某型船青銅閥門腐蝕原因分析及治理措施

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(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

青銅閥門在船舶海水系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。海水對(duì)閥門的腐蝕作用降低了使用壽命，增加了維護(hù)及維修的費(fèi)用，嚴(yán)重影響船舶的安全，因此，對(duì)閥門的選材設(shè)計(jì)及腐蝕控制措施的研究，能夠有效減輕和抑制對(duì)船舶的腐蝕，提高其經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)性，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和實(shí)用價(jià)值[1-3]。設(shè)計(jì)的目標(biāo)是能合理設(shè)計(jì)海水系統(tǒng)并對(duì)腐蝕問(wèn)題進(jìn)行有效控制[4-6]。

通過(guò)闡述某型船進(jìn)廠維修的青銅閥門的腐蝕情況，分析不同閥門的腐蝕原因，提出治理措施，使得青銅閥門的腐蝕問(wèn)題得到有效的預(yù)防和控制。

1 腐蝕現(xiàn)象

對(duì)進(jìn)廠修理的某型船的青銅閥門的腐蝕情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過(guò)拆解勘驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)返廠的日用海水系統(tǒng)青銅閥門的腐蝕比較嚴(yán)重，部分閥門需更換閥體、閥盤，幾乎全部的閥桿因脫鋁腐蝕需換新。

1.1 截止閥和截止止回閥

青銅截止閥和青銅截止止回閥大部分使用時(shí)間為4～9年。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，主要零件及材質(zhì)見(jiàn)表1。

圖1 截止閥和截止止回閥結(jié)構(gòu)示意

表1 青銅截止閥/截止止回閥主要零件和材質(zhì)

截止閥和截止止回閥的腐蝕主要發(fā)生在閥體和閥盤密封面及閥桿接觸海水部位?？彬?yàn)發(fā)現(xiàn)所有的閥桿都發(fā)生脫鋁腐蝕，引起閥桿外表顏色變紅并有成片細(xì)微小坑，腐蝕導(dǎo)致閥桿的化學(xué)成分發(fā)生變化。

海水閥門中的青銅截止閥、青銅截止止回閥內(nèi)漏，閥門出現(xiàn)關(guān)不嚴(yán)的現(xiàn)象；閥門使用過(guò)程中，閥桿和密封填料之間出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，不能繼續(xù)使用。

圖2、3為閥體、閥盤實(shí)物。

圖2 閥體實(shí)物

圖3 閥盤實(shí)物

1.2 減壓閥

減壓閥的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4，主要零件和材質(zhì)見(jiàn)表2。

圖4 青銅減壓閥結(jié)構(gòu)示意

表2 青銅減壓閥主要零件和材質(zhì)

減壓閥的腐蝕主要發(fā)生在閥桿和閥體，所有的閥桿都發(fā)生脫鋁腐蝕，表面有白色的結(jié)塊物質(zhì)(見(jiàn)圖5)，擦去表面白色結(jié)塊后(見(jiàn)圖6)，閥桿外表顏色變紅并有成片細(xì)微小坑，腐蝕導(dǎo)致閥桿的成分發(fā)生變化，無(wú)法繼續(xù)使用。減壓閥的閥體密封面腐蝕也比較嚴(yán)重，部分閥體內(nèi)腔因腐蝕出現(xiàn)穿孔的現(xiàn)象，減壓閥閥盤密封面完全被沖蝕，減壓閥膜片破裂，海水泄漏腐蝕閥上蓋導(dǎo)致其出現(xiàn)銹跡的現(xiàn)象。

圖5 閥桿和閥盤的腐蝕情況

圖6 閥桿白色物質(zhì)清除后情況

1.3 安全閥

青銅安全閥是按照CB907—94標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7，主要零件和材質(zhì)見(jiàn)表3。

圖7 安全閥結(jié)構(gòu)示意

表3 青銅安全閥主要零件和材質(zhì)

