楊青松，雷渡民，余 鵬

(91872部隊，廣東湛江 524000)

0 前言

某型船艙底積存油污水較多，鋼質部件腐蝕嚴重，雖焊有三元鋅犧牲陽極作為陰極保護措施，但從實船測的電位數(shù)據(jù)情況看，該型船艙底多處部位電位值差異較大。經(jīng)對該型船主機艙艙底進行電位測量，其造水機前方區(qū)域的電位為－600 mV(參比電極:Cu，CuSO4)，而2#泵前方及通海閥左右兩邊的電位在－860～ －954 mV。由于某型船艙底及船體均為為高強鋼，按照HSE(health and safety executive)［1－2］推薦高強鋼的陰極保護電位不能負于－870 mV的要求，某型船艙底保護電位范圍存在較大的誤差。由此可見，某型船目前的艙底保護設計電位范圍處于并非理想的范圍之內(nèi)，即現(xiàn)有艙底犧牲陽極未達到設計保護要求，有氫脆危險的隱患。特別是在犧牲陽極安裝部位，電位為犧牲陽極的電極電位，在－950 mV以上，存在極大的氫脆危害。因此，需重新研究調(diào)整該型船艙底的陰極保護設計，在綜合過去實驗結果的基礎上，進一步得出該型船艙底的準確陰極保護電位范圍，以便選用相對穩(wěn)定、誤差較小的低電位犧牲陽極對該型船艙底進行陰極保護，以避免不出現(xiàn)氫脆的危險。由于高強鋼對氫脆非常敏感，而相關標準和要求對其的陰極保護電位范圍較寬［3］，加上目前國軍標規(guī)定的船用犧牲陽極的電極電位均相當負，對某型船的艙底材料有極強氫脆危害。因此，解決上述問題的關鍵是要通過實驗摸清某型船的艙底材料的相對準確氫脆敏感電位，其次是根據(jù)得出的氫脆敏感電位，篩選出對某型船的艙底材料安全的低電位犧牲陽極材料，最終實現(xiàn)保護艙底減輕腐蝕的目的。

1 氫脆敏感性實驗研究

1.1 實驗材料

采用某型船艙底材料及船體材料921A裸鋼及涂層鋼。

1.2 實驗儀器

實驗儀器為恒應變速率實驗機。該儀器是最近新發(fā)展起來的一種快速評價材料應力腐蝕開裂(SCC)敏感性的先進手段，與傳統(tǒng)的恒載荷實驗機相比，其顯著優(yōu)點是測試速度快，可大大節(jié)約時間和試樣數(shù)量。試樣規(guī)格按照國標要求尺寸如圖1所示。

圖1 試樣尺寸

1.3 實驗方法

實驗方法為慢應變速率實驗;采用恒應變速率實驗機，通過斷裂應力σ、斷裂時間t、斷裂能E、氫脆系數(shù)FH等指標及斷口形貌特征的輔助分析，評定材料的應力腐蝕敏感性。

1.4 實驗結果及討論

圖2是實驗中不同極化電位下的氫脆敏感性。

圖2 不同極化電位下921A鋼氫脆系數(shù)的變化曲線

從圖2中不同極化電位下氫脆系數(shù)FH的變化曲線可看出:隨極化電位變負，氫脆系數(shù)呈現(xiàn)出先穩(wěn)定后總體增大趨勢。在自腐蝕電位正于－0.900 V的電位下，氫脆系數(shù)在3%左右波動，材料處于安全區(qū);在負于－0.900 V，氫脆系數(shù)迅速增加，當電位負于－0.940 V氫脆系數(shù)增至10%以上，表明氫脆敏感性迅速增強;在負于－1.020～－1.190 V范圍內(nèi)氫脆系數(shù)從25%增至40%材料進入危險區(qū)和脆斷區(qū)。

1.5 電化學測試實驗

采用2273電化學綜合測試系統(tǒng)測量試樣在彈性變形階段、均勻塑性變形階段、不均勻塑性變形階段和斷裂階段下的極化電流和電化學阻抗譜［4］，分析材料的電化學性能。將極化電流和交流阻抗結合分析可得出如下幾點。

1)在－0.74O V電位下，由于涂層防護電阻存在，拉伸初期材料阻抗值比較大，極化電流較小，發(fā)生均勻塑性變形后，涂層開始開裂，電極反應的阻力降低，極化電流有所增加，但直到涂層完全破裂失效，材料斷裂極化電流卻基本穩(wěn)定，沒有增大多少。

