島礁油料裝備的腐蝕特性及全壽命腐蝕控制策略

王爭榮，向永華，楊瀟，李永

（1.92228部隊，北京 100072；2.中國科學院理化技術(shù)研究所，北京 100190）

隨著島礁的建設和發(fā)展，越來越多的油料裝備部署到島礁進行保障。油料裝備主要是承擔油料運輸、儲存、加注等任務的油罐、泵站、過濾計量設備、加油車和輸送管線等設施設備、裝備器材。由于島礁苛刻的腐蝕氣候環(huán)境原因，油料裝備的腐蝕情況較內(nèi)陸及沿海地區(qū)更為嚴重。一是金屬材料的腐蝕問題，主要包括車輛底盤和上裝腐蝕。車輛底盤腐蝕生銹主要存在于尾氣管、支架、蹬車踏板等部位；上裝腐蝕生銹主要存在于踏板、基座平臺、結(jié)構(gòu)件、緊固螺栓（含放松墊圈）、電纜插頭、液壓管路和閥門等部位。此外，車輛暴露在外的螺母、車窗外邊框、天窗蓋合頁、焊接接縫處、排氣管、鋼板彈簧腐蝕以及各種輸油管路、閥門、轉(zhuǎn)換接頭、油泵機組底座、流量計、過濾器及其配套的螺栓螺母等油料設施設備、器材銹蝕也非常嚴重，嚴重影響油料裝備及器材的保障效益和使用壽命。二是橡膠、塑料、合成材料等非金屬材料，主要存在老化加速、強度減弱、變脆易碎等情況。三是電子裝備出現(xiàn)的腐蝕，主要是電路板、線路接頭、插頭等容易出現(xiàn)氧化，導致線路打火、短路、斷路、連接不穩(wěn)定、裝備性能下降等問題發(fā)生，影響裝備使用。上述腐蝕問題降低了油料裝備的完好率和部隊的保障能力。

目前，國內(nèi)在油料裝備及其附件的腐蝕失效機理及其防護控制研究方面，還缺乏系統(tǒng)性和理論研究支撐，島礁保障人員對油料裝備的腐蝕防護與控制措施還缺乏必要的手段。因此，針對南海島礁的環(huán)境特點，開展油料保障裝備的腐蝕分析和防護策略研究，對提高油料裝備完好率和保障能力具有至關(guān)重要的作用和意義[1-4]。

1 西南沙島礁環(huán)境典型特征及其腐蝕等級

由于西南沙海域接近赤道，接受太陽輻射的熱量較多，年平均氣溫為25～28 ℃。最冷月份的平均溫度在20 ℃以上，最熱時，極端溫度達33 ℃左右，一年中溫差較小。南沙及其鄰近海區(qū)濕度相對較高，年平均相對濕度達 83.6%。南沙及其鄰近海區(qū)溫度和相對濕度的平均數(shù)值見表1。除高溫和高濕外，西南沙島礁區(qū)域?qū)儆趶娙照窄h(huán)境，年平均太陽輻射總量為1820.04 J/(cm2·d)。4—6 月平均太陽輻射總量為2092 J/(cm2·d)，為全年最高值。

表1 南沙及其鄰近海區(qū)溫度和濕度平均值Tab.1 Mean temperature and relative humidity of Nansha and its adjacent area

通過ISO 9223-9226大氣腐蝕分級分類標準，西南沙島礁海域的大氣環(huán)境下鋼、鋁合金、銅合金以及鋅的腐蝕速率見表2。據(jù)此可判斷該區(qū)域的腐蝕環(huán)境等級應該為C5級，具有較為廣泛的南海嚴酷環(huán)境代表性[5]。

表2 通過腐蝕速率分類西沙大氣腐蝕等級Tab.2 Classification of atmospheric corrosion grade of Xisha by corrosion rate

