趙文生，徐有才，張劍冰，盧 建

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所， 江蘇 揚(yáng)州 225001)

天線防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究*

趙文生，徐有才，張劍冰，盧 建

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所， 江蘇 揚(yáng)州 225001)

艙外設(shè)備天線一旦被腐蝕，腐蝕就會持續(xù)惡化，嚴(yán)重時(shí)還會使設(shè)備的性能下降以致失效。而且在大多數(shù)情況下天線都安裝在桅桿高處，可達(dá)性差，維修困難，一旦出現(xiàn)問題，將影響到任務(wù)的執(zhí)行，損失較大。因而天線防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝維護(hù)責(zé)任重大。文中結(jié)合天線腐蝕的調(diào)研結(jié)果和相關(guān)理論進(jìn)行了原因分析，找出了天線零部件腐蝕的原因，并提出了具體解決方案和安裝工藝要求。

天線；腐蝕；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；安裝維護(hù)

引 言

武器裝備對環(huán)境的適應(yīng)性已成為武器系統(tǒng)的重要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)之一。防潮、防霉、防鹽霧(簡稱“三防”)性能是影響軍事電子設(shè)備效能的主要因素，尤其是在沿海區(qū)域服役的電子設(shè)備，其“三防”性能的優(yōu)劣，直接影響到武器裝備的性能甚至使用壽命。因此“三防” 技術(shù)不僅是電子行業(yè)應(yīng)當(dāng)重視的防護(hù)技術(shù)，而且還應(yīng)當(dāng)涉及到整個(gè)武器裝備研制、維護(hù)和使用的方方面面[1]。近年來，隨著裝備數(shù)量的增加，因“三防”原因被腐蝕的艙外設(shè)備數(shù)量越來越多。隨著設(shè)備使用時(shí)間的延長，暴露的問題也越來越多，有些問題已相當(dāng)嚴(yán)重，導(dǎo)致設(shè)備的性能下降以致失效的事例屢見不鮮[1]。由于天線維修困難、重新生產(chǎn)周期長、換裝成本高、可達(dá)性差等特殊性，一旦出現(xiàn)問題，將影響到任務(wù)的執(zhí)行，損失較大，因此開展這方面的研究迫在眉睫，意義重大。本文針對天線腐蝕問題，結(jié)合天線腐蝕的調(diào)研結(jié)果和相關(guān)理論進(jìn)行了原因分析。分析認(rèn)為天線腐蝕的機(jī)理是電化學(xué)腐蝕，而防止電化學(xué)腐蝕的關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安裝工藝的改進(jìn)。

1 天線腐蝕原因

在維修某艙外天線時(shí)，發(fā)現(xiàn)天線底板外部和船上安裝基座接觸處、內(nèi)部安裝板及微波器件表面、對外電連接器、天線底板安裝螺套處周圍、天線安裝固定孔處均出現(xiàn)了不同程度的腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致天線的使用壽命縮短，可靠性下降。針對腐蝕部位，根據(jù)相關(guān)理論進(jìn)行的綜合分析認(rèn)為腐蝕原因主要表現(xiàn)在下面幾個(gè)方面。

1.1 天線底板外部和船上安裝基座接觸處的腐蝕原因

該天線罩由上部蜂窩夾層和下部鋁合金法蘭安裝盤通過環(huán)氧樹脂膠合為一體，如圖1所示，對應(yīng)天線罩安裝孔的天線底板上裝有不銹鋼螺套，作為其和天線底板固定的螺母，如圖2所示。鋁合金法蘭安裝盤和天線底板材料均為2A12(T4)，表面處理采用AlEt·A(Cr)3·S工藝，天線底板外部及圓周面周邊涂?；褻43-31·II·H漆。觀察發(fā)現(xiàn)：天線底板外部腐蝕的部位全部集中在與天線安裝基座接觸面處，此處鍍覆層已完全腐蝕，而非接觸面處油漆及鍍覆層基本完好，說明天線底板腐蝕與天線安裝基座接觸有直接關(guān)系；同一區(qū)域天線底板腐蝕最嚴(yán)重處均位于不銹鋼螺套安裝處，說明天線底板腐蝕與不銹鋼螺套也有關(guān)系；利用天線安裝固定孔連接天線和安裝基座的接地跨接片處(如圖2所示)的腐蝕也比其它3個(gè)固定孔嚴(yán)重。

