某型船青銅閥門腐蝕原因分析及治理措施

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(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

青銅閥門在船舶海水系統中被廣泛應用。海水對閥門的腐蝕作用降低了使用壽命，增加了維護及維修的費用，嚴重影響船舶的安全，因此，對閥門的選材設計及腐蝕控制措施的研究，能夠有效減輕和抑制對船舶的腐蝕，提高其經濟運營性，具有重要的經濟意義和實用價值[1-3]。設計的目標是能合理設計海水系統并對腐蝕問題進行有效控制[4-6]。

通過闡述某型船進廠維修的青銅閥門的腐蝕情況，分析不同閥門的腐蝕原因，提出治理措施，使得青銅閥門的腐蝕問題得到有效的預防和控制。

1 腐蝕現象

對進廠修理的某型船的青銅閥門的腐蝕情況進行統計，通過拆解勘驗，發現返廠的日用海水系統青銅閥門的腐蝕比較嚴重，部分閥門需更換閥體、閥盤，幾乎全部的閥桿因脫鋁腐蝕需換新。

1.1 截止閥和截止止回閥

青銅截止閥和青銅截止止回閥大部分使用時間為4～9年。其結構見圖1，主要零件及材質見表1。

圖1 截止閥和截止止回閥結構示意

表1 青銅截止閥/截止止回閥主要零件和材質

截止閥和截止止回閥的腐蝕主要發生在閥體和閥盤密封面及閥桿接觸海水部位。勘驗發現所有的閥桿都發生脫鋁腐蝕，引起閥桿外表顏色變紅并有成片細微小坑，腐蝕導致閥桿的化學成分發生變化。

海水閥門中的青銅截止閥、青銅截止止回閥內漏，閥門出現關不嚴的現象；閥門使用過程中，閥桿和密封填料之間出現漏水現象，不能繼續使用。

圖2、3為閥體、閥盤實物。

圖2 閥體實物

圖3 閥盤實物

1.2 減壓閥

減壓閥的結構見圖4，主要零件和材質見表2。

圖4 青銅減壓閥結構示意

表2 青銅減壓閥主要零件和材質

減壓閥的腐蝕主要發生在閥桿和閥體，所有的閥桿都發生脫鋁腐蝕，表面有白色的結塊物質(見圖5)，擦去表面白色結塊后(見圖6)，閥桿外表顏色變紅并有成片細微小坑，腐蝕導致閥桿的成分發生變化，無法繼續使用。減壓閥的閥體密封面腐蝕也比較嚴重，部分閥體內腔因腐蝕出現穿孔的現象，減壓閥閥盤密封面完全被沖蝕，減壓閥膜片破裂，海水泄漏腐蝕閥上蓋導致其出現銹跡的現象。

圖5 閥桿和閥盤的腐蝕情況

圖6 閥桿白色物質清除后情況

1.3 安全閥

青銅安全閥是按照CB907—94標準生產的，結構見圖7，主要零件和材質見表3。

圖7 安全閥結構示意

表3 青銅安全閥主要零件和材質

安全閥的腐蝕主要是在閥盤和閥體之間因脫鋁腐蝕產生白色結塊物質(見圖8)，卡在閥體和閥盤之間，造成閥盤運動卡阻，無法及時回座，嚴重影響安全閥的回座性能。安全閥易出現不能正常起跳或正常起跳后不能回位的現象，安全閥超壓泄放不能復位會導致海水從安全閥處泄放至所在的艙室。拆卸安全閥后發現閥門內有大量白色凝結物，閥盤被其膩死，無法正常取出。

在2014年進廠修理時，為防止安全閥發生脫鋁腐蝕，在所有安全閥的閥體內腔和閥盤外表都進行涂氟處理，但從本次拆解情況來看，脫鋁腐蝕情況比2014年進廠修理時有所改善，但仍無法避免脫鋁腐蝕。

圖8 閥體和閥盤析出的白色物質

2 腐蝕原因分析

2.1 海水原因

閥門腐蝕的共性原因是由于海水中含有大量的氯離子，不但加速了閥門的腐蝕，其中的氯離子還會對某些氧化性保護膜的形成起阻滯和破壞作用。由于海水中含有濃度很高的氯離子，隨著海水流速增加，腐蝕速率加快。

