島礁油料裝備的腐蝕特性及全壽命腐蝕控制策略

王爭榮，向永華，楊瀟，李永

（1.92228部隊，北京 100072；2.中國科學院理化技術研究所，北京 100190）

隨著島礁的建設和發展，越來越多的油料裝備部署到島礁進行保障。油料裝備主要是承擔油料運輸、儲存、加注等任務的油罐、泵站、過濾計量設備、加油車和輸送管線等設施設備、裝備器材。由于島礁苛刻的腐蝕氣候環境原因，油料裝備的腐蝕情況較內陸及沿海地區更為嚴重。一是金屬材料的腐蝕問題，主要包括車輛底盤和上裝腐蝕。車輛底盤腐蝕生銹主要存在于尾氣管、支架、蹬車踏板等部位；上裝腐蝕生銹主要存在于踏板、基座平臺、結構件、緊固螺栓（含放松墊圈）、電纜插頭、液壓管路和閥門等部位。此外，車輛暴露在外的螺母、車窗外邊框、天窗蓋合頁、焊接接縫處、排氣管、鋼板彈簧腐蝕以及各種輸油管路、閥門、轉換接頭、油泵機組底座、流量計、過濾器及其配套的螺栓螺母等油料設施設備、器材銹蝕也非常嚴重，嚴重影響油料裝備及器材的保障效益和使用壽命。二是橡膠、塑料、合成材料等非金屬材料，主要存在老化加速、強度減弱、變脆易碎等情況。三是電子裝備出現的腐蝕，主要是電路板、線路接頭、插頭等容易出現氧化，導致線路打火、短路、斷路、連接不穩定、裝備性能下降等問題發生，影響裝備使用。上述腐蝕問題降低了油料裝備的完好率和部隊的保障能力。

目前，國內在油料裝備及其附件的腐蝕失效機理及其防護控制研究方面，還缺乏系統性和理論研究支撐，島礁保障人員對油料裝備的腐蝕防護與控制措施還缺乏必要的手段。因此，針對南海島礁的環境特點，開展油料保障裝備的腐蝕分析和防護策略研究，對提高油料裝備完好率和保障能力具有至關重要的作用和意義[1-4]。

1 西南沙島礁環境典型特征及其腐蝕等級

由于西南沙海域接近赤道，接受太陽輻射的熱量較多，年平均氣溫為25～28 ℃。最冷月份的平均溫度在20 ℃以上，最熱時，極端溫度達33 ℃左右，一年中溫差較小。南沙及其鄰近海區濕度相對較高，年平均相對濕度達 83.6%。南沙及其鄰近海區溫度和相對濕度的平均數值見表1。除高溫和高濕外，西南沙島礁區域屬于強日照環境，年平均太陽輻射總量為1820.04 J/(cm2·d)。4—6 月平均太陽輻射總量為2092 J/(cm2·d)，為全年最高值。

表1 南沙及其鄰近海區溫度和濕度平均值Tab.1 Mean temperature and relative humidity of Nansha and its adjacent area

通過ISO 9223-9226大氣腐蝕分級分類標準，西南沙島礁海域的大氣環境下鋼、鋁合金、銅合金以及鋅的腐蝕速率見表2。據此可判斷該區域的腐蝕環境等級應該為C5級，具有較為廣泛的南海嚴酷環境代表性[5]。

表2 通過腐蝕速率分類西沙大氣腐蝕等級Tab.2 Classification of atmospheric corrosion grade of Xisha by corrosion rate

2 西南沙島礁環境對油料裝備腐蝕的影響及其腐蝕形式

2.1 島礁環境對油料裝備金屬構件的影響

島礁油料裝備所處的自然環境惡劣，晝夜溫差大，夜晚容易在其表面形成冷凝水汽。沿海地區空氣中含有大量隨海水蒸發的鹽分，其溶于小水滴中，便形成濃度很高的鹽霧。鹽霧對油料裝備的腐蝕作用主要表現在兩個方面[6]：一是直接作用，即鹽霧會腐蝕油料裝備的金屬部件，當材料表面的相對濕度達到露點時，就會在材料表面形成一層薄液膜，污染氣體、灰塵等就會溶解于其中，形成腐蝕性電解液，金屬部件產生均勻腐蝕，即整個金屬表面以幾乎相同的速度進行腐蝕，無明顯的腐蝕形態差別。

在油料裝備上，均勻腐蝕的主要部位有：踏板、基座平臺、結構件以及車輛暴露在外的螺母、車窗外邊框、天窗蓋合頁等表面部位。均勻腐蝕是油料裝備中廣泛存在的腐蝕形式，如圖1所示。

另一方面是島礁的三高環境對油料裝備的間接作用，即會改變油料裝備周邊的環境條件。油料裝備作為結構復雜的金屬多元體，組成材料成分復雜。裝備長期受到島礁潮濕大氣的腐蝕作用，在使用期間會與海水這種強電解質接觸。不同的金屬有不同的電極電位，在海水這種電解質中，油料裝備中異種結構件就會構成嚴重的電偶腐蝕[7]，如圖2所示。

