某型舰船淡化海水管路腐蚀失效原因及治理建议

2017-06-23 09:30:15 作者：王广夫，董彩常，吴恒，张波来源：腐蚀与防护分享至：

    某型舰船淡化海水管路材质设计为镀锌管，服役较短时间后即发现腐蚀现象非常严重，这对船上官兵的日常生活造成了极大的影响。镀锌管是我国早期铺设城市自来水管的主要管材，后因易发生比较严重的腐蚀问题而逐渐被淘汰，而由于镀锌钢管价格低廉，在一些领域仍然继续使用。

    本工作通过实船取样，对某型舰淡化海水管路镀锌管的腐蚀问题进行了实验室分析，通过腐蚀形貌宏观观察和腐蚀产物成分分析等方法，研究了镀锌管在淡化海水中发生严重腐蚀的主要原因，并在此基础上提出了相应的治理方案。

    １　试验

    １。１　宏观观察

    采用线切割剖开实船的镀锌钢管样品，使用尼康Ｄ５０相机采集镀锌管内的腐蚀形貌。用３。５ｇ六次甲基四氨＋５００ｍＬ盐酸＋５００ｍＬ蒸馏水配成酸洗溶液对腐蚀产物进行清洗，去除腐蚀产物后，观察分析基体腐蚀形貌和类型。

    １。２　点蚀深度测量

    使用点蚀测量仪测量点蚀坑深度，判断腐蚀严重程度和腐蚀类型。

    １。３　化学成分分析

    使用Ｆｌｕｏｒｏｌｏｇ－３型荧光分光光度计，分析内锈层、外锈层中各元素含量，判断腐蚀产物的来源；使用Ｂｒｕｋｅｒ／Ｄ８ＡＤＶＡＮＣＥ型Ｘ射线衍射仪（ＸＲＤ），分别对内外锈层进行测试，分析腐蚀产物的成分，并验证红外光谱分析结果，探究镀锌管的腐蚀原因。

    ２　结果与讨论

    ２。１　宏观形貌观察

由图１可见，镀锌管内部锈蚀非常严重，腐蚀产物层呈不规则状，厚薄不均。外表面腐蚀产物呈现黄褐色，手触感觉有一定硬度，腐蚀产物较易脱落，且在脱落处可看出底层明显的黑色内锈层。

由图２可见，锈层并不是非常均匀地附着在整个管路内部表面，而是以山丘隆起状分布的，锈层形状为片状，与碳钢在海水中的腐蚀形貌有比较明显的差别。管路内部锈层覆盖的程度不一，大部分区域锈层很薄，小部分区域锈层较厚，较厚的部位外锈层脱落后可以看到内部呈现黑色，初步判断可能为Ｆｅ３Ｏ４。

由图３可见，镀锌管内壁整体出现了非常严重的坑蚀，腐蚀类型为局部腐蚀，而非全面腐蚀，管壁出现严重腐蚀斑的面积已达到管壁面积的９０％以上。

    由图４可见，镀锌管内部腐蚀坑已发展较深，部分蚀斑连接成片。采用点蚀深度测量仪对腐蚀坑点的深度进行测量，结果表明，最大坑蚀深度为１。４２ｍｍ，对于３。５ｍｍ壁厚的镀锌管来说，其最大腐蚀深度已达到壁厚的４０％。

    综上所述，镀锌管在淡化海水中腐蚀严重，可能是由于淡化海水对镀锌管具有较强的腐蚀性。有关淡化海水水质的研究结果表明，与海水相比，一级反渗透产水（ＲＯ）的ｐＨ呈弱酸性，虽然一级反渗透产水中的盐度、Ｃｌ－等已有大幅降低，但依然具有较强腐蚀性。

    根据调研，该型船淡化海水依然是一级反渗透产水，故水中含有的少量的Ｃｌ－。而Ｃｌ－由于半径小、活性大，在介质中对镀锌层的破坏力极大。Ｃｌ－可从保护性镀层结构的缺陷处渗入，直接与钢基体发生反应。露出的金属基体便是活化－钝化腐蚀电池的阳极，未被穿透的大面积保护性镀层区域便是腐蚀电池的阴极。这种大阴极、小阳极的腐蚀电池促成了钢基体的局部腐蚀。

