裝備的環境腐蝕效應抑制技術

張皓玥,張菲玥,鐘 勇,張倫武

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

【基礎理論與應用研究】

裝備的環境腐蝕效應抑制技術

張皓玥1,張菲玥1,鐘 勇2,張倫武2

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

從我國的環境特征和軍事需求出發，分析了裝備面臨的環境、裝備的環境腐蝕效應及危害，敘述了如何從環境抑制、增強裝備耐蝕品質和加強維護保養與維修三個方面加強裝備的環境腐蝕效應抑制，為提高裝備環境適應性提供工程解決方案。

裝備；環境腐蝕；抑制；環境適應性本文

根據世界溫度和濕度的量值，美國、英國和北約組織將全球氣候環境分為熱環境(A1,A2,A3)、基本環境(B1,B2,B3)、冷和極冷環境(C0,C1,C2,C3,C4)、沿海/海洋環境(M1,M2,M3)等四個大類14種類型。中國只有6種環境類型(A3,B2 C0,C1,C2,M2)[1]。政治多極化，經濟全球化已經勢不可擋，為保障國家安全和利益拓展，服務“一帶一路”戰略，裝備必須適應比我國環境更加嚴酷的自然和誘發環境，才能滿足我軍遂行維和、護航、反恐、救災等多種軍事任務的需要。

1 裝備的環境腐蝕效應

1.1 裝備面臨的環境

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

1.2 裝備的環境效應及危害

各種環境條件與裝備相互作用，不僅導致裝備性能和功能發生變化，還會產生巨大的經濟損失。如溫度會產生高溫效應、低溫效應、變溫效應，太陽輻射會產生加熱效應與光化學效應等，1986年1月28日，美國“挑戰者號”航天飛機僅因一個聚硫密封圈在低溫環境下過早老化出現裂紋，導致升空72 s后便發生燃氣泄漏，突然爆炸，使耗巨資準備多年的航天計劃流產[4]。據統計，全世界每年因環境腐蝕造成的經濟損失高達數萬億美元，約占GDP的3%～5%[5]。裝備的環境效應也造成資源與能源的消耗和浪費，不利于建設資源節約型、環境友好型社會。裝備的環境腐蝕效應危害最大，不僅會直接影響裝備的性能和功能[3]，還會降低使用安全性，關乎戰爭的勝負，關乎人員的生命安全。因此加強裝備的環境腐蝕效應抑制技術的研究，將環境腐蝕造成的影響控制在最低限度內，其軍事、經濟和社會效益十分顯著。

2 裝備的環境腐蝕效應抑制基本思路

裝備在環境中受環境因素作用發生腐蝕導致其性能變化的過程，從熱力學“熵”的角度可以簡單理解為環境與裝備相互作用達到動態平衡的過程。環境因素的效應促使裝備發生腐蝕，而裝備內在抵抗腐蝕性能力以及采取適當的措施可抑制腐蝕的發生與發展。因此，裝備的環境腐蝕效應抑制基本思路可以從環境抑制、增強對象耐蝕品質和加強維護保養與維修這三個方面予以考慮。如圖2所示。

圖2 裝備的環境腐蝕效應抑制基本思路

3 裝備環境腐蝕效應抑制技術

3.1 環境抑制技術

3.1.1 環境阻隔

環境阻隔技術一般以表面防護技術為主，包括表面碳氮共滲、陽極氧化、電鍍、化學鍍、涂覆有機/無機涂層及其他長效綠色防護工藝等[6-9]。其核心是在裝備表面生成一層阻隔物質(涂層、鍍層、膜層等)，將裝備與環境物理隔絕，阻斷或減緩環境腐蝕效應。一旦阻隔物質發生破損或脫落，裝備將再次暴露在環境中。因此，環境阻隔的好壞一般主要取決于表面防護層的防護效能與耐久性。

3.1.2 微環境控制

微環境控制技術就是當裝備不可避免需要接觸環境時，在一定范圍內對其周圍環境進行控制，減輕環境對裝備的腐蝕性。如軍需品倉庫一般要求將溫度控制在30℃以下，相對濕度控制在70%以下；精密電子器件包裝箱(袋)內充惰性氣體或抽真空；履帶式加榴炮則采用炮衣進行緩蝕防護包裝與封存等。圖3為控制局部環境濕度的美軍M1坦克。