由于與閥門接觸的海水直接取自海洋表面，其中的溶解氧幾乎達到飽和程度。氧在電化學腐蝕過程中是一種去極化劑，電化學腐蝕中一個極為重要的因素。海水中存在著大量的浮游微生物，如藻類、細菌、真菌等，直接參與了腐蝕反應。這些微生物排出的氨鹽、硝酸鹽、有機物、硫化物、碳酸鹽等代謝物使水質組成發生變化而引起腐蝕[7]。

由于船舶須在不同海域航行，要求海水閥門須適應不同海域內海水的溶解氧濃度、鹽度、溫度、等差異，使得青銅閥門的腐蝕機理更加復雜[8]。

2.2 腐蝕類別

2.2.1 電偶腐蝕

由于海水具有較高的電導率，當兩種金屬具有不同的電極電位放置于海水中時，電位低的金屬會加速溶解，電位較高的金屬溶解速度較低。青銅質閥門一般先發生脫成分選擇性腐蝕。然后發生均勻腐蝕。當海水管路采用白銅時，與管路相連的青銅閥門會產生電偶腐蝕。在水、氧氣和二氧化碳等的作用下生成銅綠[9]。

2Cu+ O2+ CO2+ H2O→Cu2( OH)2CO3

2.2.2 湍流腐蝕

由于青銅閥門在海水中工作時承受海水壓力高，銅截止閥在開啟或關閉時，海水的流速很大從而形成湍流。不僅增加了氧去極化劑的供應量，而且使流體對金屬表面的切應力增大，由于海水中還帶有大量泥砂等固體顆粒物，加劇了閥體和閥瓣的表面磨損。由于青銅閥門的結構復雜，開啟或關閉時水流沖擊著閥門的內壁，使其保護膜破壞。若此時流速過大，會發生空泡腐蝕，使得閥體表面腐蝕成海綿狀。

2.2.3 氧濃度差腐蝕

氧濃差腐蝕大多發生在青銅閥門的閥桿部位。在閥桿的填料函以上部位，由于氧的擴散途徑短，導致氧的濃度高, 變成了腐蝕電池的陰極；氧的濃度較低的填料函部位成為腐蝕電池的陽極遭受到腐蝕。

2.2.4 縫隙腐蝕

在青銅閥門的閥體和閥蓋與法蘭的結合處，閥瓣與閥桿的連接處，以及鉸鏈銷接合處等部位，由于縫隙的存在，導致海水等介質會滯留在其中。腐蝕在剛開始時，氧去極化腐蝕在縫隙內外均勻進行。隨著腐蝕時間變化, 存在于縫隙內的氧得不到及時補充，使氧的還原反應中止。縫隙外的氧還原反應仍然可以持續進行，使得縫隙的內外構成宏觀的濃差電池，縫隙內發生的陽極溶解反應可以表示為[10]

Me-ne→Men+

縫隙外的陰極反應可以表示為[10]：

1/2O2+ H2O+ 2e→2OH-

由于氧濃差電池的存在，促進了腐蝕作用產生。隨著陽極的腐蝕反應不斷發生，縫隙內的金屬陽離子富積，使得腐蝕產物堵塞縫隙口，促使介質中的Cl-的進入維持電荷的平衡，使得金屬氧化物的水解導質酸化，使腐蝕現象更加劇烈。

2.3 截止閥和截止止回閥腐蝕原因

由于青銅閥門在長時間、高強度特殊使用條件下和海生物異常生長環境下，青銅閥門因海生物造成流道阻塞，流速增大，加劇了沖刷腐蝕，同時存在B10管路與青銅閥門之間的異種金屬電化學腐蝕現象。

青銅截止閥、截止止回閥材料使用上考慮了防腐的需求，使用具有良好的機械性能、加工性能和耐海水腐蝕性能并在海洋工程中有著廣泛應用的銅基合[11]。在實際使用中，閥門易出現兩類漏水情況：閥門內漏、閥桿處海水外漏。主要表現在部分閥門內漏，閥門出現關不嚴的現象；閥門使用過程中，閥桿和密封填料之間出現漏水現象等。