    ２。２　化学成分分析

表1.jpg

由表１可见，外锈层的元素成分比较复杂，除了常规铁锈元素如铁和氧元素外，其锌含量也比较高，可以推测外锈层中除了常规的氧化铁系列腐蚀产物外，还存在一定比例的镀锌层发生腐蚀后生成的腐蚀产物；此外，外锈层中虽含有一定量的钙，但含量极少，因此，可以推断镀锌管内壁形成的锈层并没有出现钙、镁氧化物等常规的水垢层。内锈层中锌的质量分数仅为３。２６％，分析原因应该是内锈层取样时不小心混入一定的外锈层所致。从锌的含量也可以推测，镀锌管内壁锈层的形成是由内向外逐渐发展的。

图5.jpg

由图５可见，内、外锈层都含有Ｆｅ３Ｏ４（５８７ｃｍ－１），并都有少量γ－ＦｅＯＯＨ（１　１６２，１　０２０，７４５ｃｍ－１）。从图中峰的强度可以判断，内、外锈层中Ｆｅ３Ｏ４含量均较多，α－ＦｅＯＯＨ含量均较少。铁的腐蚀产物Ｆｅ３Ｏ４和γ－ＦｅＯＯＨ都具有一定的反应活性，而α－ＦｅＯＯＨ相对来说是一种热力学稳定物质。从红外光谱分析结果可以看出，锈层产物主要为Ｆｅ３Ｏ４和γ－ＦｅＯＯＨ，α－ＦｅＯＯＨ几乎检测不到，可以推测在淡化海水中镀锌管的腐蚀产物处于活化状态，其腐蚀产物层并不像海水中致密的腐蚀产物层一样可以阻止底层金属的发生腐蚀。

另外，从外锈层的红外光谱图可以看出，在１　６２４ｃｍ－１有明显的单峰，此处的吸收峰是Ｚｎ（ＯＨ）２的特征峰。在７１２ｃｍ－１处是ＣａＣＯ３红外吸收特征峰，而此处峰并不明显，所以外锈层中钙含量较少，未发现镁的特征峰。此部分的分析结果与锈层荧光分析结果相符。

图6.jpg

    由图６可见，锈层主要由Ｆｅ３Ｏ４、γ－ＦｅＯＯＨ和β－ＦｅＯＯＨ等活性成分组成，而α－ＦｅＯＯＨ几乎检测不到。从峰的强度对比可以看出，外锈层的羟基氧化铁含量比内锈层的多，而内锈层主要以Ｆｅ３Ｏ４为主，这与红外光谱的分析结果相吻合。

    从红外光谱和ＸＲＤ的分析结果来看，腐蚀产物主要是铁的氧化物，主要包括Ｆｅ３Ｏ４、γ－ＦｅＯＯＨ和β－ＦｅＯＯＨ等活性成分，而α－ＦｅＯＯＨ几乎检测不到，外锈层的羟基氧化铁含量应比内锈层的多，而内锈层主要以Ｆｅ３Ｏ４为主，主要是因为外层的γ－ＦｅＯＯＨ不稳定，不断转化为Ｆｅ３Ｏ４，这导致Ｆｅ３Ｏ４不断在锈层中积累，这也是在宏观腐蚀形貌中发现有较厚黑色内锈层的原因。

    ３　结论和建议

    镀锌钢在淡化海水中的腐蚀非常严重，腐蚀类型是局部腐蚀，点蚀是其主要表现形式。造成镀锌管腐蚀严重的原因：一方面是淡化海水水质的腐蚀性仍较强，呈弱酸性；另一方面是锈层表面形成的γ－ＦｅＯＯＨ不稳定，且锈层质地疏松，不能对锈层下的基体提供保护。

    为了避免舰船淡化海水管路继续发生比较严重的腐蚀问题，建议如下：

    （１）对已安装使用的镀锌管路，建议结合维修等级更换耐蚀性更好的管路，如采用３１６Ｌ不锈钢管替换腐蚀严重的镀锌管；

    （２）新型舰船设计建造时，对于淡化海水管路的选材宜直接选用耐蚀性更好的３１６Ｌ不锈钢管材料；

    （３）对淡化海水采取矿化及消毒措施，调节水质ｐＨ，减轻介质对管路材料的腐蚀仍未达到有效，但较Ｄ为１ｃｍ时有所改善。当Ｄ为１０ｃｍ时，管表面电位为７３５～１　０１４ｍＶ，管上部未出现过保护现象，下部（约４～４。５ｍ）未达到有效保护。当Ｄ为２０ｃｍ时，管表面电位为６６～１　０５９ｍＶ，管上部（深度０～０。２ｍ）已开始出现过保护现象，而下部（。５～４。５ｍ）还未达到有效保护。可见，Ｄ并不是越小或者越大越好，即阳极距离阴极不宜太近或者太远。在条件允许的情况下，应尽可能采用适当较大的阳极距离。