某型艇異金屬間腐蝕及防護(hù)研究

高春林，陳 沖

(海軍上海地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，上海 200136)

某型艇異金屬間腐蝕及防護(hù)研究

高春林，陳 沖

(海軍上海地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，上海 200136)

文章分析了異金屬的腐蝕機(jī)理、連接方式及腐蝕行為，通過腐蝕機(jī)理分析，并從涂層保護(hù)、電絕緣法、陰極保護(hù)3方面指出了異金屬防護(hù)措施。

異金屬；腐蝕；防護(hù)

腐蝕是金屬構(gòu)件破壞的主要形式之一，腐蝕問題存在于工程建設(shè)的各個領(lǐng)域。某型艇上所使用的金屬多為碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、紫銅與銅合金、鋅和鋅合金、鋁合金和鈦合金材料。當(dāng)不同電位金屬組成的構(gòu)件相互接觸時，如果接觸處沒有防護(hù)措施，或防護(hù)措施失效，在海水或潮濕大氣中通常會有一種金屬的腐蝕損壞速度明顯加快。修理過程中，鈦合金與其它金屬的連接(包括其它不同金屬的連接)部位拆卸、修理、回裝處理后極易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，影響裝備的正常使用，如何弄清異金屬腐蝕機(jī)理研究和做好防護(hù)顯得尤為重要。

1 異金屬腐蝕機(jī)理

金屬腐蝕按作用機(jī)理可分為化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕和物理腐蝕；按被破壞的特征可分為全面腐蝕和局部腐蝕；按腐蝕的環(huán)境可分為大氣腐蝕、海水腐蝕、微生物腐蝕等。金屬在海水中的腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕，金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕的原因是一種自發(fā)的、短路的腐蝕原電池作用的結(jié)果。由于海水導(dǎo)電性好，腐蝕電池中的歐姆電阻小，因此異金屬接觸能造成陽極性金屬發(fā)生顯著的電偶腐蝕破壞。

異金屬間腐蝕都是電偶腐蝕。海水是自然界中最大量的、具有很大腐蝕性的天然電解質(zhì)。海水腐蝕的電阻性阻滯很小，異種金屬的接觸能造成顯著的腐蝕效應(yīng)。在通常情況下，2種金屬電位差越大，它們的電偶腐蝕效應(yīng)也越嚴(yán)重。

由于自然腐蝕電位不同的2種金屬相互接觸構(gòu)成了原電池，當(dāng)有電解質(zhì)協(xié)助其構(gòu)成回路時會造成電位較低的金屬(陽極構(gòu)件)腐蝕加速，電位較高的金屬(陰極構(gòu)件)腐蝕被減緩，這就是電偶腐蝕理論。腐蝕電流值IG服從歐姆定律：

通常采用電偶腐蝕因子f=(v-v0)/v0，來衡量一種金屬與另一種金屬偶合時的腐蝕程度，其中v為前一種金屬與后一種金屬偶合試驗(yàn)時腐蝕速度，v0為前一種金屬的自然腐蝕速率。電偶腐蝕因子f越大，表示2種金屬接觸時的電偶腐蝕作用越大；f為負(fù)值時表示前一種金屬與后一種金屬材料耦合后不但沒增大反而有所減小，表示前一種金屬不受后一種金屬的電偶腐蝕作用，見表1。

表1 金屬和合金在海水中的電偶序

2 異金屬連接方式及腐蝕行為

某型艇中常見異金屬的連接方式有：不銹鋼和銅、鈦合金和銅、鈦合金和不銹鋼、鈦合金和普通鋼或鑄鐵、不銹鋼和普通鋼或鑄鐵，分布于機(jī)電設(shè)備、進(jìn)排氣系統(tǒng)、外部艇體及其它系統(tǒng)。

2.1 機(jī)電設(shè)備

大多數(shù)機(jī)電設(shè)備都存在異金屬連接形式，如：柴油機(jī)排氣管(鈦合金)與大量支管(銅合金、鋼質(zhì)等)的連接，空氣冷卻器的貫穿鋅筒與銅棒連接，廢氣集水箱鈦端蓋與接管、觀察法蘭與接管之間的連接，高壓氣系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備氣瓶與支架的連接。

2.2 進(jìn)排氣系統(tǒng)