安全閥的腐蝕主要是在閥盤和閥體之間因脫鋁腐蝕產(chǎn)生白色結(jié)塊物質(zhì)(見(jiàn)圖8)，卡在閥體和閥盤之間，造成閥盤運(yùn)動(dòng)卡阻，無(wú)法及時(shí)回座，嚴(yán)重影響安全閥的回座性能。安全閥易出現(xiàn)不能正常起跳或正常起跳后不能回位的現(xiàn)象，安全閥超壓泄放不能復(fù)位會(huì)導(dǎo)致海水從安全閥處泄放至所在的艙室。拆卸安全閥后發(fā)現(xiàn)閥門內(nèi)有大量白色凝結(jié)物，閥盤被其膩死，無(wú)法正常取出。

在2014年進(jìn)廠修理時(shí)，為防止安全閥發(fā)生脫鋁腐蝕，在所有安全閥的閥體內(nèi)腔和閥盤外表都進(jìn)行涂氟處理，但從本次拆解情況來(lái)看，脫鋁腐蝕情況比2014年進(jìn)廠修理時(shí)有所改善，但仍無(wú)法避免脫鋁腐蝕。

圖8 閥體和閥盤析出的白色物質(zhì)

2 腐蝕原因分析

2.1 海水原因

閥門腐蝕的共性原因是由于海水中含有大量的氯離子，不但加速了閥門的腐蝕，其中的氯離子還會(huì)對(duì)某些氧化性保護(hù)膜的形成起阻滯和破壞作用。由于海水中含有濃度很高的氯離子，隨著海水流速增加，腐蝕速率加快。

由于與閥門接觸的海水直接取自海洋表面，其中的溶解氧幾乎達(dá)到飽和程度。氧在電化學(xué)腐蝕過(guò)程中是一種去極化劑，電化學(xué)腐蝕中一個(gè)極為重要的因素。海水中存在著大量的浮游微生物，如藻類、細(xì)菌、真菌等，直接參與了腐蝕反應(yīng)。這些微生物排出的氨鹽、硝酸鹽、有機(jī)物、硫化物、碳酸鹽等代謝物使水質(zhì)組成發(fā)生變化而引起腐蝕[7]。

由于船舶須在不同海域航行，要求海水閥門須適應(yīng)不同海域內(nèi)海水的溶解氧濃度、鹽度、溫度、等差異，使得青銅閥門的腐蝕機(jī)理更加復(fù)雜[8]。

2.2 腐蝕類別

2.2.1 電偶腐蝕

由于海水具有較高的電導(dǎo)率，當(dāng)兩種金屬具有不同的電極電位放置于海水中時(shí)，電位低的金屬會(huì)加速溶解，電位較高的金屬溶解速度較低。青銅質(zhì)閥門一般先發(fā)生脫成分選擇性腐蝕。然后發(fā)生均勻腐蝕。當(dāng)海水管路采用白銅時(shí)，與管路相連的青銅閥門會(huì)產(chǎn)生電偶腐蝕。在水、氧氣和二氧化碳等的作用下生成銅綠[9]。

2Cu+ O2+ CO2+ H2O→Cu2( OH)2CO3

2.2.2 湍流腐蝕

由于青銅閥門在海水中工作時(shí)承受海水壓力高，銅截止閥在開啟或關(guān)閉時(shí)，海水的流速很大從而形成湍流。不僅增加了氧去極化劑的供應(yīng)量，而且使流體對(duì)金屬表面的切應(yīng)力增大，由于海水中還帶有大量泥砂等固體顆粒物，加劇了閥體和閥瓣的表面磨損。由于青銅閥門的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開啟或關(guān)閉時(shí)水流沖擊著閥門的內(nèi)壁，使其保護(hù)膜破壞。若此時(shí)流速過(guò)大，會(huì)發(fā)生空泡腐蝕，使得閥體表面腐蝕成海綿狀。