圖1 天線底部裝配示意圖

圖2 天線安裝處示意圖

由此根據(jù)相關(guān)理論可以分析出天線底板腐蝕的原因主要有3個(gè)方面：

1)天線底板與其上的安裝螺套及天線安裝基座發(fā)生了電偶腐蝕。2種不同金屬或1種金屬與其它一些導(dǎo)電性物質(zhì)(如石墨、碳纖維復(fù)合材料)相互接觸，在潮濕條件下形成表面電解液膜，構(gòu)成腐蝕微電池，發(fā)生電化學(xué)腐蝕，這叫做電偶腐蝕。電偶腐蝕是電子設(shè)備常見的腐蝕類型，其主要原因是每一種金屬的電極電位都不相同，不同種類金屬相互接觸會形成電位差，電化學(xué)作用使電位正的一方受到保護(hù)，電位負(fù)的一方，特別是接觸部位[2]，加速腐蝕。從圖2可以看出，由于天線底板安裝面和天線安裝基座安裝面很難做到紋絲無縫，實(shí)際存在縫隙，含有某些雜質(zhì)(氯化物、硫酸鹽)的水膜和鹽水電解液存留在螺孔縫隙1、螺孔縫隙2和縫隙1、縫隙2處，并連續(xù)地存在于不同金屬的不銹鋼螺套、鋁合金天線底板和碳鋼天線安裝基座之間。天線底板安裝面在裝配、調(diào)試和安裝過程中油漆保護(hù)層容易受到局部損傷，再加上縫隙處含鹽雨水的長期浸泡，天線底板安裝面和天線安裝基座上的油漆保護(hù)層就會由點(diǎn)到面逐漸受到損傷，最終構(gòu)成腐蝕電池導(dǎo)電支路，電化學(xué)作用使電位正的一方即不銹鋼螺套、碳鋼天線安裝基座受到保護(hù)，電位負(fù)的一方即鋁合金天線底板，特別是與鋼螺套、碳鋼天線安裝基座接觸處的鋁合金，加速腐蝕。

2)天線底板與其上的安裝螺套及天線安裝基座發(fā)生了縫隙腐蝕。當(dāng)金屬部件處于介質(zhì)中時(shí)，由于金屬與金屬或金屬與非金屬之間形成了特別小的縫隙，其厚度(一般為0.025～0.1 mm)足以使腐蝕介質(zhì)進(jìn)入縫隙內(nèi)而又使這些介質(zhì)處于停滯狀態(tài)，引起縫內(nèi)金屬的加速腐蝕，這叫做縫隙腐蝕。產(chǎn)生縫隙腐蝕的條件比較廣泛，金屬結(jié)構(gòu)的接縫如鉚接、焊接、螺栓連接縫隙中的腐蝕介質(zhì)，金屬與塑料、橡膠、木材、石棉、織物連接縫隙中的腐蝕介質(zhì)以及金屬表面的沉積物、附著物、腐蝕產(chǎn)物(如灰塵)間的各種腐蝕介質(zhì)都會引起金屬的縫隙腐蝕。該天線在安裝過程中，天線安裝底面和天線基座安裝面未采取防縫隙腐蝕措施，也是天線底板外部腐蝕的原因之一。