2 西南沙島礁環(huán)境對油料裝備腐蝕的影響及其腐蝕形式

2.1 島礁環(huán)境對油料裝備金屬構(gòu)件的影響

島礁油料裝備所處的自然環(huán)境惡劣，晝夜溫差大，夜晚容易在其表面形成冷凝水汽。沿海地區(qū)空氣中含有大量隨海水蒸發(fā)的鹽分，其溶于小水滴中，便形成濃度很高的鹽霧。鹽霧對油料裝備的腐蝕作用主要表現(xiàn)在兩個方面[6]：一是直接作用，即鹽霧會腐蝕油料裝備的金屬部件，當材料表面的相對濕度達到露點時，就會在材料表面形成一層薄液膜，污染氣體、灰塵等就會溶解于其中，形成腐蝕性電解液，金屬部件產(chǎn)生均勻腐蝕，即整個金屬表面以幾乎相同的速度進行腐蝕，無明顯的腐蝕形態(tài)差別。

在油料裝備上，均勻腐蝕的主要部位有：踏板、基座平臺、結(jié)構(gòu)件以及車輛暴露在外的螺母、車窗外邊框、天窗蓋合頁等表面部位。均勻腐蝕是油料裝備中廣泛存在的腐蝕形式，如圖1所示。

另一方面是島礁的三高環(huán)境對油料裝備的間接作用，即會改變油料裝備周邊的環(huán)境條件。油料裝備作為結(jié)構(gòu)復雜的金屬多元體，組成材料成分復雜。裝備長期受到島礁潮濕大氣的腐蝕作用，在使用期間會與海水這種強電解質(zhì)接觸。不同的金屬有不同的電極電位，在海水這種電解質(zhì)中，油料裝備中異種結(jié)構(gòu)件就會構(gòu)成嚴重的電偶腐蝕[7]，如圖2所示。

圖1 油料裝備的均勻腐蝕Fig.1 Uniform corrosion of oil equipment

圖2 油料管線及閥門（電偶腐蝕）Fig.2 Oil pipeline and valve(galvanic corrosio)

油料裝備中的許多結(jié)構(gòu)都是由眾多零部件連接而成的，這些連接部位可能出現(xiàn)縫隙，為縫隙腐蝕創(chuàng)造了有利的條件。這些縫隙在化學介質(zhì)中，會形成閉塞電池腐蝕，電解質(zhì)一旦進入縫隙，就會長期存在里面。縫隙距離較寬時，導電阻力較小，易形成連續(xù)、長期的電化學腐蝕，腐蝕速率加快。油料裝備產(chǎn)生縫隙腐蝕的主要部位較多，如焊縫氣孔、法蘭連接面、緊配合的軸銷、零部件的連接處等。

高溫氧化腐蝕在油料裝備中也是一種十分典型的腐蝕類型，如發(fā)動機的排氣支管（圖3），所處的溫度較高，發(fā)動機排出的廢氣，更加劇了這些高溫部件的腐蝕。此類腐蝕對高溫部件的危害是極其嚴重的。

圖3 油料裝備排氣管道高溫腐蝕Fig.3 High temperature corrosion of oil equipment exhaust pipe

2.2 島礁環(huán)境對儲油罐體腐蝕影響

島礁環(huán)境不僅會腐蝕油料裝備的金屬構(gòu)件，還會對儲油罐體安全構(gòu)成危害。儲油罐體的環(huán)境影響失效過程如下：在島礁長時間日照輻射傳熱的作用下，油料罐體持續(xù)吸收熱量，吸收了超出正常設計范圍的大量輻射熱，熱量通過罐體向內(nèi)部傳遞，導致罐體內(nèi)部溫度不斷升高。溫度的升高使得罐內(nèi)壓力逐漸升高，當壓力超過密封件所能承受的臨界壓力時，密封件破裂；當壓力降低到外部環(huán)境壓力后，罐體通過泄露孔發(fā)生介質(zhì)交換，外部潮濕空氣進入罐體加速了腐蝕速率。

當密閉罐體發(fā)生換氣時，會使裝備與外部環(huán)境發(fā)生介質(zhì)交換，致使大氣環(huán)境中含有的霉菌、鹽霧等腐蝕性成分的濕熱空氣進入油料罐體內(nèi)部。此外，濕熱環(huán)境也會加速裝備表面防腐涂層和橡膠密封件的失效，從而導致過早出現(xiàn)防護涂層的起泡、龜裂、脫落、密封件老化、潤滑劑黏度降低等。

