海洋環境中水下機械裝置運動配合表面防腐方法研究*

張印桐　劉　軍　馬　超　趙　慧　段立志　余征宇　王立權

（1.深圳海油工程水下技術有限公司，廣東深圳 518067；2.哈爾濱工程大學，黑龍江哈爾濱 150001）

海洋環境中水下機械裝置運動配合表面防腐方法研究*

張印桐1劉軍2馬超1趙慧2段立志1余征宇1王立權2

（1.深圳海油工程水下技術有限公司，廣東深圳 518067；2.哈爾濱工程大學，黑龍江哈爾濱 150001）

基于目前面臨的海洋環境下機械運動表面的腐蝕問題，從國內外常用防腐方法進行分析，提出原有方法的優缺點，并提出了我們目前采用的一種新型防腐方法——鎳磷金屬鍍層。對該方法的化學機理上進行分析，研究其對水下機械運動配合表面的的適用性，對海洋機械防腐方面提出了自己的見解。

海洋腐蝕 腐蝕防護 鎳磷合金

我國擁有遼闊的海域面積，擁有眾多大小形態各異的美麗島嶼。海洋上蘊藏著大量的可利用資源并且能夠創造出很多海上產業，能夠為我國綜合發展提供強大的物質基礎。水下石油/天然氣生產系統具有成本低、周期短、效益高并且可靠性較好的特點，成為了世界各國石油開采關注的對象。海洋石油/天然氣的開采要用到大批的管道，并且需要將其在海底進行布置，所以海底管道的布置和安裝成為海洋開發的重要部分。國外的水下管道對接技術早就研究的很成熟而我國的技術還較為落后，與國外有很大的差距。為了得到更大的國家利益，研發具有自主核心技術的海洋連接技術是我們研究的核心。其中由于海洋的工作環境惡略，給海上生產設備造成了強烈的腐蝕性，對生產設備的壽命和海上生產安全產生了嚴重的影響，并且也造成了經濟上的損失。所以，海洋防腐技術已經是我國開發海上產業的一個待解決的技術問題［1］。

水下連接器的工作環境比較復雜，首先，它處在深水海洋環境中，遭受著海水的腐蝕、高壓、沖擊等［2］。其次，他在工作狀態下受到石油的高溫和壓力作用，更加速了其受到的腐蝕的作用。水下連接器在安裝、更換密封圈、拆卸等過程中是運動的，而且對運動精度有著較高的要求。這些運動的構件對于防腐則有著較高的要求。依據項目要求，我們通過參考國內外的防腐技術并結合自身材料和工作環境要求，提出了解決連接器運動部件的防腐方法——鎳磷鍍層技術。

1　非運動表面的防腐技術

目前，從國內外常用的海洋非運動表面防腐技術來看，主要有三大類:涂料防腐、電化學保護技術和熱噴涂技術。這三種技術廣泛應用與海洋生產設備防腐的技術中，他們的應用各有不同的適用特點，世界上各大海洋石油公司都將這些方法研究的成熟，運用的如火純青。

1.1防腐涂料

防腐涂料在工業應用范圍很廣，經過多年的實踐證明，防腐涂料早已成為海洋鋼結構防腐的非常有效的手段。所以，在開發與研制海洋平臺、海洋機械設備與水下作業工具的同時，要充分利用好海洋防腐技術，使海洋防腐涂料與其他海洋防腐技術相結合以充分提高海上設備的壽命。海洋涂料主要分為的兩大類是海洋防腐涂料和海洋防污涂料［3］。由于腐蝕原理的不同又可以分為鋼結構與非鋼結構防腐涂料。

1.2電化學保護

電化學保護是海洋防腐常用的手段，其中陰極保護最為普遍。利用廢鐵充當犧牲陽極并結合外加的直流電源對陰極金屬予以保護。陰極防腐保護法又由外加點了保護和陰極保護飛組成。犧牲陽極法是通過利用一種電位更低的金屬來作為陽極金屬，以保護我們所用的材料，將二者相連已達到抗腐蝕的目的。金屬管道與陽極金屬之間存在電位差，楊進金屬的的電流逐漸流出從而慢慢被消耗。這樣保護了管道金屬，使管道金屬不受到腐蝕。陽極金屬的選擇是根據被保護金屬和維護條件等諸多因素決定的。外加電流法利用一個攜帶有輔助陽極的直流電源給帶保護金屬通陰極電流來達到對待保護金屬防腐蝕的目的［3］。電化學保護能夠對海洋設備起到較為理想的保護，也成為海洋防腐方法中應用很廣的一種方法。

1.3熱噴涂

熱噴涂是利用熱源把氧化物、碳化物、合金等材料加熱至熔融或半熔融狀態，然后用氣流高速的將這些材料用霧化的形式噴射到待噴涂金屬表面，其中，熱源一般用激光、液體燃料、等離子電弧等［4］。目前，熱噴涂技術仍處在技術開發與應用的初級階段?，F階段應用的電弧線熱噴涂技術所噴涂的涂層的使用壽命能夠達到30年以上，并且也均有很好的經濟性，有很好的應用前景。

2　運動表面的防腐問題

運動機構表面的防腐不同于非運動機構，相對于非運動機構的防腐，運動機構由于有力的作用，防腐表面更易磨損。運動機構對運動接觸面精度要求相對較高，所以對其防腐就有更嚴格的要求，以保證在海洋環境下長期的機械性能。

