張皓玥,張菲玥,鐘 勇,張倫武

(1.重慶育才成功學(xué)校，重慶 400050; 2.西南技術(shù)工程研究所, 重慶 400039)

【基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究】

裝備的環(huán)境腐蝕效應(yīng)抑制技術(shù)

張皓玥1,張菲玥1,鐘 勇2,張倫武2

(1.重慶育才成功學(xué)校，重慶 400050; 2.西南技術(shù)工程研究所, 重慶 400039)

從我國(guó)的環(huán)境特征和軍事需求出發(fā)，分析了裝備面臨的環(huán)境、裝備的環(huán)境腐蝕效應(yīng)及危害，敘述了如何從環(huán)境抑制、增強(qiáng)裝備耐蝕品質(zhì)和加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)與維修三個(gè)方面加強(qiáng)裝備的環(huán)境腐蝕效應(yīng)抑制，為提高裝備環(huán)境適應(yīng)性提供工程解決方案。

裝備；環(huán)境腐蝕；抑制；環(huán)境適應(yīng)性本文

根據(jù)世界溫度和濕度的量值，美國(guó)、英國(guó)和北約組織將全球氣候環(huán)境分為熱環(huán)境(A1,A2,A3)、基本環(huán)境(B1,B2,B3)、冷和極冷環(huán)境(C0,C1,C2,C3,C4)、沿海/海洋環(huán)境(M1,M2,M3)等四個(gè)大類14種類型。中國(guó)只有6種環(huán)境類型(A3,B2 C0,C1,C2,M2)[1]。政治多極化，經(jīng)濟(jì)全球化已經(jīng)勢(shì)不可擋，為保障國(guó)家安全和利益拓展，服務(wù)“一帶一路”戰(zhàn)略，裝備必須適應(yīng)比我國(guó)環(huán)境更加嚴(yán)酷的自然和誘發(fā)環(huán)境，才能滿足我軍遂行維和、護(hù)航、反恐、救災(zāi)等多種軍事任務(wù)的需要。

1 裝備的環(huán)境腐蝕效應(yīng)

1.1 裝備面臨的環(huán)境

環(huán)境可以分為自然環(huán)境和誘發(fā)環(huán)境兩大類。自然環(huán)境是自然界中由非人為因素構(gòu)成的那部分環(huán)境，也是裝備在全壽命期內(nèi)經(jīng)歷的基本環(huán)境，包括大氣環(huán)境(高原、沙漠、海洋、熱帶、寒帶等)、水環(huán)境(海水、河水、湖水等)、土壤環(huán)境(酸性、堿性等)、空間環(huán)境(平流層、對(duì)流層等)等。誘發(fā)環(huán)境是指任何人為活動(dòng)、平臺(tái)、其他設(shè)備或設(shè)備自身產(chǎn)生的局部環(huán)境，主要包括機(jī)械(力學(xué))、氣候、化學(xué)、生物、電磁等環(huán)境。裝備從論證、研制、生產(chǎn)、使用維護(hù)直至退役等全壽命周期，不僅會(huì)面臨各種嚴(yán)酷的自然環(huán)境，還將面臨復(fù)雜的誘發(fā)環(huán)境[2-3]。裝備面臨的主要環(huán)境如圖1所示。