3 油料裝備全壽命腐蝕控制研究

3.1 油料裝備腐蝕故障數(shù)據(jù)收集和分析以及關(guān)鍵防腐技術(shù)研究

目前國內(nèi)島礁環(huán)境下裝備腐蝕研究主要通過實驗室加速腐蝕模擬的方式獲得基礎數(shù)據(jù)[8]，島礁實際環(huán)境下材料腐蝕數(shù)據(jù)缺乏。針對這一研究現(xiàn)狀，依托北京科技大學“國家材料腐蝕與防護數(shù)據(jù)中心”，并結(jié)合實地調(diào)研，開展針對南海島礁環(huán)境下使用的油料裝備的腐蝕數(shù)據(jù)進行收集、分析和挖掘利用，確定腐蝕薄弱環(huán)節(jié)、易腐蝕部位、易腐蝕部件的類型，明確技術(shù)攻關(guān)的方向，了解油料裝備的耐腐蝕設計和控制基礎。另一方面，開展油料裝備在島礁環(huán)境下腐蝕防護關(guān)鍵技術(shù)研究，通過實驗室加速和實際環(huán)境對比試驗研究，確定島礁環(huán)境下油料裝備特征腐蝕形式和機理，建立腐蝕因素關(guān)系模型，獲得油料裝備在島礁環(huán)境下性能演化的基本規(guī)律[9]。

3.2 油料裝備腐蝕控制一體化解決方案

1）島礁環(huán)境下油料裝備的防護體系設計原則。為確保島礁裝備在西南沙海洋環(huán)境下的結(jié)構(gòu)完整性、使用壽命和可靠性，防護體系應由結(jié)構(gòu)材料表面的金屬防護層或化學覆蓋層外加有機涂層組成。針對該防護體系的設計原則如下：為應對苛刻的海洋環(huán)境，島礁裝備的金屬結(jié)構(gòu)防護體系需采用立體復合厚膜化模式（立體復合：表面處理+防銹底涂層+屏蔽中間涂層+耐候面，涂層；厚膜化：在不影響使用的前提下應提高涂層厚度，參照ISO 12944推薦的300～400 μm以上）；2）金屬基材、金屬鍍覆層/化學覆蓋層和有機涂層應良好相容，防護體系應有良好的附著力（10 MPa以上），防護體系的耐腐蝕性、耐大氣老化性能、“三防”性能以及涂層系統(tǒng)內(nèi)之間的適配性和工藝性應經(jīng)過相應標準檢驗（如ISO 12944）；選擇合適的表面處理方式，確保涂裝體系與不銹鋼基材的良好附著，同時注意檢查涂層的完整性，防止基材在涂層保護下的局部腐蝕；在工況允許的條件下，可以通過選擇烘烤、粉末涂料等性能優(yōu)異的涂料涂裝工藝確保防護體系的有效性；印刷電路板應采用高質(zhì)量的三防漆，在不影響性能的前提下，適量增加涂層厚度；嚴格管理涂裝全過程，涂料質(zhì)量驗證、涂裝前基材處理、涂裝環(huán)境控制、涂裝工藝管理、涂裝后涂層質(zhì)量檢驗與養(yǎng)護的各個過程都需進行嚴格管理。

2）發(fā)展綜合性能優(yōu)良的油料裝備耐蝕關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料。針對島礁苛刻的腐蝕環(huán)境，油料裝備中關(guān)鍵的耐蝕結(jié)構(gòu)件多采用不銹鋼材質(zhì)，以提升裝備的保障性能。對于不銹鋼材料而言，雖然面心立方結(jié)構(gòu)的（奧氏體）不銹鋼（如 304不銹鋼、316不銹鋼等），具備了優(yōu)異耐腐蝕能力，可以有效抵抗 Cl-的侵蝕，但這類材料強度偏低。如果通過冷加工提高其強度，又會顯著降低其抗腐蝕性能和疲勞性能。馬氏體不銹鋼盡管在常溫下具有良好的強度、韌塑性和熱加工性能，但其體心立方結(jié)構(gòu)，有利于 Cl-和氫的擴散，容易造成材料的腐蝕破壞和氫致開裂，尤其是抗應力腐蝕性能較低，同樣不能滿足關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件對耐腐蝕性能及使用壽命的需求。為保障島礁環(huán)境下油料裝備的長期保障能力，急需研發(fā)一種高性能的油料裝備用耐蝕合金材料，以打破無材料應對方案的困局。