圖3 局部環境控制的美軍M1坦克

3.2 增強裝備耐蝕品質

3.2.1 材料優選

材料不同，其腐蝕抗性差異很大。裝備在設計階段進行材料選擇時，既要考慮力學特性能滿足結構和強度的要求，更要針對特定的服役環境，考慮抗環境腐蝕能力強的材料，有效減少因選材不當造成局部腐蝕、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、環境與應力腐蝕敏感性。

選材不當會引發嚴重后果，如某型飛機因鋁合金嚴重剝蝕，致使腹板截面有效厚度下降，導致在未達設計使用壽命而提前斷裂[10]，如圖4所示。

圖4 某型飛機XX框腐蝕斷裂

3.2.2 耐蝕結構設計

裝備的環境腐蝕效應與其結構也有著密切關系。良好的防腐蝕結構設計可以有效減緩環境因素對裝備的腐蝕效應，不當的結構可能會加劇腐蝕的發生和發展。結構設計中，應避免出現應力腐蝕、接觸腐蝕、微生物腐蝕敏感區，以及避免出現易引起液態或氣態腐蝕介質浸入、聚集、凝露等的結構缺陷[11-13]。主要的防腐蝕結構設計有：

防潮排水設計：采用較好的密封設計，如濕裝配、密封鉚接、水密設計等，防止水介質進入；在易積水位置設置排水孔，保證排水孔處于積水部位的最低處，防止液體水的滯留；合理設計通風結構形式，防止氣態水的滯留，降低濕潤時間。

抗電偶腐蝕設計：異種材料連接時，若不采取特殊設計，一旦遇到腐蝕介質，異種金屬接觸處產生電偶腐蝕，電位較低的金屬(陽極)腐蝕速度增加；大陰極、小陽極的結構設計也會加速陽極的腐蝕。因此，設計時應避免出現大陰極對小陽極結構；連接處采取絕緣措施或利用表面技術隔離腐蝕環境，如絕緣橡膠 、尼龍布、有機涂層等；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構電偶腐蝕照片。

圖5 典型異種金屬連接結構電偶腐蝕

防縫隙腐蝕和腐蝕疲勞設計：或拓寬縫隙、或填塞縫隙、或改變縫隙位置以防止介質進入；避免使用時產生的應力、裝配應力和殘余應力疊加作用；盡量避免零件結構設計有應力集中和局部受熱部位，設計時避免尖角；加大危險截面處的局部強度，合理地控制材料的最大允許應力。

3.2.3 電化學保護設計

對大型裝備，如艦船船體、橋梁、地下管線等而言，除以上環境腐蝕效應抑制技術外，比較典型的有電化學保護技術。電化學保護技術主要包括犧牲陽極保護和外加電流陰極保護技術[14]。

犧牲陽極保護法與抗電偶腐蝕設計中的避免出現大陰極對小陽極結構的原理基本相同，是將還原性較強的金屬作為保護極，與被保護金屬相連構成原電池，還原性較強的金屬將作為陰極發生氧化反應而消耗，被保護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。

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

3.3 裝備的維護、保養與維修

3.3.1 維護與保養

裝備生產完成后其自身的耐蝕品質基本確定。抑制裝備的環境腐蝕效應除了控制其所處的外部環境外，還可采取定期檢查、監測、清洗、涂油、噴灑緩蝕劑、防護涂層/密封劑修補等措施，建立適宜的維護、保養程序和方法，強化日常使用中的腐蝕防控意識，預防腐蝕的出現。

3.3.2 腐蝕維修

裝備在使用和貯存過程中應定期檢查，盡早發現環境腐蝕，視環境腐蝕損傷程度及時采取腐蝕產物清除、防護涂層修補等措施，控制腐蝕的發展。也可進行零部件替換，滿足規定期限內裝備的安全可靠使用要求，延長裝備的使用壽命。良好的腐蝕維修處理可以最大程度發揮裝備的效能，節約資源與費用。如美國民兵Ⅲ型洲際彈道導彈服役至今已長達半個世紀，其超長壽命正是有賴于持續的環境損傷監測與腐蝕維修控制[15]。

4 結束語

裝備在服役過程中，與環境相互作用產生環境腐蝕效應是不可避免的。但只要認識和掌握了環境與裝備相互作用的原理、性能演變規律，就可以通過優選材料和工藝、采用抗環境腐蝕結構設計、控制局部環境、科學維護和保養，抑制或削弱環境對裝備的不利影響，保障裝備好用、管用、耐用、適用。

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(責任編輯 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，高級工程師，主要從事產品環境試驗與評價技術研究。

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.裝備的環境腐蝕效應抑制技術[J].兵器裝備工程學報，2017(3):180-182.