可見在拉伸過程中，在變形過程中隨裂紋的萌生、擴展，陰極反應更加容易，極化電流應當增大，但同時裂紋尖端形成微小的陽極，使陽極溶解的電流也有所增加。因此，總體上極化電流還是保持穩(wěn)定。由此可見，此時高強涂層鋼在海水中耐腐蝕的性能較好。同時，也說明材料陽極的腐蝕速率增加。在此電位下的應力腐蝕主要以陽極溶解為主，但材料的強韌性并沒有降低。

2)在－0.840～－0.890 V電位下，材料在發(fā)生變形的過程中，整個階段阻抗值都比較大，電極反應阻力很大。電極反應的阻力先增加后有所降低，極化電流先穩(wěn)定后增加，材料被保護的很好，與－0.740 V電位下相比，此電位下的電極反應阻力較大，說明陽極溶解程度較小，同時極化電流也較大，說明此過程由吸氧擴散控制反應。當材料進入不均勻塑性變形后，極化電流的增加，說明此時陰極進行的還有析氫反應。

3)在－0.940 V電位下，材料在均勻變形階段時電極反應的阻力也較大，但在－0.940 V電位下電極反應的阻力在不同階段變化與前者相比較小，但仍然是先增加又有所降低;極化電流先明顯降低再穩(wěn)定變化。說明在此極化電位區(qū)向內(nèi)，雖然材料的變形使陰極反應進行的更加容易，但極化電流的穩(wěn)定說明陰極反應仍是主要控制因素。在不均勻塑性變形過程中，Had沿變形中產(chǎn)生的裂紋進入材料內(nèi)部，并與位錯和滑移系交互作用，積累到一定程度會使材料強度不變但韌性有所降低，因此，此時材料強度沒有明顯變化，延伸率、斷面收縮率明顯有所降低。

1.6 斷口形貌觀察

在上述電化學實驗的基礎上，利用高倍金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察斷口的宏觀形貌及微觀形貌，并進行能譜分析。通過觀察不同條件下(極化電位)慢拉伸斷口的照片，可以看到在不同極化電位下，斷口存在不同的頸縮現(xiàn)象。在－810～－860 mV時，斷口有明顯的頸縮，表明未出現(xiàn)應力腐蝕現(xiàn)象;在－900 mV以后，頸縮已明顯減小，并在多個方向上出現(xiàn)了撕裂痕;在－1 050 mV后，斷口的頸縮已不明顯，并出現(xiàn)明顯的45°傾斜角，具有典型的脆性斷口的宏觀形貌。

1.7 實驗研究結論

所有實驗材料在極化電位正于－900 mV時，材料的氫脆系數(shù)很小，遠遠低于氫脆危險區(qū)，斷口也表現(xiàn)微孔聚集型的韌性斷裂;從負于－900 mV開始，斷面收縮率迅速減小，氫脆敏感性迅速增加，斷口開始出現(xiàn)準解理和溶解形貌復合的斷裂特征形貌;負于－990～－1 020 mV后，材料進入氫脆危險區(qū)，斷口出現(xiàn)解理、沿晶、穿晶等脆性斷裂的特征。

2 結束語

綜合上述實驗研究結論，按照HSE推薦高強鋼的陰極保護電位不能負于－870 mV的要求，確定選用電極電位范圍在－770～－850 mV的低電位犧牲陽極對某型船艙底進行陰極保護，方可保證艙底材料不會出現(xiàn)氫脆的危險。這與DNV offshore Standard(2000)［5］推薦屈服強度大于 550 MPa 的高強鋼 (其中921A鋼屈服強度為590 MPa)的保護電位范圍 (－770～－850 mV)相一致。

［1］Seong－Jong Kim，Seok－Ki Jang and Jeong－ⅡKim.Effects of post－weld heat treatment on optium cathodic protection potential of high－strength steel in marine environment conditions［J］.Materials Science Forum，2005，5:133－136.

［2］J.Billingham，J.V.Sharp.Review of the performance of high strength steel used off shore［J］.Health＆ Safety Executive，2003:111－117.

［3］翁永基，趙海燕.用絲束電極 (WBE)評價不銹鋼在NaCl溶液中點蝕敏感性 ［C］.2004年腐蝕電化學及測試方法學術交流會:武漢，2004:164－169.

［4］C.Batt，J.Dodson，M.J.Robinson.Hydrogen embrittlement of cathodically protected high strength steel in sea water and seabed sediment［J］.British Corrosion Journal，2002，37:194 －198.

［5］E.Lemieux，E.Keith and E.A.Hogan.Performance evaluation of low voltage anodes for cathodic protection［A］.NACE Intemational.Corrosion 2002 ［C］.Denver:NACE International，2002:1 －11.