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(gè)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(shí)，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(huì)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(shí)會(huì)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(shí)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(shí)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(shí)的電偶腐蝕作用越大；f為負(fù)值時(shí)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(shí)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(xiǎn)。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(shí)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(shí)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(huì)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(shí)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(shí)，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(dòng)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(gè)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(shí)(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(dòng)，使得Ecorr和Icorr不斷地減小，當(dāng)Ecorr移至與陽極電位相等時(shí)，金屬表面所有區(qū)域的電位差都等于零時(shí)，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(shí)，可優(yōu)先選用犧牲陽極保護(hù)；維修周期超過3年時(shí)，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(shí)采用犧牲陽極保護(hù)，超過10 A時(shí)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(jí)工程師，大學(xué)本科，研究方向?yàn)檠b備修理。

2013-12-17