圖1 油料裝備的均勻腐蝕Fig.1 Uniform corrosion of oil equipment

圖2 油料管線及閥門（電偶腐蝕）Fig.2 Oil pipeline and valve(galvanic corrosio)

油料裝備中的許多結構都是由眾多零部件連接而成的，這些連接部位可能出現縫隙，為縫隙腐蝕創造了有利的條件。這些縫隙在化學介質中，會形成閉塞電池腐蝕，電解質一旦進入縫隙，就會長期存在里面。縫隙距離較寬時，導電阻力較小，易形成連續、長期的電化學腐蝕，腐蝕速率加快。油料裝備產生縫隙腐蝕的主要部位較多，如焊縫氣孔、法蘭連接面、緊配合的軸銷、零部件的連接處等。

高溫氧化腐蝕在油料裝備中也是一種十分典型的腐蝕類型，如發動機的排氣支管（圖3），所處的溫度較高，發動機排出的廢氣，更加劇了這些高溫部件的腐蝕。此類腐蝕對高溫部件的危害是極其嚴重的。

圖3 油料裝備排氣管道高溫腐蝕Fig.3 High temperature corrosion of oil equipment exhaust pipe

2.2 島礁環境對儲油罐體腐蝕影響

島礁環境不僅會腐蝕油料裝備的金屬構件，還會對儲油罐體安全構成危害。儲油罐體的環境影響失效過程如下：在島礁長時間日照輻射傳熱的作用下，油料罐體持續吸收熱量，吸收了超出正常設計范圍的大量輻射熱，熱量通過罐體向內部傳遞，導致罐體內部溫度不斷升高。溫度的升高使得罐內壓力逐漸升高，當壓力超過密封件所能承受的臨界壓力時，密封件破裂；當壓力降低到外部環境壓力后，罐體通過泄露孔發生介質交換，外部潮濕空氣進入罐體加速了腐蝕速率。

當密閉罐體發生換氣時，會使裝備與外部環境發生介質交換，致使大氣環境中含有的霉菌、鹽霧等腐蝕性成分的濕熱空氣進入油料罐體內部。此外，濕熱環境也會加速裝備表面防腐涂層和橡膠密封件的失效，從而導致過早出現防護涂層的起泡、龜裂、脫落、密封件老化、潤滑劑黏度降低等。

3 油料裝備全壽命腐蝕控制研究

3.1 油料裝備腐蝕故障數據收集和分析以及關鍵防腐技術研究

目前國內島礁環境下裝備腐蝕研究主要通過實驗室加速腐蝕模擬的方式獲得基礎數據[8]，島礁實際環境下材料腐蝕數據缺乏。針對這一研究現狀，依托北京科技大學“國家材料腐蝕與防護數據中心”，并結合實地調研，開展針對南海島礁環境下使用的油料裝備的腐蝕數據進行收集、分析和挖掘利用，確定腐蝕薄弱環節、易腐蝕部位、易腐蝕部件的類型，明確技術攻關的方向，了解油料裝備的耐腐蝕設計和控制基礎。另一方面，開展油料裝備在島礁環境下腐蝕防護關鍵技術研究，通過實驗室加速和實際環境對比試驗研究，確定島礁環境下油料裝備特征腐蝕形式和機理，建立腐蝕因素關系模型，獲得油料裝備在島礁環境下性能演化的基本規律[9]。

3.2 油料裝備腐蝕控制一體化解決方案

1）島礁環境下油料裝備的防護體系設計原則。為確保島礁裝備在西南沙海洋環境下的結構完整性、使用壽命和可靠性，防護體系應由結構材料表面的金屬防護層或化學覆蓋層外加有機涂層組成。針對該防護體系的設計原則如下：為應對苛刻的海洋環境，島礁裝備的金屬結構防護體系需采用立體復合厚膜化模式（立體復合：表面處理+防銹底涂層+屏蔽中間涂層+耐候面，涂層；厚膜化：在不影響使用的前提下應提高涂層厚度，參照ISO 12944推薦的300～400 μm以上）；2）金屬基材、金屬鍍覆層/化學覆蓋層和有機涂層應良好相容，防護體系應有良好的附著力（10 MPa以上），防護體系的耐腐蝕性、耐大氣老化性能、“三防”性能以及涂層系統內之間的適配性和工藝性應經過相應標準檢驗（如ISO 12944）；選擇合適的表面處理方式，確保涂裝體系與不銹鋼基材的良好附著，同時注意檢查涂層的完整性，防止基材在涂層保護下的局部腐蝕；在工況允許的條件下，可以通過選擇烘烤、粉末涂料等性能優異的涂料涂裝工藝確保防護體系的有效性；印刷電路板應采用高質量的三防漆，在不影響性能的前提下，適量增加涂層厚度；嚴格管理涂裝全過程，涂料質量驗證、涂裝前基材處理、涂裝環境控制、涂裝工藝管理、涂裝后涂層質量檢驗與養護的各個過程都需進行嚴格管理。