3)接地片處發(fā)生了電偶腐蝕和縫隙腐蝕。該天線設(shè)計(jì)時(shí)沒有設(shè)置接地柱，為了保持天線整體良好的接地性，設(shè)計(jì)時(shí)利用天線4個(gè)固定螺拴中的1個(gè)作為接地螺拴，并將固定孔接地片周圍的油漆鏟除，露出導(dǎo)電層，將接地片固定后再涂漆保護(hù)。隨著時(shí)間的延長，此處油漆容易老化脫落，天線底板與接地片、接地螺拴之間就會發(fā)生電偶腐蝕和縫隙腐蝕。

1.2 天線內(nèi)部腐蝕原因

金屬腐蝕速度除與材料的內(nèi)在因素有關(guān)外，還與外界因素如氧氣、水、溫度、鹽霧等有關(guān)。其中，水是決定金屬腐蝕速度和腐蝕程度最重要的因素；溫度直接影響反應(yīng)速度，一般來說，溫度每提高10 ℃左右，腐蝕速度就可能增加一倍。在金屬表面無水膜的情況下，氧氣與金屬只發(fā)生很慢的化學(xué)腐蝕。只有當(dāng)金屬表面有水膜時(shí)才發(fā)生電化學(xué)腐蝕，腐蝕速度與水膜中溶解氧的濃度有關(guān)，濃度越大，陰極去極化作用越強(qiáng)，腐蝕速度就越快[2]。鹽霧中的氯化鈉溶解到金屬表面的水膜中，不僅提供了電化學(xué)反應(yīng)所需的電解質(zhì)，還會妨礙或破壞金屬的鈍化，起到了陽極去極化作用[2]。根據(jù)上述理論，通過實(shí)物觀察，發(fā)現(xiàn)天線內(nèi)部安裝底板及微波器件腐蝕比較均勻。據(jù)此判斷，天線罩密封處氣密設(shè)計(jì)失效或天線罩本身出現(xiàn)了裂紋，天線腔體內(nèi)部受日曬而壓力增加，氣體逸出，當(dāng)夜晚氣溫下降時(shí)濕氣進(jìn)入，周而復(fù)始，內(nèi)部就會產(chǎn)生積水或水膜(在進(jìn)行天線維修時(shí)已發(fā)現(xiàn)此類現(xiàn)象)， 并附在天線內(nèi)部安裝底板及微波器件上。隨著時(shí)間的延長，不僅積水或水膜的含氧量會增加，而且其中的氯化鈉的濃度也會增加，因?yàn)楫?dāng)白天腔體內(nèi)氣體逸出時(shí)，腔體內(nèi)濕氣所帶的大部分氯化鈉并不會隨之逸出，而是附在天線內(nèi)部安裝底板及微波器件上，且越積越多。隨著積水或水膜中氯化鈉濃度的增加，積水溶液的導(dǎo)電性增加，陽極去極化作用增強(qiáng)，進(jìn)而加快了天線安裝底板內(nèi)部及微波器件表面的腐蝕速度。此外，天線罩內(nèi)部白天日曬所產(chǎn)生的高溫又進(jìn)一步加快了它的腐蝕速度。

1.3 電連接器腐蝕原因

電連接器插座材料為鋁合金，表面處理為陽極氧化，插座安裝在天線底板的下方，兩者之間有硅橡膠密封板，從天線內(nèi)部向下看，插座和天線底板正好形成一凹坑。天線內(nèi)部積水聚集在硅橡膠密封板上方，且離插座固定螺釘中間位置最近，因此產(chǎn)生了縫隙腐蝕。當(dāng)然，插座長期暴露在外，空氣中的水分和鹽霧也是導(dǎo)致其腐蝕的原因之一。