1.2 裝備的環(huán)境效應(yīng)及危害

各種環(huán)境條件與裝備相互作用，不僅導(dǎo)致裝備性能和功能發(fā)生變化，還會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失。如溫度會(huì)產(chǎn)生高溫效應(yīng)、低溫效應(yīng)、變溫效應(yīng)，太陽輻射會(huì)產(chǎn)生加熱效應(yīng)與光化學(xué)效應(yīng)等，1986年1月28日，美國(guó)“挑戰(zhàn)者號(hào)”航天飛機(jī)僅因一個(gè)聚硫密封圈在低溫環(huán)境下過早老化出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致升空72 s后便發(fā)生燃?xì)庑孤?，突然爆炸，使耗巨資準(zhǔn)備多年的航天計(jì)劃流產(chǎn)[4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年因環(huán)境腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)萬億美元，約占GDP的3%～5%[5]。裝備的環(huán)境效應(yīng)也造成資源與能源的消耗和浪費(fèi)，不利于建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)。裝備的環(huán)境腐蝕效應(yīng)危害最大，不僅會(huì)直接影響裝備的性能和功能[3]，還會(huì)降低使用安全性，關(guān)乎戰(zhàn)爭(zhēng)的勝負(fù)，關(guān)乎人員的生命安全。因此加強(qiáng)裝備的環(huán)境腐蝕效應(yīng)抑制技術(shù)的研究，將環(huán)境腐蝕造成的影響控制在最低限度內(nèi)，其軍事、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益十分顯著。

2 裝備的環(huán)境腐蝕效應(yīng)抑制基本思路

裝備在環(huán)境中受環(huán)境因素作用發(fā)生腐蝕導(dǎo)致其性能變化的過程，從熱力學(xué)“熵”的角度可以簡(jiǎn)單理解為環(huán)境與裝備相互作用達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的過程。環(huán)境因素的效應(yīng)促使裝備發(fā)生腐蝕，而裝備內(nèi)在抵抗腐蝕性能力以及采取適當(dāng)?shù)拇胧┛梢种聘g的發(fā)生與發(fā)展。因此，裝備的環(huán)境腐蝕效應(yīng)抑制基本思路可以從環(huán)境抑制、增強(qiáng)對(duì)象耐蝕品質(zhì)和加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)與維修這三個(gè)方面予以考慮。如圖2所示。

圖2 裝備的環(huán)境腐蝕效應(yīng)抑制基本思路

3 裝備環(huán)境腐蝕效應(yīng)抑制技術(shù)

3.1 環(huán)境抑制技術(shù)

3.1.1 環(huán)境阻隔

環(huán)境阻隔技術(shù)一般以表面防護(hù)技術(shù)為主，包括表面碳氮共滲、陽極氧化、電鍍、化學(xué)鍍、涂覆有機(jī)/無機(jī)涂層及其他長(zhǎng)效綠色防護(hù)工藝等[6-9]。其核心是在裝備表面生成一層阻隔物質(zhì)(涂層、鍍層、膜層等)，將裝備與環(huán)境物理隔絕，阻斷或減緩環(huán)境腐蝕效應(yīng)。一旦阻隔物質(zhì)發(fā)生破損或脫落，裝備將再次暴露在環(huán)境中。因此，環(huán)境阻隔的好壞一般主要取決于表面防護(hù)層的防護(hù)效能與耐久性。

3.1.2 微環(huán)境控制

微環(huán)境控制技術(shù)就是當(dāng)裝備不可避免需要接觸環(huán)境時(shí)，在一定范圍內(nèi)對(duì)其周圍環(huán)境進(jìn)行控制，減輕環(huán)境對(duì)裝備的腐蝕性。如軍需品倉(cāng)庫(kù)一般要求將溫度控制在30℃以下，相對(duì)濕度控制在70%以下；精密電子器件包裝箱(袋)內(nèi)充惰性氣體或抽真空；履帶式加榴炮則采用炮衣進(jìn)行緩蝕防護(hù)包裝與封存等。圖3為控制局部環(huán)境濕度的美軍M1坦克。

圖3 局部環(huán)境控制的美軍M1坦克

3.2 增強(qiáng)裝備耐蝕品質(zhì)

3.2.1 材料優(yōu)選

材料不同，其腐蝕抗性差異很大。裝備在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行材料選擇時(shí)，既要考慮力學(xué)特性能滿足結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的要求，更要針對(duì)特定的服役環(huán)境，考慮抗環(huán)境腐蝕能力強(qiáng)的材料，有效減少因選材不當(dāng)造成局部腐蝕、均勻腐蝕、材料不相容性等問題。要掌握擬選材料的腐蝕傾向性、環(huán)境與應(yīng)力腐蝕敏感性。