2）發展綜合性能優良的油料裝備耐蝕關鍵結構材料。針對島礁苛刻的腐蝕環境，油料裝備中關鍵的耐蝕結構件多采用不銹鋼材質，以提升裝備的保障性能。對于不銹鋼材料而言，雖然面心立方結構的（奧氏體）不銹鋼（如 304不銹鋼、316不銹鋼等），具備了優異耐腐蝕能力，可以有效抵抗 Cl-的侵蝕，但這類材料強度偏低。如果通過冷加工提高其強度，又會顯著降低其抗腐蝕性能和疲勞性能。馬氏體不銹鋼盡管在常溫下具有良好的強度、韌塑性和熱加工性能，但其體心立方結構，有利于 Cl-和氫的擴散，容易造成材料的腐蝕破壞和氫致開裂，尤其是抗應力腐蝕性能較低，同樣不能滿足關鍵結構部件對耐腐蝕性能及使用壽命的需求。為保障島礁環境下油料裝備的長期保障能力，急需研發一種高性能的油料裝備用耐蝕合金材料，以打破無材料應對方案的困局。

近年來快速發展的高熵合金，憑借其優異的綜合性能而引人注目，為我國島礁環境下油料裝備關鍵結構材料的研制提供了一個全新的方向[10-11]。在眾多高熵合金體系中，以Co、Cr、Fe、Ni等為主要組元的面心立方結構（FCC）單相高熵合金具有“優秀的耐腐蝕能力”已經成為國際共識。現有研究表明，該類材料具有均勻的無序固溶體結構，其表層易形成穩定的高熵化非晶鈍化膜，導致其在NaCl、H2SO4、NaOH等溶液中具備高腐蝕電位、低腐蝕電流密度、高點蝕電位和寬鈍化范圍的突出特性，表現出了超越奧氏體不銹鋼的電化學穩定性，見表3[12-17]。更可貴的是，FCC單相高熵合金還可有效抵抗氫原子的擴散和侵蝕，抗氫脆性能也優于奧氏體不銹鋼[18-22]。此外，有關 FCC單相高熵合金強化機制的研究工作也已取得長足進展，形變強化、細晶強化、析出強化等強化措施均被證實可有效提升合金的強度。其中，析出強化方法因效果顯著、工藝成熟度高而最受關注。實驗證明，合理調整合金成分和加工工藝，可獲得室溫拉伸強度≥1200 MPa，且塑性變形量>15%的高熵合金體系，其力學性能完全滿足島礁苛刻腐蝕環境使用的要求。因此，基于這種兼具優異耐腐蝕性能和力學性能的新型材料體系開發的油料裝備用耐蝕部件，有望實現油料裝備耐腐蝕性能跨越式提升。

表3 典型FCC高熵合金在3.5% NaCl溶液中的電化學腐蝕性能（參比電極：SCE）Tab.3 Electrochemical corrosion performance of typical FCC high entropy alloy in 3.5% solution(reference electrode: SCE)

3.3 油料裝備腐蝕維護策略

成功的油料裝備腐蝕控制依賴于一個全面的維護和保養策略。在油料裝備維護、維修和保養方面，每一個相關人員都需要進行腐蝕檢查、維修和保養方面的培訓。建立完善管理制度，成立腐蝕防護與控制辦公室或腐蝕防護聯合攻關團隊，確立責任制，完善機制管理，制定控制文件，建立油料裝備腐蝕控制管理體系、完善腐蝕控制文件體系以及腐蝕控制人員培訓系統[7-8]。維護保養的目的是保證裝備能夠正常地工作，并適當地延長使用壽命，在裝備由于腐蝕原因而導致性能出現下降時，應對腐蝕進行及時的處理，一般流程如圖4所示。最后，對裝備開展全壽命腐蝕控制評價。

圖4 油料裝備腐蝕維護策略Fig.4 Corrosion maintenance strategy of oil equipment

3.4 整體技術路線

針對目前油料裝備在島礁環境下腐蝕機理認識不足、防護對象不明確、維護方法不科學的現狀，提出島礁油料裝備的全壽命腐蝕控制技術路線，如圖5所示。

圖5 油料裝備腐蝕控制研究整體技術路線Fig.5 Overall technical route of corrosion control research of oil equipment

4 結語

腐蝕是島礁油料裝備在使用過程中面臨的重要關鍵問題之一，不僅影響其保障效能，對后續維修和保養也影響巨大。文中針對油料裝備的使用環境特征、腐蝕失效現象以及腐蝕機理進行了系統的分析，提出開展油料裝備腐蝕故障數據收集和分析以及全壽命腐蝕控制研究作為今后的重點研究方向。最后針對腐蝕不同的機理特征，提出了油料裝備全壽命腐蝕控制策略，為島礁油料裝備的腐蝕壽命預測、維修與保養提供技術支持和理論指導。