島礁裝備設(shè)施腐蝕現(xiàn)狀及腐蝕控制策略研究

向永華，王爭榮，曹京宜，韓冀川，臧勃林，王向向

（92228部隊，北京 100072）

南海島礁屬于熱帶海洋性季風氣候，各型裝備面臨高溫、高濕、高鹽霧和強紫外線輻照的考驗，與大陸、海岸及沿海相比，島礁的腐蝕環(huán)境更加惡劣，材料的腐蝕速率更大。例如，南海島礁環(huán)境，鋼在海霧飽和的空氣中的腐蝕速率是干凈大氣中的8倍，這導(dǎo)致裝備設(shè)施的腐蝕率明顯高于近海工程。腐蝕對島礁裝備設(shè)施的危害嚴重，不僅會導(dǎo)致裝備外觀破壞、零部件尺寸減少、機械強度降低、原有功能喪失、使用壽命縮短，有些零部件甚至會出現(xiàn)裂紋或脆性斷裂而造成嚴重事故，嚴重影響裝備設(shè)施的完好率和勤務(wù)保障能力。文中結(jié)合了南海島礁裝備設(shè)施的腐蝕現(xiàn)狀，分析其腐蝕原因，并提出了加強腐蝕控制的策略[1-5]。

1 南海島礁裝備設(shè)施服役環(huán)境情況

南海島礁的年平均氣溫為28～30 ℃，夏季地表溫度高達60 ℃；雨量充沛，年降水量2800 mm以上。南沙平均相對濕度為82%，最大為100%，最小為47%，全年平均相對濕度均在金屬腐蝕臨界濕度的70%以上；南沙地區(qū)的風速多為3～6級；空氣中的鹽霧含量在0.3～1.5 mg/m3之間，是大陸沿海地區(qū)的1.5倍[6]。

圖1為南海西南沙地區(qū)與其他典型環(huán)境站點的環(huán)境因素對比，可知，無論是年平均溫度、降雨量、日照時間，還是年Cl?沉降率，都顯著高于其他站點地區(qū)。根據(jù)實測環(huán)境數(shù)據(jù)分析，美濟礁、永暑礁、琛航島呈現(xiàn)高溫、高濕、強輻射的特征，普遍具有高鹽霧的海洋大氣環(huán)境特征，海鹽粒子含量高。南海島礁大氣腐蝕嚴酷度較高，美濟礁、永暑礁、琛航島對鋼的腐蝕等級達到了CX級；對鋁、鋅的腐蝕等級達到了C5級；對銅的腐蝕等級達到了CX或C5級。南海美濟礁、永暑礁按黃色指數(shù)性能劃分的高分子材料老化嚴酷度等級為CX級；按缺口沖擊強度性能劃分的高分子材料老化嚴酷度等級為C4級。

圖1 南海島礁與國內(nèi)典型站點環(huán)境因素對比 Fig.1 Comparisons of environmental factors between South China Sea and typical sites in China: a) annual average temperature of each region; b) annual rainfall of each region; c) annual sunshine duration in each region; d) annual Cl? deposition in each region

2 南海島礁裝備設(shè)施腐蝕現(xiàn)狀

2.1 金屬材料

裝備設(shè)施金屬基材表面主要存在表面銹蝕、點蝕、剝層等腐蝕現(xiàn)象。島礁裝備設(shè)施的腐蝕通常從薄弱部位開始，然后逐步向其他部位蔓延。腐蝕薄弱部位通常出現(xiàn)在一些接縫、凹槽、內(nèi)表面、內(nèi)角等不易保養(yǎng)的部位，以及法蘭、焊縫、螺栓連接部位等。車輛裝備腐蝕比較嚴重的部位是底盤、車輪、擋泥板、車底板等，這些部位常與泥砂、礦石和水氣接觸，極易劃傷漆膜，破壞其完整性、連續(xù)性，使金屬裸露，一旦接觸到水、氧氣和氯離子，就會引發(fā)銹蝕。裝備的排氣管、消聲器等在運行時處于高溫狀態(tài)，工作時 達600 ℃以上，目前普遍采用有機硅鋁粉漆進行涂裝，但防腐效果不理想，存在排氣管涂膜龜裂、脫落，基材銹蝕嚴重等問題。圖2為南海島礁鋼結(jié)構(gòu)裝備設(shè)施的腐蝕情況。

圖2 南海島礁裝備設(shè)施銹蝕情況 Fig.2 Corrosion conditions of equipment and facilities serving on reefs of the South China Sea: a) seawater pipeline of power station; b) seawater desalination equipment