選材不當(dāng)會(huì)引發(fā)嚴(yán)重后果，如某型飛機(jī)因鋁合金嚴(yán)重剝蝕，致使腹板截面有效厚度下降，導(dǎo)致在未達(dá)設(shè)計(jì)使用壽命而提前斷裂[10]，如圖4所示。

圖4 某型飛機(jī)XX框腐蝕斷裂

3.2.2 耐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝備的環(huán)境腐蝕效應(yīng)與其結(jié)構(gòu)也有著密切關(guān)系。良好的防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效減緩環(huán)境因素對(duì)裝備的腐蝕效應(yīng)，不當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)可能會(huì)加劇腐蝕的發(fā)生和發(fā)展。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)避免出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕、接觸腐蝕、微生物腐蝕敏感區(qū)，以及避免出現(xiàn)易引起液態(tài)或氣態(tài)腐蝕介質(zhì)浸入、聚集、凝露等的結(jié)構(gòu)缺陷[11-13]。主要的防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有：

防潮排水設(shè)計(jì)：采用較好的密封設(shè)計(jì)，如濕裝配、密封鉚接、水密設(shè)計(jì)等，防止水介質(zhì)進(jìn)入；在易積水位置設(shè)置排水孔，保證排水孔處于積水部位的最低處，防止液體水的滯留；合理設(shè)計(jì)通風(fēng)結(jié)構(gòu)形式，防止氣態(tài)水的滯留，降低濕潤(rùn)時(shí)間。

抗電偶腐蝕設(shè)計(jì)：異種材料連接時(shí)，若不采取特殊設(shè)計(jì)，一旦遇到腐蝕介質(zhì)，異種金屬接觸處產(chǎn)生電偶腐蝕，電位較低的金屬(陽極)腐蝕速度增加；大陰極、小陽極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也會(huì)加速陽極的腐蝕。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免出現(xiàn)大陰極對(duì)小陽極結(jié)構(gòu)；連接處采取絕緣措施或利用表面技術(shù)隔離腐蝕環(huán)境，如絕緣橡膠 、尼龍布、有機(jī)涂層等；采用密封連接，既防止電偶腐蝕，也消除縫隙。圖5為典型異種金屬連接結(jié)構(gòu)電偶腐蝕照片。

圖5 典型異種金屬連接結(jié)構(gòu)電偶腐蝕

防縫隙腐蝕和腐蝕疲勞設(shè)計(jì)：或拓寬縫隙、或填塞縫隙、或改變縫隙位置以防止介質(zhì)進(jìn)入；避免使用時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力、裝配應(yīng)力和殘余應(yīng)力疊加作用；盡量避免零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有應(yīng)力集中和局部受熱部位，設(shè)計(jì)時(shí)避免尖角；加大危險(xiǎn)截面處的局部強(qiáng)度，合理地控制材料的最大允許應(yīng)力。

3.2.3 電化學(xué)保護(hù)設(shè)計(jì)

對(duì)大型裝備，如艦船船體、橋梁、地下管線等而言，除以上環(huán)境腐蝕效應(yīng)抑制技術(shù)外，比較典型的有電化學(xué)保護(hù)技術(shù)。電化學(xué)保護(hù)技術(shù)主要包括犧牲陽極保護(hù)和外加電流陰極保護(hù)技術(shù)[14]。

犧牲陽極保護(hù)法與抗電偶腐蝕設(shè)計(jì)中的避免出現(xiàn)大陰極對(duì)小陽極結(jié)構(gòu)的原理基本相同，是將還原性較強(qiáng)的金屬作為保護(hù)極，與被保護(hù)金屬相連構(gòu)成原電池，還原性較強(qiáng)的金屬將作為陰極發(fā)生氧化反應(yīng)而消耗，被保護(hù)的金屬作為陽極就可以避免腐蝕。一般使用鋁合金、鎂合金、鋅合金等低電位金屬材料作為陽極。

