某型船撓性接管法蘭腐蝕原因分析

趙宏博,王 釗,劉小杰,王 睿,董彩常

(1. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064； 2. 青島鋼研納克檢測(cè)防護(hù)技術(shù)有限公司，青島 266071)

撓性接管可以避免管路因剛性連接造成過(guò)大的振動(dòng)而損壞，強(qiáng)烈的振動(dòng)可在接管處被吸收或減弱，以達(dá)到保護(hù)管路、減小噪聲的目的[1-2]。為實(shí)現(xiàn)位移補(bǔ)償和減振降噪，某型船水泵在海水進(jìn)出口處安裝了撓性接管(橡膠管)，撓性接管兩端是起密封連接作用的金屬法蘭，橡膠管體與金屬法蘭之間采用硫化工藝連接。使用期間，法蘭密封面常因海水腐蝕導(dǎo)致滲漏。前期，采用直讀光譜儀測(cè)試發(fā)現(xiàn)金屬法蘭的鋅含量較高，懷疑法蘭發(fā)生腐蝕滲漏與其鋅含量過(guò)高有關(guān)。為明確該金屬法蘭發(fā)生腐蝕滲漏的原因，分別從兩根撓性接管的法蘭取樣，對(duì)其進(jìn)行了化學(xué)成分、組織及腐蝕區(qū)域結(jié)構(gòu)、成分的微觀分析。兩法蘭均已使用6 a。其中，1號(hào)法蘭與水泵出口端的撓性接管相連，凸臺(tái)變色，但未發(fā)生滲漏；2號(hào)法蘭與水泵的進(jìn)口端撓性接管相連，發(fā)生腐蝕滲漏。

1 理化檢驗(yàn)與結(jié)果

1.1 化學(xué)成分分析

從兩法蘭內(nèi)部基體中未受腐蝕影響區(qū)域取樣，采用電感耦合等離子體光譜法(ICP)對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果取3組平行樣的平均值，如表1所示。法蘭的制備材料為QAl10-3-1.5鋁青銅。

表1 測(cè)試法蘭的化學(xué)成分及標(biāo)準(zhǔn)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

由表1可見(jiàn)：1號(hào)法蘭的主要合金元素為錳、鋁、鐵，它們的含量均符合GB/T 5231-2012《加工銅及銅合金牌號(hào)和化學(xué)成分》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)QAl10-3-1.5鋁青銅的要求，但鋅含量略高于標(biāo)準(zhǔn)要求；2號(hào)法蘭中錳含量略高于標(biāo)準(zhǔn)要求，但鋁和鐵的含量低于標(biāo)準(zhǔn)要求，而元素鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求，其化學(xué)成分更接近于黃銅。

1.2 金相分析

采用金相顯微鏡對(duì)1、2號(hào)法蘭基體內(nèi)部未受腐蝕影響區(qū)域的材料(按照?qǐng)A周方向均勻選取三個(gè)位置)進(jìn)行金相分析。同一法蘭不同位置的組織基本相同，結(jié)果如圖1所示。

(a) 1號(hào)法蘭

(b) 2號(hào)法蘭

由圖1可見(jiàn)：1號(hào)法蘭的基體組織由α相(白色區(qū)域)，α+γ2共析體(黑色區(qū)域)和鐵相(黑色點(diǎn)狀[3])組成，其中α相為Al在Cu中的固溶體，α+γ2共析體中的γ2相連續(xù)分布于α基體相中；不同于1號(hào)法蘭，2號(hào)法蘭的基體組織基本由單一的白色α相組成，黑色共析體所占比例較小且不連續(xù)，晶粒尺寸遠(yuǎn)大于1號(hào)法蘭的，表現(xiàn)為黃銅的組織。

1.3 微觀形貌及能譜分析

在法蘭的密封表面及截面附近區(qū)域分別截取試樣，將試樣放置于丙酮溶液中超聲清洗，去除表面污漬，然后在掃描電鏡(SEM)下觀察記錄腐蝕區(qū)域的特征，包括腐蝕層形貌及結(jié)構(gòu)等。采用能譜(EDS)分析不同腐蝕特征區(qū)域的化學(xué)成分。

1.3.1 法蘭密封表面

圖2為1號(hào)法蘭密封表面(未變色區(qū)域)的微觀形貌。結(jié)果表明，其密封表面腐蝕坑不連續(xù)且蝕坑深度較淺、周圍較平整，因此使用密封墊片能夠有效填充蝕坑，使法蘭不漏水。表2為1號(hào)法蘭密封表面的能譜分析結(jié)果。結(jié)果表明，與1號(hào)法蘭基體相比，其密封表面的鐵含量提高，銅含量顯著降低，同時(shí)檢測(cè)到氧元素的存在，這說(shuō)明1號(hào)法蘭密封表面發(fā)生了選擇性腐蝕。

