基于極化理論的船用空氣冷卻器海水腐蝕的研究

方小明

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州　350007）

基于極化理論的船用空氣冷卻器海水腐蝕的研究

方小明

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州350007）

基于極化理論研究空氣冷卻器海水腐蝕的機(jī)理，找出空氣冷卻器預(yù)防海水腐蝕的有效方法，在實(shí)踐中采用犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)法指導(dǎo)空氣冷卻器的防海水腐蝕，確保柴油機(jī)安全運(yùn)行。

極化理論；空氣冷卻器；原電池反應(yīng)；海水腐蝕

0　引言

當(dāng)前船舶為了提高航行的經(jīng)濟(jì)性，幾乎都對(duì)待吸入空氣采用廢氣渦輪增壓器增壓和空氣冷卻器冷卻以提高其密度，而空氣冷卻器又直接用海水冷卻，海水對(duì)其腐蝕是值得研究解決的復(fù)雜問(wèn)題?？諝饫鋮s器能否正常運(yùn)行關(guān)系到船舶柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)可靠與否，因此找到一些切實(shí)可行防海水腐蝕的措施尤為必要。

1　基于極化理論的陰極保護(hù)的原理

金屬在海水中發(fā)生腐蝕，實(shí)質(zhì)上就是原電池反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，電池反應(yīng)使陽(yáng)極金屬發(fā)生氧化反應(yīng)Fe—2e→Fe2+，陽(yáng)極金屬不斷遭到腐蝕；陰極金屬發(fā)生還原反應(yīng)，氫離子不斷從陰極獲得電子e而還原成氫氣2H+十2e→H2↑。當(dāng)主要材料分別為鐵和銅的船機(jī)件同處在海水中，由于鐵比銅的電極電位低，鐵發(fā)生氧化反應(yīng)被腐蝕，而銅發(fā)生還原反應(yīng)，得到保護(hù)。

金屬在電解質(zhì)溶液中發(fā)生電化學(xué)腐蝕時(shí)，陽(yáng)極金屬發(fā)生氧化反應(yīng)而被腐蝕，因此可用陽(yáng)極電流密度表示其發(fā)生電化學(xué)腐蝕速度。電化學(xué)腐蝕速度通過(guò)計(jì)算陽(yáng)極電流密度可以求得，但其與在腐蝕電路中觀察到的實(shí)測(cè)值差異很大，實(shí)測(cè)中當(dāng)原電池外電路接通后瞬間有一個(gè)很大的起始電流，但是幾分鐘后驟降，不到起始電流的1/30。

原電池的極化作用是電流通過(guò)時(shí)腐蝕電池兩極間電位差減小，引起工作電流強(qiáng)度降低的現(xiàn)象。腐蝕電路中電流強(qiáng)度的減小不是因?yàn)殡娮璧淖兓?，它是由電池中兩極間電位差變化所致。腐蝕電池的極化包括陽(yáng)極的陽(yáng)極極化和陰極的陰極極化，不過(guò)兩者的極化程度和方向不相同。電流通過(guò)時(shí)陽(yáng)極電位向正的方向變化稱(chēng)為陽(yáng)極極化；電流通過(guò)時(shí)陰極電位向負(fù)的方向變化稱(chēng)為陰極極化。極化作用的結(jié)果會(huì)降低腐蝕速度。極化作用是由于電池中電子遷移速度比電極反應(yīng)速度快的結(jié)果。陰極保護(hù)就是將被保護(hù)金屬陰極極化以減輕或防止金屬腐蝕的方法。若想使鐵和銅都不被腐蝕，需將一塊電位比銅和鐵更低的金屬鋅接到銅鐵構(gòu)成腐蝕原電池回路中。由于鋅板的電化學(xué)活性較強(qiáng)，連接后鋅板有大量的過(guò)剩電子沿導(dǎo)線流入銅板和鐵板，回路中的電流方向是從鐵板和銅板經(jīng)導(dǎo)線流入鋅板，再由鋅板經(jīng)海水流回鐵板和銅板，鐵的腐蝕電流逐漸減小至零，鐵板不再產(chǎn)生腐蝕，即得到了保護(hù)，而鋅板卻受到了腐蝕。

2　海水腐蝕的特點(diǎn)