進(jìn)排氣系統(tǒng)的異金屬連接也比較普遍，柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)大部分采用鈦合金，耐蝕性好，工作可靠，但部分鈦合金材質(zhì)與鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)部位易發(fā)生腐蝕，在排煙管距排煙口約70 cm處內(nèi)壁多處銹蝕破裂，有的破損處直徑達(dá)4 cm，致使柴油機(jī)工作時冷卻水套中的冷卻水被大量噴出。另一方面現(xiàn)用涂料在鈦材質(zhì)上附著力差，易起皮剝落，增大“偶對”陰極面積，增大了電偶腐蝕風(fēng)險。低壓廢氣排水管路系統(tǒng)中連接于廢氣舌閥與排氣主管之間的管路由鈦合金管和鋼管2部分組成，其中鋼管外部腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重，出現(xiàn)多處嚴(yán)重穿孔，造成泄漏，已嚴(yán)重影響艇的正常使用。

2.3 外部艇體

上層建筑中存在大量異種金屬接觸部件，其設(shè)備擁擠、保養(yǎng)困難且處于干濕交替、潮濕和局部積水的環(huán)境，腐蝕嚴(yán)重。耐壓艇體的強(qiáng)度和鋼度直接關(guān)系到艇的生命力、下潛深度和服役年限，但其長期處于“三高”強(qiáng)腐蝕環(huán)境，異種金屬接觸引起的電偶腐蝕，焊縫腐蝕嚴(yán)重。碳鋼管的電位較不銹鋼、銅和鈦合金均負(fù)，在腐蝕介質(zhì)作用下，除自身電化學(xué)腐蝕外，還遭受到電偶腐蝕，最典型的碳鋼管路有海水總管及其它海水管路，排煙管鋼質(zhì)管段、低壓廢氣管、通風(fēng)排氣管、電纜管等，它們是維修中更換最多的管路。耐壓體頂部同樣存在這一現(xiàn)象，裝置系統(tǒng)的鈦合金、銅及銅合金、不銹鋼等金屬電位均較鋼電位正得多，且涂層附著力差，與船體鋼接觸易導(dǎo)致電偶腐蝕。

2.4 其它系統(tǒng)

聲吶圍壁屬于異種金屬接觸多的透水部分，在鈦合金與鋼結(jié)合部存在電偶腐蝕，由于一直與海水接觸電化學(xué)腐蝕尤其嚴(yán)重。緊固件隨處可見，無任何保護(hù)，是典型的“陽極”，腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重，更換難度極大，是亟待解決的問題。

3 異金屬防護(hù)研究

通過機(jī)理分析，避免電偶腐蝕影響，可以從下列措施加以防護(hù)。

3.1 涂層保護(hù)

異金屬連接件的涂層可起到屏蔽和電絕緣作用。某型艇上與海水接觸部位均采用以環(huán)氧樹脂為底漆含有防蝕瓷漆的涂漆方案，具有良好的致密度和表面附著力，所形成的漆膜對酸、堿、鹽等腐蝕介質(zhì)顯示化學(xué)惰性，把艇體外表面和艇體結(jié)構(gòu)的金屬外表面與海水隔開，阻止海水、濕氣、氧和海水中的離子透過漆膜，也即阻止了腐蝕電路的形成，起到了屏蔽腐蝕介質(zhì)的作用。同時涂于艇體表面及舷間的油漆具有良好的電絕緣性能，還能在異質(zhì)金屬構(gòu)成的結(jié)構(gòu)及機(jī)械設(shè)備與鋼質(zhì)艇體接觸時而可能發(fā)生電化學(xué)腐蝕的屏障作用。但是涂層并非想象的那樣絕對致密，所以會有少量的水和氧存在于金屬表面，所造成的腐蝕電流很小，腐蝕速度緩慢。事實(shí)證明，涂層表面電阻率達(dá)到109 Ω/cm2以上，并且在溶液中能較長時間保持穩(wěn)定漆膜防腐蝕性良好。當(dāng)涂層表面電阻率降到107 Ω/cm2以下時，就應(yīng)該考慮到在涂層下發(fā)生了一定速率的腐蝕。此外，涂層或絕緣包敷層還可起到緩蝕、電化學(xué)陰極保和護(hù)防生物污染的作用。

3.2 電絕緣法

為了防止異質(zhì)金屬構(gòu)成的零件和結(jié)構(gòu)件相互連接，處于海水中產(chǎn)生原電池工作的條件；也為了避免原電池的陽極金屬受到損壞(產(chǎn)生了接觸腐蝕)。采用如下防護(hù)方法。

