蝕，并促進(jìn)具有不同電動(dòng)勢(shì)或在不同電壓下的金屬的電解作用。

通過(guò)上述分析，我們對(duì)該儀表外殼防鹽霧設(shè)計(jì)的基本原則是:①采用密封結(jié)構(gòu)，選用耐鹽霧的金屬材料——不銹鋼。但是由于不銹鋼價(jià)格較不同碳鋼貴，且不易于加工，因此在實(shí)際生產(chǎn)中我們選用碳鋼板加表面電鍍或熱噴涂涂層保護(hù);②元件部件采用相應(yīng)防護(hù)措施，涂覆有機(jī)涂層;③不同金屬間接觸要防止接觸腐蝕;④為了保證該外殼鹽霧防護(hù)的可靠性，還需要進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

2 X型船用自動(dòng)化儀表結(jié)構(gòu)防鹽霧設(shè)計(jì)

金屬的腐蝕是以電化學(xué)方式進(jìn)行的，其機(jī)理分為三類(lèi):一是基于原電池腐蝕，鹽霧作為一種電解質(zhì)加速電池腐蝕過(guò)程;二是氯離子具有很小的水合能，吸附在金屬表面，穿過(guò)金屬表面氧化層，進(jìn)入金屬內(nèi)部。然后氯離子排擠并取代氧化物中的氧而在吸附點(diǎn)上形成可溶性的氯化物，導(dǎo)致這片區(qū)域上的保護(hù)膜出現(xiàn)小孔，破壞金屬的鈍化，加速金屬腐蝕;三是還受鹽霧液滴中的溶解氧影響。

經(jīng)過(guò)以上的分析和對(duì)使用環(huán)境的調(diào)研，針對(duì)該儀表外殼，我們采用以下措施防止鹽霧腐蝕。

(1)充分考慮密封設(shè)計(jì)，最大限度地防止海水、濕氣及其它腐蝕介質(zhì)進(jìn)入和聚集。并且根據(jù)密封部分和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選用密封材料和類(lèi)型，保證整個(gè)外殼的密封性能良好。

(2)改善和控制零件的表面質(zhì)量，提高粗糙度要求，以提高其抗腐蝕能力。大量的實(shí)驗(yàn)證明:隨著鋼板粗糙度等級(jí)的提高，鋼板涂層耐鹽霧能力也會(huì)隨之提高。表1是鋼板粗糙度與耐鹽霧性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 鋼板粗糙度與耐鹽霧性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了提高產(chǎn)品的耐鹽霧能力，我們首先需要提高鈑金零件的粗糙度。如果使用機(jī)械拋光，雖然可以將Ra降低到0.01 μm，但是工作量太大，無(wú)法保證正常生產(chǎn)需要。所以我們?cè)阝k金件焊接成型后，采用電化學(xué)拋光提高外殼表面粗糙度，使Ra＜1 μm。電化學(xué)拋光可以拋光形狀復(fù)雜的零件，也能同時(shí)拋光很多零件，效率高。

(3)在設(shè)計(jì)和裝配中充分考慮異種金屬接觸形成的電位差腐蝕，在滿足強(qiáng)度和剛度的情況下，盡量選用電位差較小的金屬。

我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)均采用優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板作為外殼的材料，一致性好，最大限度地避免了異種金屬接觸形成的電位差腐蝕。

(4)設(shè)備所有外露金屬連接件均選用耐腐蝕不銹鋼材料。在選用不銹鋼材料是也應(yīng)注意要選擇耐海水雙向不銹鋼，不銹鋼在海水中的電位曲線如圖1所示。

該數(shù)據(jù)是國(guó)外研究者在實(shí)際天然海水中根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)。而不銹鋼穩(wěn)定電位越正，耐局部腐蝕性越好。所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)選用HRS－3不銹鋼作為外部連接件的材料。

(5)將該自動(dòng)化儀表的外殼防護(hù)工藝定位:落料－成型－焊接－消除應(yīng)力退火－電化學(xué)拋光－電鍍彩鋅－鉻酸陽(yáng)極化－噴塑。

通過(guò)這樣的工藝流程，可以最大限度地提高設(shè)備外表的鹽霧防護(hù)能力。同時(shí)，為了降低成本，外殼內(nèi)部的各種鋼件只采用鍍鋅后鉻酸陽(yáng)極化，而不再采用其余工序，這樣就大大提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，為批量化生產(chǎn)提供了條件。