2.2.3 氧濃度差腐蝕

氧濃差腐蝕大多發(fā)生在青銅閥門的閥桿部位。在閥桿的填料函以上部位，由于氧的擴(kuò)散途徑短，導(dǎo)致氧的濃度高, 變成了腐蝕電池的陰極；氧的濃度較低的填料函部位成為腐蝕電池的陽(yáng)極遭受到腐蝕。

2.2.4 縫隙腐蝕

在青銅閥門的閥體和閥蓋與法蘭的結(jié)合處，閥瓣與閥桿的連接處，以及鉸鏈銷接合處等部位，由于縫隙的存在，導(dǎo)致海水等介質(zhì)會(huì)滯留在其中。腐蝕在剛開始時(shí)，氧去極化腐蝕在縫隙內(nèi)外均勻進(jìn)行。隨著腐蝕時(shí)間變化, 存在于縫隙內(nèi)的氧得不到及時(shí)補(bǔ)充，使氧的還原反應(yīng)中止?？p隙外的氧還原反應(yīng)仍然可以持續(xù)進(jìn)行，使得縫隙的內(nèi)外構(gòu)成宏觀的濃差電池，縫隙內(nèi)發(fā)生的陽(yáng)極溶解反應(yīng)可以表示為[10]

Me-ne→Men+

縫隙外的陰極反應(yīng)可以表示為[10]：

1/2O2+ H2O+ 2e→2OH-

由于氧濃差電池的存在，促進(jìn)了腐蝕作用產(chǎn)生。隨著陽(yáng)極的腐蝕反應(yīng)不斷發(fā)生，縫隙內(nèi)的金屬陽(yáng)離子富積，使得腐蝕產(chǎn)物堵塞縫隙口，促使介質(zhì)中的Cl-的進(jìn)入維持電荷的平衡，使得金屬氧化物的水解導(dǎo)質(zhì)酸化，使腐蝕現(xiàn)象更加劇烈。

2.3 截止閥和截止止回閥腐蝕原因

由于青銅閥門在長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度特殊使用條件下和海生物異常生長(zhǎng)環(huán)境下，青銅閥門因海生物造成流道阻塞，流速增大，加劇了沖刷腐蝕，同時(shí)存在B10管路與青銅閥門之間的異種金屬電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。

青銅截止閥、截止止回閥材料使用上考慮了防腐的需求，使用具有良好的機(jī)械性能、加工性能和耐海水腐蝕性能并在海洋工程中有著廣泛應(yīng)用的銅基合[11]。在實(shí)際使用中，閥門易出現(xiàn)兩類漏水情況：閥門內(nèi)漏、閥桿處海水外漏。主要表現(xiàn)在部分閥門內(nèi)漏，閥門出現(xiàn)關(guān)不嚴(yán)的現(xiàn)象；閥門使用過(guò)程中，閥桿和密封填料之間出現(xiàn)漏水現(xiàn)象等。

青銅截止閥、截止止回閥產(chǎn)生上述腐蝕的主要原因：硬密封的密封面比較狹窄，閥門處于關(guān)閉位置時(shí)，閥盤和閥體密封面真正結(jié)合的部位只有一條線，密封面之間存在一定的縫隙，長(zhǎng)時(shí)間海水浸泡環(huán)境中使海水介質(zhì)處于滯流狀態(tài)，引起縫隙內(nèi)金屬的縫隙腐蝕。

當(dāng)縫隙腐蝕形成并導(dǎo)致閥門密封面泄漏后，由于截止通過(guò)縫隙的流動(dòng)速度過(guò)快，夾有氣泡的海水沖擊密封面表面，并伴隨氣泡在密封面生成和破滅，可能產(chǎn)生湍流腐蝕和空泡腐蝕，進(jìn)一步加速閥門密封面的腐蝕，最終導(dǎo)致閥門密封面完全失效。

海生物附著在密封口，關(guān)閉閥門時(shí)容易造成密封口劃傷磨損，導(dǎo)致內(nèi)漏。閥門經(jīng)常關(guān)閉開啟，閥桿處填料磨損，未作緊固處理或未及時(shí)更換，造成閥桿處外漏海水和閥組周邊腐蝕。硬密封閥盤腐蝕情況見(jiàn)圖9。