腐蝕對材料力學性能的影響:金屬材料在海水的腐蝕作用下，材料的耐磨性能，抗疲勞強度等材料性能都會大幅度降低，嚴重影響機械性能。

腐蝕對運動表面的影響:運動表面在被海水腐蝕后，其表面耐磨性降低、表面粗糙度增加，嚴重影響機械運動和正常的水下作業。

腐蝕對配合表面配合精度的影響:配合表面對表面粗糙度和尺寸要求較高，如果在海水的腐蝕下，配合表面粗糙度增加并產生變形，會影響配合精度，甚至影響機械的正常運行，發生泄漏等事故。

防腐涂層耐磨性差，大多用在非運動防腐。對于水下運動表面防腐應該應用耐磨性較高的防腐方法。在工程上我們目前應用鎳磷鍍層技術。

3　用于海洋自然環境的鎳磷鍍層技術

鎳磷鍍層的有著電鍍不能超越的均鍍能力。并且，鎳磷合金鍍層的特點是擁有很好的耐磨和耐腐蝕。目前，已經廣泛應用與電子、化工、汽車等諸多行業。對于鎳磷的化學鍍層已經有了很多的研究，但是在鎳磷合金多層應用與海洋環境用于防腐仍很少見到［5］。

我國的南海海域有著極為復雜的海洋環境。強光輻射、高濕、高熱和高鹽霧等都是南海的復雜環境。對于在南海海域工作的設備和使用材料都應該有更為嚴格的耐腐蝕要求。這對南海的石油開采造成了巨大的考驗。

鎳磷化學鍍的反應理論看起來較為復雜，但通過鍍層的每一個過程和反應條件來分析，人們也總結出了四點通俗易懂的理論:

（1）在化學鍍的過程中鎳磷鍍液的PH值會慢慢下降；

（2）鎳磷化學鍍應該在擁有較高催化活性的介質上反應；

（3）沉積的速度由鎳磷鍍液PH值的上升而增加，其中的磷含量將會下降；

（4）在鎳磷化學鍍的反應中會有氣體產生，有反應元素可知應該生成氣體為H2。有反應物和反應條件可以知道中的H一半來源于H2PO，一半來源于H2O。

根據反應原理，可以得到總的化學鍍的反應方程式為:

由化學反應原理可以知道，化學反應粒子需要依靠在活性較高的催化劑表面才能反應。下面用化學反應表達式來說明鎳磷化學鍍的過程:

鍍層的硬度是在眾多能夠對鍍層的表面耐磨性產生影響的因素中最為直接的。在研究中發現，鍍層的耐磨性隨著其硬度的提高而上升。而其硬度又由其晶化處理的程度所決定。其中，的彌散、Ni的固溶體和一些其它鍍層中的強化粒子都對鍍層硬度起到了強化的作用。在鍍層處在非晶態結構并且在相析出之前，其硬度不高［6］。如果相互作用的運動副為摩擦副，則會由于材料中的金屬粒子與Ni有很好的互溶性使得兩種粒子具有很大的結合力。

在摩擦是由于摩擦副的作用容易在接觸處產生結構的變形，并且會在切向力的作用下損壞金屬層；在鍍層處在晶態結構但晶化程度較低時，鍍層也會有遺留的非晶化結構［7］。這時已經具有較高的硬度，但是由于有非晶化結構，導致所受到的支撐不足，所以也會在摩擦時遇到脫落的現象；在金屬鍍層處在完全的晶化結構，并且晶化后的晶粒均勻的排列在金屬鍍層中。其中不僅金屬鍍層的硬度大幅度提升，而且也得到了充分的支撐，使得金屬鍍層很好的施展了他的耐磨能力［1］。

4　結語

綜上所述，在海洋環境機械運動配合表面防腐要求較高，傳統防腐方法不能很好的適應需求。我們目前采用的鎳磷金屬鍍層的方法有較高的耐磨性和耐腐蝕性，能夠滿足海洋環境下機械運動配合表面的防腐需求，為我們在水下設備研制方面提供了很好的前提條件。為今后水下設備腐蝕防護研究提供了參考。

［1］王立權，王文明等.深海管道法蘭連接方案研究［J］.天然氣工業，2009，29（10）：89.

［2］曹宏建.水下連接器測試裝置的研制［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2003：12～14P.

［3］王鳳平，康萬利，敬和民.腐蝕電化學原理方法及應用［M］.北京：化學工業出版社，2008.

［4］孔江波，游濤.金屬熱噴涂防腐技術用香料生產設備防腐［J］.江西化工，2012.

［5］王迎春，馬壯，呂廣庶，等.化學鍍Ni-P合金的耐磨性研究［J］.材料工程，2000（8）：25-27.

［6］劉宏，卞建勝，李莎，張彪.化學鍍鎳磷基合金鍍層耐磨性的研究進展［J］.表面技術，2012.

［7］Fang Jingli（方景禮）.Acta Chimica Sinica（化學學報）［J］，1983，41（2）：129.

［8］Yin X，Hong L，Chen Bet al.Journal of Colloid and InterfaceScience［J］.2003，262（1）：89.

十二五國家科技重大專項“水下生產系統失效模式分析及應急維修技術應用”（項目編號：2011ZX05056-002-04）。