2 改進(jìn)方案

2.1 天線底板防腐蝕改進(jìn)方案

天線底板外部腐蝕主要屬于電偶腐蝕和縫隙腐蝕，發(fā)生上述電化學(xué)腐蝕的主要條件如下：

1)有易腐蝕的金屬，該金屬起陽極的作用；

2)要有比上述金屬難于腐蝕的金屬或區(qū)域，這個(gè)金屬或區(qū)域起陰極的作用；

3)這2種金屬必須與同一液體接觸，形成連續(xù)的液體通道；

4)陰極與陽極必須處于電氣接觸狀態(tài)[1]。

常用的防護(hù)措施包括：

1)消除液體通道，在金屬表面與液體表面之間設(shè)置油漆之類的阻擋層；

2)減少陰極、陽極電位差，在陽極區(qū)和陰極區(qū)鍍覆能減少電位差的金屬層；

3)排除電氣接觸，在金屬表面生成一層氧化膜[1]；

4)由于不銹鋼緊固件和鋁合金連接易遭受縫隙腐蝕，因此最好在連接時(shí)采取密封膠填縫措施[3]。

根據(jù)天線底板外部腐蝕原因的分析和發(fā)生電化學(xué)腐蝕的條件，采取以下具體改進(jìn)方案。

2.1.1 天線底板結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化改進(jìn)

1)將天線底板材料由2A12(T4)改為防腐蝕性能更好的防銹鋁板5A05(LF5)或鈦合金材料。

2)將天線底板的結(jié)構(gòu)形式由平面狀改為中間大面向上的內(nèi)凹狀，如圖3和圖4所示，天線固定孔由4個(gè)改為3個(gè)(孔的直徑為10.5mm，天線本身重量﹤15 kg),在3個(gè)固定孔處各固定一個(gè)如圖4所示的相同的不銹鋼墊塊2。

圖3 改進(jìn)天線裝配方案示意圖

圖4 改進(jìn)天線安裝處示意圖

改進(jìn)天線底板結(jié)構(gòu)形式的目的在于：

1)防止原天線安裝面油漆保護(hù)層在裝配、調(diào)試和安裝過程中受到損傷，排除電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生的條件之一，電氣接觸。

2)根據(jù)三點(diǎn)確定一個(gè)平面的原理，通過3個(gè)墊塊2，將天線大面安裝改為小面安裝的方式。墊塊2安裝在天線安裝板內(nèi)，并在與之接觸處上倒角，以防止海水或雨水進(jìn)入安裝縫隙 (見圖4)，同時(shí)避免天線安裝面和天線安裝基座因平面不平所產(chǎn)生的應(yīng)力集中及縫隙腐蝕的產(chǎn)生，排除應(yīng)力腐蝕和電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生的條件之一，即2種金屬必須與同一液體接觸，形成連續(xù)的液體通道。

3)3個(gè)墊塊2采用與天線安裝基座碳鋼電位接近的不銹鋼材料，排除電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生的條件之一，即2種金屬存在一定的電位差。

2.1.2 天線底板電纜插座固定結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化改進(jìn)

1)將天線電纜插座由鋁合金材料改為不銹鋼材料。

2)為了防止天線內(nèi)部積水聚集到插座與天線底板形成的凹坑內(nèi)，將電纜插座安裝方式改為如圖5所示的結(jié)構(gòu)形式，并在插座安裝處設(shè)置導(dǎo)水通道，這樣即使天線內(nèi)部進(jìn)了水，積水也可順利流出，從而降低插座和安裝面發(fā)生電化學(xué)腐蝕的可能性，排除發(fā)生電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生的條件之一，即2種金屬必須與同一液體接觸，形成連續(xù)的液體通道。

圖5 改進(jìn)插座安裝方式示意圖

2.1.3 天線底板與船上天線基座安裝方式優(yōu)化改進(jìn)

1)接地形式優(yōu)化改進(jìn)：在天線底板設(shè)置機(jī)殼接地柱，因此處接地柱接觸不到雨水，其防腐性能與原地線方案相比有質(zhì)的改善。另外在安裝要素上，要求在機(jī)殼接地柱附近的天線安裝基座上焊接一個(gè)接地柱，作為天線安全地的接入點(diǎn)，如圖4所示。焊接接地柱的優(yōu)點(diǎn)在于安全、防腐性能更好。取消將天線4個(gè)固定螺拴中的1個(gè)作為接地螺拴的接地方式，從而排除了原設(shè)計(jì)中天線底板與接地片、接地螺拴之間發(fā)生電偶腐蝕和縫隙腐蝕的可能性。