(a) 低倍

(b) 高倍

表2 1號(hào)法蘭密封表面的能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

2號(hào)法蘭為漏水法蘭，取樣位置為密封表面漏水變色區(qū)域，該區(qū)域有明顯的腐蝕坑，表面粗糙。從密封表面的微觀形貌(圖3)可以看到，其表面存在大量的裂紋，且深度較大，相互間存在連續(xù)的通道。能譜分析結(jié)果(表3)顯示，2號(hào)法蘭密封表面未發(fā)現(xiàn)鋅，而基體中鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到21%，這表明該處發(fā)生了嚴(yán)重的脫鋅腐蝕；另外，鋁含量相對(duì)于基體也出現(xiàn)了降低，這表明密封表面發(fā)生了選擇性腐蝕，鋁參與了腐蝕反應(yīng)脫離了密封表面。

(a) 低倍

(b) 高倍

表3 2號(hào)法蘭密封表面的能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.3.2 法蘭截面

從1號(hào)法蘭截面密封凸臺(tái)的4個(gè)位置(a,b,c,d)取樣，如圖4所示，然后采用掃描電鏡觀察其截面微觀形貌，結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明，在1號(hào)法蘭截面未發(fā)現(xiàn)腐蝕層，在靠近海水的一側(cè)截面邊緣(位置c和d)存在少量的腐蝕坑。總體來(lái)講，1號(hào)法蘭沒(méi)有發(fā)生明顯的腐蝕，密封效果良好，因此法蘭未發(fā)生海水滲漏。從圖6所示2號(hào)法蘭截面密封凸臺(tái)全部變色區(qū)域的4個(gè)位置取樣，進(jìn)行掃描電鏡觀察，結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明，2號(hào)法蘭發(fā)生了嚴(yán)重腐蝕，在靠近海水一側(cè)及密封表面附近存在明顯的腐蝕變色層，部分位置甚至發(fā)生了腐蝕脫落、形成裂紋，腐蝕層存在大量的腐蝕微孔及裂紋，表現(xiàn)為疏松的海綿狀。對(duì)腐蝕嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行微區(qū)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果(表4)表明，腐蝕區(qū)域中銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為92.97%，鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.29%，銅/鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)比顯著高于基體中的，這說(shuō)明腐蝕區(qū)域發(fā)生了嚴(yán)重的脫鋅腐蝕[4]。

圖4 1號(hào)法蘭截面的取樣位置

(a) 位置a，低倍 (b) 位置b，低倍 (c) 位置c，低倍

(d) 位置d，低倍 (e) 位置c，高倍 (f) 位置d，高倍

圖6 2號(hào)法蘭截面的取樣位置

2 腐蝕原因分析

根據(jù)2號(hào)法蘭腐蝕特征及泄漏情況可以推斷，該法蘭內(nèi)側(cè)最先接觸海水，發(fā)生脫鋅腐蝕，在基體內(nèi)形成孔洞和裂紋。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，海水不斷向內(nèi)部及周圍滲入，腐蝕向橫向以及縱向發(fā)展，最終形成貫通于整個(gè)密封面凸臺(tái)的腐蝕層。腐蝕層表面有腐蝕坑，導(dǎo)致密封不嚴(yán)；內(nèi)部孔洞和裂紋相互連接形成通道，在系統(tǒng)內(nèi)高壓作用下海水從通道泄漏[5-6]。由于密封墊片無(wú)法填充內(nèi)部孔洞和裂紋，因此法蘭經(jīng)過(guò)緊固后依舊不能實(shí)現(xiàn)止漏。

(a) 位置a，低倍 (b) 位置b，低倍 (c) 位置c，低倍

(d) 位置d，低倍 (e) 位置c，高倍 (f) 位置d，高倍

表4 2號(hào)法蘭腐蝕區(qū)域能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

發(fā)生滲漏的2號(hào)法蘭，其基體材料中鋅含量嚴(yán)重超標(biāo)，設(shè)計(jì)材料為鋁青銅，實(shí)際上為黃銅。在海水條件下,法蘭發(fā)生脫鋅腐蝕溶解并形成連續(xù)的微型通道發(fā)生泄漏。

3 結(jié)論

法蘭的設(shè)計(jì)材料為鋁青銅，但實(shí)際材料中鋅含量嚴(yán)重超標(biāo)，為黃銅，在海水中法蘭發(fā)生脫鋅腐蝕溶解并形成連續(xù)的微型通道發(fā)生泄漏。雖然，材料為鋁青銅的法蘭也發(fā)生了一定程度的腐蝕，但是腐蝕坑不連續(xù)，腐蝕程度較輕微，密封墊片能夠有效填充，使法蘭不致漏水。