2.2 橡膠、塑料、合成材料等非金屬材料

裝備設(shè)施中非金屬基材主要存在老化加速、強度減少、變脆易碎等情況。電子裝備的腐蝕主要是由電路板、線路接頭、插頭等的氧化引起的，從而導(dǎo)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，影響裝備的使用。對于電路板受腐蝕損壞的情況，屬元器件受損的，由修理部門更換電子元器件進行修復(fù)；電路板損毀無法修復(fù)的，采取換件方式修理。對于接頭、插頭出現(xiàn)的氧化情況，主要采取去 除氧化層的方式進行保養(yǎng)。對于部分裝備光電部件，有時也采取定期通電檢查、短時運行等方法除濕防潮。

3 南海島礁裝備設(shè)施腐蝕原因初探

造成島礁裝備腐蝕問題頻發(fā)的原因是多方面的，主要包括以下幾點[7-11]：

1）服役環(huán)境十分嚴酷，這是導(dǎo)致其腐蝕問題嚴重的客觀原因。

2）在裝備設(shè)施的前期部署論證中，對熱帶海洋環(huán)境影響效應(yīng)的考慮不夠充分，頂層指標論證缺失。

3）裝備本身材料、工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)等方面帶來的缺陷。受技術(shù)水平限制，裝備設(shè)施在設(shè)計階段中的結(jié)構(gòu)選材、防腐蝕設(shè)計和防腐蝕工藝存在較大不足，加之針對南海島礁環(huán)境的環(huán)境適應(yīng)性考核驗證不充分，導(dǎo)致材料的選擇及結(jié)構(gòu)的設(shè)計等方面存在“先天不足”。

4）對裝備設(shè)施的環(huán)境試驗鑒定考核不充分，無法充分暴露裝備在南海島礁環(huán)境中腐蝕的薄弱環(huán)節(jié)。多型裝備按照國軍標標準開展了島礁環(huán)境適應(yīng)性的改進鑒定試驗，但依然在短時間內(nèi)爆發(fā)故障。

5）腐蝕防控工作針對性不強。現(xiàn)有裝備設(shè)施運行時間短，維護及管理人員對腐蝕規(guī)律的研究不夠，檢查與使用維護規(guī)程等有關(guān)技術(shù)文件多參考歷史服役數(shù)據(jù)，與島礁嚴酷的腐蝕環(huán)境不匹配。另外，在使用維護與腐蝕監(jiān)控方面也缺少有效的技術(shù)措施。

6）后期維護使用過程中缺乏行之有效的防腐蝕配套產(chǎn)品及相關(guān)實施標準、規(guī)范，現(xiàn)有大部分腐蝕維護方案及耗材（材料、工藝、清洗、緩蝕、原位修理等）未經(jīng)有效腐蝕試驗驗證即投入使用，其防護效能及壽命無法得到有力保障。

4 島礁設(shè)施設(shè)備腐蝕控制策略研究

4.1 加強南海島礁地區(qū)的環(huán)境及腐蝕數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用[12]

環(huán)境數(shù)據(jù)采集：加強系統(tǒng)收集南海島礁環(huán)境大氣及裝備局部區(qū)域的氣象環(huán)境因素及介質(zhì)環(huán)境因素等數(shù)據(jù)。按環(huán)境因素對裝備的作用強度、作用時間統(tǒng)計分析，建立各區(qū)域氣象環(huán)境因子、介質(zhì)環(huán)境因子的數(shù)學模型或函數(shù)關(guān)系，編制南海島礁地區(qū)大氣及局部腐蝕環(huán)境譜，為裝備腐蝕防護論證和指標設(shè)計提供了真實有效的信息。

腐蝕數(shù)據(jù)采集：采集島礁外場暴露試驗數(shù)據(jù)，包括鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)、電子設(shè)備、附件等使用的材料及涂覆層，如結(jié)構(gòu)鋼、鋁合金、復(fù)合材料、橡膠、塑料、隱身涂層、防護涂層、密封劑、鍍層等；典型結(jié)構(gòu)件，如承力部位、緊固連接件、油箱、機箱、機柜、半封閉構(gòu)件、傳感器、插接件等，補充部分試驗，對數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，總結(jié)腐蝕規(guī)律，為腐蝕損傷容限及腐蝕控制方案的制定提供數(shù)據(jù)與工作基礎(chǔ)。