2)固定螺栓形式優(yōu)化改進(jìn)：在天線安裝面上方增加墊塊1(見圖4)。墊塊1的材料和天線安裝底板完全相同，二者之間電位差為0，因此即使墊塊1與天線安裝底板之間存在縫隙或與同一液體接觸，形成連續(xù)的液體通道，二者之間也不會發(fā)生大的電偶腐蝕和縫隙腐蝕。加之采取了涂硅膠措施，可有效防止天線安裝孔處的腐蝕。如隨著時(shí)間的延長，墊塊1發(fā)生了腐蝕或有腐蝕的跡象，則可予以更換。

2.2 天線內(nèi)部防腐蝕改進(jìn)方案

天線罩很難做到氣密，且雷擊、冰雹或鳥類撞擊等其它因素也可能造成天線罩氣密失效，故對戶外用大容積構(gòu)件如天線箱體、天線罩、高頻箱等，應(yīng)盡量避免選用氣密式結(jié)構(gòu)，而應(yīng)設(shè)計(jì)合適的通風(fēng)孔、排積水口，使腔體內(nèi)壓力與大氣壓力保持平衡。因?yàn)闅饷茉O(shè)計(jì)一旦失效，腔體內(nèi)壓力因日曬而增加，氣體逸出，當(dāng)夜晚氣溫下降時(shí)濕氣進(jìn)入，周而復(fù)始，內(nèi)部就會產(chǎn)生積水，形成100%蒸汽壓，使電子設(shè)備受潮失效[1]。故將天線原氣密式結(jié)構(gòu)改為非氣密式結(jié)構(gòu)，增加排積水口。采取的具體改進(jìn)方案有以下幾種。

2.2.1 天線罩優(yōu)化改進(jìn)

將天線罩由上部蜂窩夾層和下部鋁合金法蘭安裝盤合為一體的結(jié)構(gòu)改為上部蜂窩夾層和下部環(huán)氧層壓玻璃布安裝盤合為一體的結(jié)構(gòu)，如圖6和圖7所示。為了防止應(yīng)力集中而使天線罩底部產(chǎn)生裂紋，將天線罩底部改為如圖7所示的結(jié)構(gòu)形式。

圖6 原天線罩

圖7 改進(jìn)后天線罩

2.2.2 器件安裝處優(yōu)化改進(jìn)

避免天線內(nèi)部安裝器件與安裝板之間發(fā)生縫隙腐蝕的有效措施是防止積水進(jìn)入器件與安裝板之間的縫隙內(nèi)，或即使因冰雹或彈片擊破等其它因素天線罩內(nèi)有雨水進(jìn)入，積水也能迅速排出而不會浸泡器件，這樣雨水不多時(shí)或停止一段時(shí)間后，設(shè)備即可正常工作，設(shè)備的可靠性大大提高。具體改進(jìn)措施如下：

1)將天線底板的結(jié)構(gòu)形式由平面狀改為中間大面向上的內(nèi)凹狀，并在天線底板內(nèi)部最低處四周設(shè)置12處通風(fēng)、排水孔，如圖4所示。

2)在器件安裝面四周設(shè)置溝槽，在溝槽中間設(shè)置通風(fēng)、排水孔，如圖8所示。

圖8 器件四周溝槽通風(fēng)、排水孔示意圖

2.2.3 其它防腐蝕措施

(1) 天線安裝時(shí)的防腐蝕措施

天線所有緊固件均為不銹鋼，而不銹鋼與鋁是不允許的電化偶，由于不銹鋼與鋁合金連接易遭受縫隙腐蝕, 因此最好在連接時(shí)采取密封膠填縫措施[3]，同時(shí)對外露緊固件進(jìn)行噴漆保護(hù)。