外加電流陰極保護(hù)是通過外部電源改變周圍環(huán)境的電位，使需要保護(hù)的裝備的電位一直處低于周圍環(huán)境電位而成為陰極，這樣需要保護(hù)的裝備就不會(huì)失去電子而發(fā)生腐蝕。外加電流陰極保護(hù)主要用于保護(hù)大型設(shè)備或者在土壤電阻率比較高的環(huán)境。

3.3 裝備的維護(hù)、保養(yǎng)與維修

3.3.1 維護(hù)與保養(yǎng)

裝備生產(chǎn)完成后其自身的耐蝕品質(zhì)基本確定。抑制裝備的環(huán)境腐蝕效應(yīng)除了控制其所處的外部環(huán)境外，還可采取定期檢查、監(jiān)測(cè)、清洗、涂油、噴灑緩蝕劑、防護(hù)涂層/密封劑修補(bǔ)等措施，建立適宜的維護(hù)、保養(yǎng)程序和方法，強(qiáng)化日常使用中的腐蝕防控意識(shí)，預(yù)防腐蝕的出現(xiàn)。

3.3.2 腐蝕維修

裝備在使用和貯存過程中應(yīng)定期檢查，盡早發(fā)現(xiàn)環(huán)境腐蝕，視環(huán)境腐蝕損傷程度及時(shí)采取腐蝕產(chǎn)物清除、防護(hù)涂層修補(bǔ)等措施，控制腐蝕的發(fā)展。也可進(jìn)行零部件替換，滿足規(guī)定期限內(nèi)裝備的安全可靠使用要求，延長(zhǎng)裝備的使用壽命。良好的腐蝕維修處理可以最大程度發(fā)揮裝備的效能，節(jié)約資源與費(fèi)用。如美國(guó)民兵Ⅲ型洲際彈道導(dǎo)彈服役至今已長(zhǎng)達(dá)半個(gè)世紀(jì)，其超長(zhǎng)壽命正是有賴于持續(xù)的環(huán)境損傷監(jiān)測(cè)與腐蝕維修控制[15]。

4 結(jié)束語

裝備在服役過程中，與環(huán)境相互作用產(chǎn)生環(huán)境腐蝕效應(yīng)是不可避免的。但只要認(rèn)識(shí)和掌握了環(huán)境與裝備相互作用的原理、性能演變規(guī)律，就可以通過優(yōu)選材料和工藝、采用抗環(huán)境腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制局部環(huán)境、科學(xué)維護(hù)和保養(yǎng)，抑制或削弱環(huán)境對(duì)裝備的不利影響，保障裝備好用、管用、耐用、適用。

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(責(zé)任編輯 楊繼森)

Environmental Corrosion Effect and Control Techniques for Materiel

ZHANG Hao-yue1, ZHANG Fei-yue1, ZHONG Yong2, ZHANG Lun-wu2

(1.Chongqing Yucai Chenggong School, Chongqing 400050, China; 2.Southwest Technology and Engineering Research Institute, Chongqing 400039, China)

From the point of view of environmental characteristics and military demands in our country,the environment was confronted with and the environment corrosion effects and its harmful for materiel were analyzed.To improve materiel environmental worthiness,the engineering methods of how to control the environment corrosion effects,from controlling the local environment,enhanced ability of corrosion resistance and strengthen the maintenance,were summarized.

materiel; environmental corrosion; control technique；environmental worthiness

2016-11-04；

2017-02-17 通訊作者：鐘勇(1990—)，男，高級(jí)工程師，主要從事產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)與評(píng)價(jià)技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.03.040

format:ZHANG Hao-yue,ZHANG Fei-yue,ZHONG Yong,et al.Environmental Corrosion Effect and Control Techniques for Materiel[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):180-182.

TB304

A

2096-2304(2017)03-0180-03

張皓玥,張菲玥,鐘勇，等.裝備的環(huán)境腐蝕效應(yīng)抑制技術(shù)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(3):180-182.