圖9 硬密封閥盤腐蝕情況

2.4 減壓閥腐蝕原因

在海水減壓閥材料使用上考慮了防腐的需求。在實(shí)際使用中，海水減壓閥出現(xiàn)過(guò)閥盤腐蝕穿孔的現(xiàn)象，減壓閥膜片破裂，海水泄漏腐蝕閥上蓋導(dǎo)致其出現(xiàn)銹跡的現(xiàn)象。

海水減壓閥產(chǎn)生腐蝕的主要原因：由于海水減壓閥的閥上蓋采用鑄鋼(ZG 230-450)，不耐海水腐蝕。在海水減壓閥膜片破裂情況下，海水滲出腐蝕海水減壓閥的閥上蓋，腐蝕銹水從通氣孔流出。海水減壓閥的緊固件不耐凝水和泄漏海水腐蝕，造成緊固件銹蝕。

2.5 安全閥腐蝕原因

安全閥產(chǎn)生腐蝕的主要原因：安全閥材質(zhì)為鋁青銅，在海水條件下容易發(fā)生脫成分腐蝕，且脫鋁以選擇性溶解的方式進(jìn)行，腐蝕擴(kuò)展到一定程度會(huì)貫穿整個(gè)安全閥的厚度，引起海水泄漏。

3 治理措施

3.1 截止閥和截止止回閥腐蝕問(wèn)題治理措施

通過(guò)對(duì)腐蝕的現(xiàn)象、原因分析，對(duì)實(shí)船上海水系統(tǒng)的硬密封閥門進(jìn)行改進(jìn)，借鑒國(guó)外的技術(shù)，采用軟密封的密封面的青銅閥門代替硬密封的閥門在實(shí)船上進(jìn)行試用，效果良好，基本解決閥門閥盤腐蝕密封不嚴(yán)的問(wèn)題。軟密封閥門使用情況見(jiàn)圖10。

圖10 軟密封閥門使用內(nèi)部情況

設(shè)計(jì)中，海水系統(tǒng)的閥門宜選擇軟密封的截止閥、截止止回閥和隔膜閥，使閥門達(dá)到可靠密閉的效果。

3.2 減壓閥腐蝕問(wèn)題治理措施

海水減壓閥腐蝕的解決措施：將閥上蓋采用鑄鋼(ZG 230-450)更換為不銹鋼材質(zhì)解決生銹問(wèn)題，將閥體緊固件材質(zhì)更換為不銹鋼緊固件，在海水減壓閥組上加裝法蘭間式犧牲陽(yáng)極解決海水減壓閥腐蝕穿孔的問(wèn)題。法蘭間式犧牲陽(yáng)極的使用年限一般為3年，法蘭間式犧牲陽(yáng)極見(jiàn)圖11。

圖11 法蘭間式犧牲陽(yáng)極

3.3 安全閥腐蝕問(wèn)題治理措施

安全閥的腐蝕問(wèn)題需要尋找并試驗(yàn)?zāi)透g的材料，腐蝕處理手段只能修理并更換。鑒于安全閥因腐蝕會(huì)導(dǎo)致安全閥起跳后不能回座，安全閥泄放的管路在安裝視液鏡的情況下，直接排至舷外，防止海水泄漏至艙內(nèi)。

4 結(jié)論

在返廠維修的船舶中，均需要對(duì)大量的閥門進(jìn)行維修及保養(yǎng)，對(duì)閥門的密封面進(jìn)行打磨，對(duì)閥體外表面雜物和銹層進(jìn)行清除，對(duì)腐蝕嚴(yán)重的進(jìn)行更換，所需費(fèi)用較大。對(duì)船舶海水閥門的腐蝕問(wèn)題研究，不但能增加船用設(shè)備的安全性和可靠性，更具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。