(2) 天線維修檢查時(shí)的防腐蝕措施

故障天線罩需要打開檢查時(shí)，為了防止天線罩因應(yīng)力集中局部受力過大而受到損傷，每個(gè)緊固件螺釘不可一次松開，所有螺釘必須預(yù)松半圈至一圈后，才可進(jìn)行第2次預(yù)松，第2次預(yù)松為1圈后，才可完全松開。故障排除后，檢查固定天線3個(gè)保護(hù)墊塊1的腐蝕情況，根據(jù)腐蝕情況決定是否更換(如年限超過10年必須更換)。天線固定時(shí)應(yīng)給各個(gè)零件接觸面涂上硅膠或濕漆，以保護(hù)接觸面，涂前應(yīng)將表面清理干凈。天線罩安裝時(shí)分4步進(jìn)行：第1步，彈墊將要受力時(shí)停止螺釘緊固；第2步，所有螺釘都緊固到第1步時(shí)，開始對角螺釘順序緊固，緊固圈數(shù)約為1圈；第3步，所有螺釘都緊固到第2步時(shí)，開始對角螺釘順序緊固，緊固圈數(shù)約為1圈，直到將彈墊壓平為止(彈墊壓平后，停止對螺釘緊固，否則過大的緊固力會損傷天線環(huán)氧層壓玻璃布安裝面)；第4步，對外露緊固件予以噴漆保護(hù)。

3 結(jié)束語

設(shè)備防腐蝕是一個(gè)系統(tǒng)工程，牽涉到設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢查維護(hù)等環(huán)節(jié)，其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，設(shè)備都會遭到腐蝕。 本文針對實(shí)際存在的密封天線密封失效所帶來的種種弊端，從實(shí)戰(zhàn)的角度提出了自己的觀點(diǎn)，建議將過去常規(guī)的天線氣密式設(shè)計(jì)改為非氣密式設(shè)計(jì)，從防止水進(jìn)入改為既要防止水進(jìn)入又要考慮如何在有水進(jìn)入的情況下確保設(shè)備正常工作。同時(shí)，對天線基座的安裝及天線檢查維護(hù)也提出了建議。相關(guān)理論和實(shí)際情況證明：天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安裝維修工藝措施正確，可以有效減緩天線零部件腐蝕的速度，進(jìn)而達(dá)到提高天線可靠性和延長使用壽命的目的。

[1] 電子科學(xué)研究院. 電子設(shè)備三防技術(shù)手冊[M]. 北京:兵器工業(yè)出版社, 2000.

[2] 平麗浩, 黃普慶, 張潤逵, 等. 雷達(dá)結(jié)構(gòu)與工藝下冊[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2007.

[3] SJ 20812—2002 電子設(shè)備的金屬鍍覆與化學(xué)處理[M]. 北京：中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究所, 2002.

趙文生 (1962-)，男，高級工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及研究工作。

徐有才(1968-)，男，高級工程師，主要從事裝備技術(shù)服務(wù)管理工作。

張劍冰(1989-)，女，碩士，助理工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

盧 建(1989-)，男，碩士，助理工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Study on Anti-corrosion Structure Design of Antenna

ZHAO Wen-sheng，XU You-cai，ZHANG Jian-bing，LU Jian

(The723ResearchInstituteofCSIC,Yangzhou225001,China)

Once corrosion occurs on outboard antenna, it will continue to deteriorate, which leads to declination even failure of the performance of the equipment. Meanwhile, in most cases the antenna is installed at the top of the mast, which makes it difficult to maintain and repair the antenna. Once problems occur, it will affect the performance of the equipment and cause huge loss. Thus it is worthwhile to put efforts on the anti-corrosion design of the antenna and improvement on installation and maintenance facility. In this paper corrosion causes of antenna components are analyzed based on the research result of antenna corrosion and the related theories and the specific solutions and installation process requirements are proposed.

antenna; corrosion; structure design; installation and maintenance

2014-11-12

TN82

A

1008-5300(2015)01-0014-05