青銅截止閥、截止止回閥產生上述腐蝕的主要原因：硬密封的密封面比較狹窄，閥門處于關閉位置時，閥盤和閥體密封面真正結合的部位只有一條線，密封面之間存在一定的縫隙，長時間海水浸泡環境中使海水介質處于滯流狀態，引起縫隙內金屬的縫隙腐蝕。

當縫隙腐蝕形成并導致閥門密封面泄漏后，由于截止通過縫隙的流動速度過快，夾有氣泡的海水沖擊密封面表面，并伴隨氣泡在密封面生成和破滅，可能產生湍流腐蝕和空泡腐蝕，進一步加速閥門密封面的腐蝕，最終導致閥門密封面完全失效。

海生物附著在密封口，關閉閥門時容易造成密封口劃傷磨損，導致內漏。閥門經常關閉開啟，閥桿處填料磨損，未作緊固處理或未及時更換，造成閥桿處外漏海水和閥組周邊腐蝕。硬密封閥盤腐蝕情況見圖9。

圖9 硬密封閥盤腐蝕情況

2.4 減壓閥腐蝕原因

在海水減壓閥材料使用上考慮了防腐的需求。在實際使用中，海水減壓閥出現過閥盤腐蝕穿孔的現象，減壓閥膜片破裂，海水泄漏腐蝕閥上蓋導致其出現銹跡的現象。

海水減壓閥產生腐蝕的主要原因：由于海水減壓閥的閥上蓋采用鑄鋼(ZG 230-450)，不耐海水腐蝕。在海水減壓閥膜片破裂情況下，海水滲出腐蝕海水減壓閥的閥上蓋，腐蝕銹水從通氣孔流出。海水減壓閥的緊固件不耐凝水和泄漏海水腐蝕，造成緊固件銹蝕。

2.5 安全閥腐蝕原因

安全閥產生腐蝕的主要原因：安全閥材質為鋁青銅，在海水條件下容易發生脫成分腐蝕，且脫鋁以選擇性溶解的方式進行，腐蝕擴展到一定程度會貫穿整個安全閥的厚度，引起海水泄漏。

3 治理措施

3.1 截止閥和截止止回閥腐蝕問題治理措施

通過對腐蝕的現象、原因分析，對實船上海水系統的硬密封閥門進行改進，借鑒國外的技術，采用軟密封的密封面的青銅閥門代替硬密封的閥門在實船上進行試用，效果良好，基本解決閥門閥盤腐蝕密封不嚴的問題。軟密封閥門使用情況見圖10。

圖10 軟密封閥門使用內部情況

設計中，海水系統的閥門宜選擇軟密封的截止閥、截止止回閥和隔膜閥，使閥門達到可靠密閉的效果。

3.2 減壓閥腐蝕問題治理措施

海水減壓閥腐蝕的解決措施：將閥上蓋采用鑄鋼(ZG 230-450)更換為不銹鋼材質解決生銹問題，將閥體緊固件材質更換為不銹鋼緊固件，在海水減壓閥組上加裝法蘭間式犧牲陽極解決海水減壓閥腐蝕穿孔的問題。法蘭間式犧牲陽極的使用年限一般為3年，法蘭間式犧牲陽極見圖11。

圖11 法蘭間式犧牲陽極

3.3 安全閥腐蝕問題治理措施

安全閥的腐蝕問題需要尋找并試驗耐腐蝕的材料，腐蝕處理手段只能修理并更換。鑒于安全閥因腐蝕會導致安全閥起跳后不能回座，安全閥泄放的管路在安裝視液鏡的情況下，直接排至舷外，防止海水泄漏至艙內。

4 結論

在返廠維修的船舶中，均需要對大量的閥門進行維修及保養，對閥門的密封面進行打磨，對閥體外表面雜物和銹層進行清除，對腐蝕嚴重的進行更換，所需費用較大。對船舶海水閥門的腐蝕問題研究，不但能增加船用設備的安全性和可靠性，更具有重要的經濟意義。