3 X型船用自動(dòng)化儀表鹽霧試驗(yàn)

由于該儀表不能整體裝入鹽霧試驗(yàn)機(jī)，項(xiàng)目組按照設(shè)計(jì)方案制作了“縮小版樣機(jī)”，按照GB/T 2423.17－2008電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2部分:試驗(yàn)方法，試驗(yàn)Ka:鹽霧標(biāo)準(zhǔn)，使用鹽霧試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行了鹽霧試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間672 h。

試驗(yàn)用FQY鹽霧腐蝕試驗(yàn)機(jī)見(jiàn)圖2所示。

圖1 不銹鋼在海水中的電位曲線

圖2 鹽霧試驗(yàn)機(jī)

設(shè)置試驗(yàn)溫度和飽和濕度見(jiàn)圖3，4所示。

圖5為鹽霧試驗(yàn)后，普通碳鋼螺釘和不銹鋼接插件腐蝕情況。圖6為鹽霧試驗(yàn)后，不銹鋼螺釘無(wú)腐蝕情況(外表面)。

圖7為鹽霧試驗(yàn)后，端面密封處無(wú)腐蝕情況。圖8為鹽霧試驗(yàn)后，螺釘安裝處發(fā)生銹蝕情況。圖9為鹽霧試驗(yàn)后，箱體內(nèi)部干燥，無(wú)腐蝕情況。

圖3 鹽霧試驗(yàn)機(jī)設(shè)置

圖4 鹽霧試驗(yàn)中

圖5 普通碳鋼螺釘和不銹鋼接插件腐蝕情況

圖6 不銹鋼螺釘無(wú)腐蝕 情況(外表面)

圖7 端面密封處無(wú)腐蝕

圖8 螺釘安裝處發(fā)生銹蝕

圖9 箱體內(nèi)部干燥無(wú)腐蝕

通過(guò)對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果的分析，項(xiàng)目組將為了對(duì)比腐蝕效果而安裝的普通螺釘更換為了不銹鋼螺釘;在外殼外表面安裝螺釘時(shí)，采用加裝密封墊圈或墊片。完成以上改進(jìn)后，再次進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)效果如圖10，11所示。

圖10 箱體無(wú)腐蝕

圖11 箱體內(nèi)部干燥、無(wú)腐蝕

圖4～11為鹽霧試驗(yàn)后船用自動(dòng)化儀表結(jié)構(gòu)及各個(gè)部件的狀態(tài)。通過(guò)以上試驗(yàn)，證明該船用自動(dòng)化儀表防鹽霧設(shè)計(jì)是成功的，具有很高的實(shí)用價(jià)值。同時(shí)該產(chǎn)品已成功交付用戶使用。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)鹽霧腐蝕機(jī)理，結(jié)合船用自動(dòng)化儀表功能和性能需求的基礎(chǔ)上，提出了鹽霧環(huán)境中提高設(shè)備抗鹽霧腐蝕能力的設(shè)計(jì)、工藝方案。并應(yīng)用于X型船用柴油機(jī)監(jiān)測(cè)儀表結(jié)構(gòu)上。通過(guò)鹽霧試驗(yàn)對(duì)X型船用柴油機(jī)監(jiān)測(cè)儀表的抗鹽霧能力進(jìn)行考核。對(duì)降低成本、提高產(chǎn)品實(shí)用性和可靠性有著重要意義。

［1］ 電子科學(xué)院.電子設(shè)備三防技術(shù)手冊(cè)［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，2000.

［2］ 孫秋霞.材料腐蝕與防護(hù)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2001.［3］ 梁成浩.金屬腐蝕學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

［4］ 丁小東.淺談電子設(shè)備的三防設(shè)計(jì)［J］.腐蝕與防護(hù)，2001，22 (6):260.

Corrosion Resistance and Application of Marine Instrument in High Salt Fog Environment

ZHANG Xi
(Chongqing Chuanyi Suda Electronics＆Machinery Co.，Ltd，Chongqing 400702，China)

Based on marine instrument actual working，the effects on marine instrument are analyzed and researched in salt fog environment.According to the salt spray corrosion mechanism，combining basic marine instrument functional and performance requirements，the design and process scheme are presented to improve salt fog corrosion resistance ability of equipment in the salt fog environments and is applied to X type marine diesel engine monitoring instrument structure.The assessment of salt fog corrosion resistance is given through the salt spray test.It could reduce costs and improve product availability and reliability.

marine;salt fog corrosion resistance;process scheme

TH122

A

1007－4414(2013)05－0099－03

2013－08－23

張 喜(1981－)，男，重慶人，工程師，主要從事船用自動(dòng)化儀表的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。