采集和分析島礁地區(qū)環(huán)境及腐蝕數(shù)據(jù)，可為裝備材料體系的設(shè)計及防腐蝕技術(shù)的應(yīng)用等提供準確輸入，是提高材料選擇及防腐蝕技術(shù)應(yīng)用的針對性和有效性的前提。

4.2 裝備設(shè)計階段應(yīng)充分考慮腐蝕預(yù)防與控制

在裝備設(shè)計階段，選擇材料時，要全面考慮裝備設(shè)施的功能、加工要求、設(shè)計使用壽命、使用環(huán)境、可能發(fā)生的腐蝕類型和腐蝕破壞的后果等因素；加強新型耐蝕材料和防腐技術(shù)的應(yīng)用，包括改進結(jié)構(gòu)材料的材質(zhì)，用不銹鋼、各種合金、耐蝕非金屬材料替代普通碳鋼；采用新型重防腐覆層技術(shù)，如各種熱噴涂技術(shù)、長效重防腐涂料、復(fù)合材料保護層以及達克羅技術(shù)等；采用聯(lián)合保護，即采用犧牲陽極或外加電流的陰極保護技術(shù)，有時需要將電化學保護與涂料、緩蝕劑保護聯(lián)合起來，以取得更好的防腐效果；高度重視密封材料及防銹油的選用。除上述措施外，還應(yīng)注意對去濕干燥技術(shù)、物理隔離技術(shù)、防腐包裝技術(shù)、金屬表面處理技術(shù)等的研究和應(yīng)用。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)將腐蝕預(yù)防與控制作為重要的考慮因素，比如在容易發(fā)生均勻腐蝕的部位要預(yù)留足夠的腐蝕裕量；盡量避免袋形結(jié)構(gòu)設(shè)計，保持封閉系統(tǒng)通風和排水良好，以規(guī)避腐蝕介質(zhì)的聚集；消除死角和縫隙，避免縫隙腐蝕；盡量避免使用兩種電位不同的金屬材料連接，防止電偶腐蝕，如無法避免，應(yīng)采取必要的絕緣措施；對于外露件，應(yīng)考慮相應(yīng)的防護措施；設(shè)計零件時要避免出現(xiàn)突然的變化或尖角，應(yīng)有足夠的過渡圓弧，以避免因應(yīng)力集中而導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕等[13-17]。

4.3 改進防腐施工工藝，完善防腐工序，嚴格質(zhì)量管理

裝備承制工廠要嚴格按照設(shè)計采用的防腐材料、施工工藝進行防腐施工；嚴格執(zhí)行質(zhì)量管理體系，將裝備腐蝕防護設(shè)計指南、腐蝕防護設(shè)計技術(shù)要求等文件規(guī)范貫徹落實。

裝備結(jié)構(gòu)件的腐蝕與防腐質(zhì)量有很大關(guān)系。主要表現(xiàn)為：1）表面處理不徹底，造成漆膜脫落，基材銹蝕；2）焊縫處理不當，造成焊縫部位銹蝕嚴重；3）未按涂刷程序進行，涂刷厚度不足或滲色；4）刮涂膩子過厚，致使涂膜機械性能下降，容易剝落；5）材料進廠檢驗、防腐施工質(zhì)量檢查不落實，給裝備腐蝕留下隱患。尤其是前處理工藝，需要嚴格檢查和監(jiān)管，確保除油除銹徹底、磷化膜完整、表面粗糙度等達到規(guī)定要求，以防止涂層早期脫落和生銹。

為了達到良好的涂裝效果，要對防腐涂裝全過程實施質(zhì)量監(jiān)管。如涂裝前，需對涂料進行質(zhì)量抽檢，檢驗其是否達到設(shè)計說明書中的性能要求；涂裝過程中，應(yīng)根據(jù)實際情況采用恰當?shù)耐垦b工具、涂裝方法及涂裝工藝。涂裝過程中及涂裝完成后，應(yīng)對影響涂裝質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)，如濕膜厚度、干膜厚度、附著力、涂層針孔等進行檢測，以控制涂層質(zhì)量達到規(guī)定的性能要求。因此，制訂科學合理的防腐施工工序至關(guān)重要，每道工序各司其職，把好裝備防腐的每道關(guān)口。裝備全部裝配完成后，還要專門設(shè)立一個工位，對裝配過程中涂層受損的零部件進行補漆；對外露的縫隙、銳邊等部位涂覆密封膠；對無法封閉的空腔、發(fā)動機艙、車門鉸鏈、各種螺帽等部位涂防銹油或防銹蠟[18-21]。