1)將異質(zhì)金屬構(gòu)成的零件和結(jié)構(gòu)件進(jìn)行電隔離，即斷開陰極金屬和陽極金屬之間的電路。使用有電絕緣覆層的金屬零件，如墊圈、螺柱、螺栓、圓環(huán)等，在異質(zhì)金屬連接中可起到電絕緣的作用。管路元件和艇體結(jié)構(gòu)可以通過采用絕緣材料(玻璃鋼、橡膠、壓制材料)制成的墊片、套筒、墊圈來實(shí)現(xiàn)電隔離，切斷腐蝕電流的通路。絕緣必須完全而且有效，絕緣材料不能透水，要有足夠厚度和覆蓋面。

2)用密封材料把異質(zhì)金屬的連接與海水隔離。異質(zhì)金屬零件和結(jié)構(gòu)件對接處，采用密封漆、膩?zhàn)?、黃油膏等塑性好、高耐水性能和良好的隔水性能的密封材料使異質(zhì)金屬與海水隔離，也可以消除產(chǎn)生接觸腐蝕的可能性。在艇上廣泛使用耐沖洗的黃油膏。用于裝置以及舵和其它裝置的連接零件和滑動零件中的黃油膏，可阻止海水滲入異質(zhì)金屬的連接零件中間，防止產(chǎn)生電偶 (接觸)腐蝕。密封膩?zhàn)哟罅坑糜诋惤饘俚慕饘龠B接處，如高壓氣瓶接頭等。

3.3 陰極保護(hù)

陰極保護(hù)法根據(jù)電流來源的不同分為外加電流法和犧牲陽極法。前者是利用外加直流電源，將被保護(hù)金屬與電源負(fù)極相連，使金屬發(fā)生陰極極化；后者是將被保護(hù)金屬與電位更負(fù)的金屬(陽極)連接，構(gòu)成電流回路，使被保護(hù)的金屬發(fā)生陰極極化，抑制或減緩金屬的腐蝕。

1)陰極保護(hù)原理。在電解質(zhì)中，四周由于表面各個部位的電位不同而構(gòu)成了腐蝕電池。電位低的金屬區(qū)成為陽極，失去電子，金屬原子以離子形式進(jìn)入溶液，而發(fā)生腐蝕。電位較高的金屬區(qū)成為陰極，消耗掉來自陽極區(qū)的電子，使陽極區(qū)的金屬腐蝕不斷的進(jìn)行。如圖1所示。

圖1 電化學(xué)腐蝕機(jī)理示意圖

陰極保護(hù)就是向金屬上施加外部電流，使得金屬表面上微觀電池的陰、陽極達(dá)到等電位的方法來消除金屬的腐蝕，如圖2所示。設(shè)金屬表面陽極區(qū)和陰極區(qū)的初始電位分別為Ea和Ec，金屬在腐蝕過程中，由于陰、陽極的極化作用，兩極的電位互相接近，電流-電位曲線相交于S點(diǎn)，該點(diǎn)所對應(yīng)的電位為該金屬的腐蝕電位Ecorr，相應(yīng)的電流為腐蝕電流Icorr。當(dāng)施加外部電流使金屬陰極極化時(陰極電位不斷地降低)，即極的電流—電位曲或不斷的向右上方移動，使得Ecorr和Icorr不斷地減小，當(dāng)Ecorr移至與陽極電位相等時，金屬表面所有區(qū)域的電位差都等于零時，腐蝕電流Icorr消失，金屬得到了完全保護(hù)。

圖2 陰極保護(hù)原理示意圖

2)陰極保護(hù)方法的選擇。維修周期不超過3年時，可優(yōu)先選用犧牲陽極保護(hù)；維修周期超過3年時，宜優(yōu)先選用外加電流保護(hù)。涂層良好的水室宜用犧牲陽極保護(hù),涂層破損嚴(yán)重或裸體結(jié)構(gòu)宜用外加電流保護(hù)。所需保護(hù)電流總量低于10 A時采用犧牲陽極保護(hù)，超過10 A時采用外加電流保護(hù)。

Corrosive mechanism,connection style and corrosion act of different metal are analysis by corrosion mechanism.Through the analysis,the protection measures are pointed out in the 3 aspects of coating protection，electric insulation and cathodic protection.

different metal;corrosion;protection

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2014.02.016

高春林(1966-)，男 ，江蘇鹽城人，高級工程師，大學(xué)本科，研究方向?yàn)檠b備修理。

2013-12-17