船上常發(fā)生的海水腐蝕一般為局部腐蝕，對(duì)船機(jī)零件的工作和使用壽命都會(huì)產(chǎn)生很大負(fù)面影響。海水由于含鹽度高而成為腐蝕性介質(zhì)，鹽分總量為3.5%—3.7%。全球四大海洋中海水的成分和總鹽度恒定，海水中的鹽類(lèi)主要是氯化物和硫酸鹽。由于海水能離解鹽類(lèi)，所以海水是一種導(dǎo)電性很強(qiáng)的電解質(zhì)溶液。另外海水經(jīng)久不息地流動(dòng)，含氧量很大，表層海水幾乎被氧飽和，所以海水的腐蝕性強(qiáng)度可想而知。遠(yuǎn)洋船舶常年航行在海上，吃水線上部分被海洋大氣包圍，吃水線下部分浸入海水中，這樣與海水接觸的零部件都受到嚴(yán)重的腐蝕，直接用海水冷卻的設(shè)備也極易發(fā)生海水腐蝕，如柴油機(jī)的空冷器、冷卻器、冷凝器、空氣壓縮機(jī)的機(jī)體、各種海水管等，冷卻器的鑄鐵管在海水腐蝕作用下壽命大大縮短，只能使用3—4年。海水中的大量氯離子，能使零件金屬表面的氧化膜遭到破壞，因而海水對(duì)大多數(shù)金屬有很強(qiáng)的腐蝕作用。鋼鐵在海水中的腐蝕速度為0.13mm/y。如果海水流速增加、海水溫度升高等還會(huì)加速海水腐蝕速度。另外，海水中含氧量、pH值、海洋生物等物理、化學(xué)諸因素都會(huì)影響海水腐蝕速度。

3　陰極保護(hù)防止船用空氣冷卻器海水腐蝕的實(shí)施

陰極保護(hù)就是利用電化學(xué)腐蝕原理使被保護(hù)零件成為陰極則可防止腐蝕。犧牲陽(yáng)極保護(hù)法，即在被保護(hù)零件上安裝電位更低的金屬使之成為陽(yáng)極，被保護(hù)零件成為陰極而不被腐蝕。本質(zhì)上是把電子不斷地輸給被保護(hù)的金屬。犧牲陽(yáng)極保護(hù)中所需的電子是由犧牲陽(yáng)極的溶解所提供的。犧牲陽(yáng)極材料要選活潑的有色金屬，常用的有鋅、鋁、鎂。為了有效地發(fā)揮保護(hù)作用，犧牲陽(yáng)極的電位還要足夠負(fù)，陽(yáng)極極化率要小，特別是表面不能生成保護(hù)性的腐蝕產(chǎn)物膜，陽(yáng)極溶解要均勻。犧牲陽(yáng)極保護(hù)法安裝簡(jiǎn)單，不需要直流電源，對(duì)周?chē)O(shè)備的干擾小。但犧牲陽(yáng)極消耗大，難以調(diào)節(jié)在最佳保護(hù)電位，且提供的電流較小。

目前空氣冷卻器的管束材料主要成分是銅的銅鎳臺(tái)金，管板和高、低壓水室封頭（冷卻器端蓋）材料一般為鋼材，這樣在海水流過(guò)時(shí)就自然發(fā)生嚴(yán)重電化學(xué)腐蝕。目前船上都采用犧牲陽(yáng)極保護(hù)法來(lái)防腐蝕，選擇成本較低的鋅作為陽(yáng)極被廣泛用作防海水腐蝕。

4　陰極保護(hù)案例

某船柴油機(jī)的空氣冷卻器直接用海水冷卻，采用非陰極保護(hù)的方法防海水腐蝕，如涂防護(hù)層，用不了多久，一般不到一年，殼體就被腐蝕泄露，嚴(yán)重影響了柴油機(jī)的安全運(yùn)行。而采用Zn—Al—Cd三元鋅陽(yáng)極作為犧牲陽(yáng)極，焊接安裝在空氣冷卻器的殼體端板封蓋的內(nèi)側(cè)，壽命延長(zhǎng)了很多，海水腐蝕幾乎減低為零，但在運(yùn)行中，犧牲陽(yáng)極持續(xù)的損耗，要及時(shí)檢查和更換，以保障柴油機(jī)的運(yùn)行可靠。

5　結(jié)語(yǔ)

空氣冷卻器的腐蝕問(wèn)題由來(lái)已久，一些傳統(tǒng)的方法短時(shí)間有效，但船舶長(zhǎng)期航行在海上，要求長(zhǎng)時(shí)間安全可靠的運(yùn)行是必要的?；跇O化理論的犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)可長(zhǎng)期有效地防止空氣冷卻器海水腐蝕問(wèn)題，從而保障了船舶安全航行。

［1］夏蘭廷.金屬材料的海洋腐蝕與防護(hù)［J］.北京：冶金工業(yè)出版社，2004.

［2滿一新.輪機(jī)維護(hù)與修理［J］.大連：大連海事大學(xué)出版社，2002.

（編輯 趙欣宇）

Study on the Corrosion of Air Cooler Based on Polarization Theory

FANG Xiaoming
（Fujian Chuanzheng Communications College，F(xiàn)uzhou350007，China）

Based on the theory of polarization，the mechanism of seawater corrosion of air cooler is studied，and the effective method to prevent seawater corrosion by air cooler is found.In practice，the sacrificial anode cathode protection method is used toguide the anti-seawater corrosion and toensure the safe operation ofdiesel engine.

polarization theory；air cooler；galvanic cell reaction；seawater corrosion

G712

B

1672-0601（2015）12-0100-02

2015-10-04

方小明（1975-），學(xué)士，講師。主要研究方向：輪機(jī)工程技術(shù)。