4.4 修改、完善裝備在南海島礁環(huán)境下試驗的鑒定方法、標準

亟需針對特殊腐蝕環(huán)境特點，完善現(xiàn)有的試驗鑒定體系，包括結(jié)構(gòu)抗腐蝕評定、各類裝備及其設(shè)施抗腐蝕評定等內(nèi)容。根據(jù)裝備特點、安裝位置及主要腐蝕因素，以裝機狀態(tài)或相應(yīng)關(guān)鍵部件模擬件進行實驗室綜合試驗和外場自然環(huán)境試驗鑒定，評價裝備能夠滿足南海島礁腐蝕環(huán)境適應(yīng)性指標。

4.5 高度重視裝備儲存、使用和維護過程中的防腐[22-24]

4.5.1 裝備長久不用時要妥善封存

裝備長久不用時，要徹底清洗，避免日曬雨淋，有條件的一定要在庫房中儲存，適當進行防腐包裝，庫房內(nèi)應(yīng)適時通風防潮，盡可能避免劇烈的溫濕度變化。對于高價值資產(chǎn)，除儲存在庫房外，還可施加特別的防腐包裝，且配備空調(diào)系統(tǒng)，以控制庫內(nèi)溫濕度處于規(guī)定要求。如：20 ℃時，庫房的相對濕度降低到50%左右就可以防止金屬銹蝕。另外，在儲存期間要經(jīng)常檢查，按要求更換包裝內(nèi)的氣相緩蝕劑等，檢測包裝完好性。裝備露天存放時，應(yīng)采取有效措施，防止陽光直射、雨淋、風吹等[10]。

4.5.2 正確使用裝備，用后及時清洗

裝備在使用過程中，經(jīng)常暴露在海洋大氣中，受到海鹽粒子、珊瑚塵或含鹽土壤等污染并未及時清洗，大大加速了裝備的腐蝕。因此，裝備使用后必須及時清洗，以減少銹蝕的機會。清洗裝備外表面時，最好使用高壓水或淡水加清洗劑、緩蝕劑進行沖洗，盡量少用地下水或被污染過的水，洗后要用干布擦拭。對于粘附在車體上的斑點、油污，要經(jīng)常擦拭干凈。清洗時，要疏通裝備各部位的排水孔，使其保持暢通，以避免積水并引起腐蝕。

4.5.3 定期檢查，及時維護保養(yǎng)

制訂并下發(fā)裝備維護保養(yǎng)手冊，根據(jù)需要采取定期保養(yǎng)和視情保養(yǎng)，將防腐蝕措施作為每次維護保養(yǎng)的核心內(nèi)容，通過保養(yǎng)消除或減少縫隙腐蝕和鹽沉積等加速裝備腐蝕的因素。有些腐蝕與日常保養(yǎng)有很大關(guān)系。如：某些部位不能涂刷涂料，只能涂防銹油來防腐。因此，一定要定期檢查這些部位的防銹油情況，及時做好防護。裝備上使用的各種密封墊、密封膠產(chǎn)品，也要定期檢查，發(fā)現(xiàn)老化失效的，及時更換。另外，還要經(jīng)常檢查裝備是否有較小的損傷，如有損傷應(yīng)及時進行修理，發(fā)現(xiàn)防腐涂層出現(xiàn)缺損，其涂膜完整性遭到破壞時，應(yīng)立即用涂料修補，以防止腐蝕蔓延，并做好補漆前的表面處理。

4.6 構(gòu)建南海島礁裝備設(shè)施腐蝕防控系統(tǒng)工程框架

4.6.1 加強腐蝕防控頂層設(shè)計與管理

構(gòu)建全壽命階段腐蝕防控技術(shù)文件體系，包括在論證階段，甲方提出的腐蝕防護與控制要求；研制階段，設(shè)計單位根據(jù)甲方的相關(guān)要求，編制的腐蝕防護與控制大綱。研制階段，承制單位根據(jù)腐蝕與控制大綱編寫的腐蝕控制設(shè)計指南、腐蝕控制制造技術(shù)要求、腐蝕控制維護維修手冊、腐蝕控制人員培訓手冊等文件，要建立專門的腐蝕防控考核驗證機構(gòu)，對上礁裝備開展嚴格的腐蝕防控考核驗證；要實現(xiàn)現(xiàn)役裝備腐蝕防控相關(guān)工作的制度化、體系化和常態(tài)化（如定期開展腐蝕普查），摸清現(xiàn)役裝備設(shè)施腐蝕防護與控制方面的底數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)使用維修中存在的問題，總結(jié)規(guī)律，提出解決措施；要針對現(xiàn)役裝備設(shè)施抗腐蝕能力不足的問題開展專項研究，解決急需，比如研發(fā)腐蝕防控相關(guān)的新設(shè)備、新材料，研究新技術(shù)，革新維修模式，改進維修手段等[25-27]。