近年來快速發(fā)展的高熵合金，憑借其優(yōu)異的綜合性能而引人注目，為我國島礁環(huán)境下油料裝備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料的研制提供了一個全新的方向[10-11]。在眾多高熵合金體系中，以Co、Cr、Fe、Ni等為主要組元的面心立方結(jié)構(gòu)（FCC）單相高熵合金具有“優(yōu)秀的耐腐蝕能力”已經(jīng)成為國際共識。現(xiàn)有研究表明，該類材料具有均勻的無序固溶體結(jié)構(gòu)，其表層易形成穩(wěn)定的高熵化非晶鈍化膜，導致其在NaCl、H2SO4、NaOH等溶液中具備高腐蝕電位、低腐蝕電流密度、高點蝕電位和寬鈍化范圍的突出特性，表現(xiàn)出了超越奧氏體不銹鋼的電化學穩(wěn)定性，見表3[12-17]。更可貴的是，F(xiàn)CC單相高熵合金還可有效抵抗氫原子的擴散和侵蝕，抗氫脆性能也優(yōu)于奧氏體不銹鋼[18-22]。此外，有關(guān) FCC單相高熵合金強化機制的研究工作也已取得長足進展，形變強化、細晶強化、析出強化等強化措施均被證實可有效提升合金的強度。其中，析出強化方法因效果顯著、工藝成熟度高而最受關(guān)注。實驗證明，合理調(diào)整合金成分和加工工藝，可獲得室溫拉伸強度≥1200 MPa，且塑性變形量>15%的高熵合金體系，其力學性能完全滿足島礁苛刻腐蝕環(huán)境使用的要求。因此，基于這種兼具優(yōu)異耐腐蝕性能和力學性能的新型材料體系開發(fā)的油料裝備用耐蝕部件，有望實現(xiàn)油料裝備耐腐蝕性能跨越式提升。

表3 典型FCC高熵合金在3.5% NaCl溶液中的電化學腐蝕性能（參比電極：SCE）Tab.3 Electrochemical corrosion performance of typical FCC high entropy alloy in 3.5% solution(reference electrode: SCE)

3.3 油料裝備腐蝕維護策略

成功的油料裝備腐蝕控制依賴于一個全面的維護和保養(yǎng)策略。在油料裝備維護、維修和保養(yǎng)方面，每一個相關(guān)人員都需要進行腐蝕檢查、維修和保養(yǎng)方面的培訓。建立完善管理制度，成立腐蝕防護與控制辦公室或腐蝕防護聯(lián)合攻關(guān)團隊，確立責任制，完善機制管理，制定控制文件，建立油料裝備腐蝕控制管理體系、完善腐蝕控制文件體系以及腐蝕控制人員培訓系統(tǒng)[7-8]。維護保養(yǎng)的目的是保證裝備能夠正常地工作，并適當?shù)匮娱L使用壽命，在裝備由于腐蝕原因而導致性能出現(xiàn)下降時，應對腐蝕進行及時的處理，一般流程如圖4所示。最后，對裝備開展全壽命腐蝕控制評價。

圖4 油料裝備腐蝕維護策略Fig.4 Corrosion maintenance strategy of oil equipment

3.4 整體技術(shù)路線

針對目前油料裝備在島礁環(huán)境下腐蝕機理認識不足、防護對象不明確、維護方法不科學的現(xiàn)狀，提出島礁油料裝備的全壽命腐蝕控制技術(shù)路線，如圖5所示。

圖5 油料裝備腐蝕控制研究整體技術(shù)路線Fig.5 Overall technical route of corrosion control research of oil equipment

4 結(jié)語

腐蝕是島礁油料裝備在使用過程中面臨的重要關(guān)鍵問題之一，不僅影響其保障效能，對后續(xù)維修和保養(yǎng)也影響巨大。文中針對油料裝備的使用環(huán)境特征、腐蝕失效現(xiàn)象以及腐蝕機理進行了系統(tǒng)的分析，提出開展油料裝備腐蝕故障數(shù)據(jù)收集和分析以及全壽命腐蝕控制研究作為今后的重點研究方向。最后針對腐蝕不同的機理特征，提出了油料裝備全壽命腐蝕控制策略，為島礁油料裝備的腐蝕壽命預測、維修與保養(yǎng)提供技術(shù)支持和理論指導。