4.6.2 制定和實施島礁裝備設(shè)施防腐蝕技術(shù)規(guī)范

構(gòu)建與島礁服役嚴酷環(huán)境匹配的腐蝕防護與控制技術(shù)指標體系，建立相關(guān)的腐蝕防護與控制標準，在研制中提出腐蝕防護與控制的定性和定量指標要求，以提升裝備設(shè)施本身的抗腐蝕能力。目前，島礁裝備設(shè)施生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)過程中采用的防腐技術(shù)文件多為企業(yè)自行制訂的防腐技術(shù)要求或涂漆工藝。幾家工廠制訂的防腐技術(shù)要求或涂漆工藝各有側(cè)重，但表述的內(nèi)容都集中在表面處理和涂裝工藝等方面。存在的主要問題有：1）表面處理和涂裝工藝等要求不夠全面，內(nèi)容不細，可操作性不強；2）對各道漆膜的干膜厚度未做要求，涂膜總厚度簡單參照了GJB 1379—92的厚度要求，并不適合島礁裝備特點；3）對防腐材料進廠檢驗、涂裝質(zhì)量驗收標準等未見涉及；4）關(guān)于防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計、防腐材料選材、維護保養(yǎng)等內(nèi)容均無涉及。因此，急需針對島礁裝備設(shè)施的設(shè)計、生產(chǎn)、試驗、使用、維修等各階段制定相應(yīng)的防腐技術(shù)規(guī)范。特別是針對影響涂裝質(zhì)量的涂料進廠檢驗、表面處理工藝、涂裝工藝、涂裝施工監(jiān)理等幾個重要環(huán)節(jié)制定操作性強的技術(shù)要求和質(zhì)量控制文件[28]。

4.6.3 建立裝備腐蝕損傷管理系統(tǒng)

實現(xiàn)對南海島礁環(huán)境地區(qū)服役裝備腐蝕損傷的動態(tài)管理，包括腐蝕檢測、監(jiān)控、預(yù)測評估和修理等，為確定最佳維修時間及方案提供依據(jù)。建立腐蝕損傷故障數(shù)據(jù)庫，收集整理基本信息、結(jié)構(gòu)腐蝕部位、電子及其附件、材料、腐蝕類型、腐蝕尺寸、圖片以及原因分析和處理方法等。采用腐蝕在線監(jiān)測傳感器，對不易觀察及檢測的關(guān)鍵部位進行監(jiān)測。建立腐蝕預(yù)測方法，基于數(shù)據(jù)庫和試驗場站積累或補充開展的試驗數(shù)據(jù)，建立裝備典型材料、涂鍍層、緊固件、連接件、電路線纜、插接件、天線、外露傳感器、密封橡膠等腐蝕共性部位的預(yù)測模型，科學制定腐蝕維修時間、周期和方案。

5 展望

南海島礁腐蝕環(huán)境惡劣，裝備設(shè)施面臨嚴峻考驗。目前，我國在島礁裝備設(shè)施相關(guān)材料腐蝕數(shù)據(jù)的積累與應(yīng)用、重點裝備設(shè)施的腐蝕防控、腐蝕防護相關(guān)標準和規(guī)范的制定實施，以及腐蝕防控信息管理等方面還需持續(xù)發(fā)力、久久為功。隨著我國建設(shè)海洋強國戰(zhàn)略的實施，對于遠海島礁裝備設(shè)施在長時間、遠距離工況下運行的安全性要求將大幅提升。為實現(xiàn)島礁裝備設(shè)施的全面腐蝕控制，并提高其腐蝕防護水平，需要論證并組織島礁裝備設(shè)施全壽命周期的腐蝕防護技術(shù)科研、試驗評估和技術(shù)管理工作，積極構(gòu)建島礁裝備設(shè)施腐蝕防護技術(shù)研究、試驗評估、成果推廣、技術(shù)管理、資源共享的機制與平臺，實現(xiàn)島礁裝備設(shè)施全壽命周期內(nèi)腐蝕問題的有效預(yù)防與控制，整體提升其腐蝕防護水平。