海洋型電動執行機構防腐蝕設計應用研究

陶光海，王 成，禹建勇，武文俊

（1.南京科遠智慧科技集團股份有限公司，南京 211102；2.江蘇省熱工過程智能控制重點實驗室，南京 211102；3.南京拓耘達智慧科技有限公司，南京 211102）

0 引言

電動執行機構作為過程控制系統的重要執行單元，接受標準信號（模擬量或數字量），并將此信號轉變成對應的機械位移，從而操縱調節閥、風門、擋板等，以此完成自動控制任務，執行機構對控制系統的調節性能和可靠性有著重要影響。

中國近年來大力發展海洋經濟，相關產業發展迅速，海洋型電動執行機構主要應用于海洋石油化工、船舶、沿海電廠等閥門管道的自動控制。隨著中國工業控制水平的不斷提高，近年已陸續將機械調節或就地手操改為電氣控制或電液控制，由電動調節閥代替原機械式的減壓閥[1]。然而，在控制系統中的薄弱環節始終是電動執行機構，欲提高自動化水平，必須采用高可靠電動執行機構，才能確?？刂葡到y工作可靠性[2]。

海洋型電動執行機構應用過程中的主要問題是海洋環境對電動執行機構的腐蝕，目前關于海洋型電動執行機構防腐蝕的設計研究較少，缺少全面的防腐蝕處理方案。根據海洋環境高鹽霧、濕熱的特點，本文全面分析了海洋型電動執行機構應用過程中常見的幾種腐蝕類型，經過理論分析研究，針對不同的腐蝕類型提出相應的解決措施。

1 海洋型電動執行機構常見的腐蝕類型

海洋及沿海地區的環境具有高鹽霧、濕熱的特點，海洋的大氣中主要含有氯化物雜質（有資料表明沿海地區空氣中氯化物雜質體積質量年平均為5.4 μg/m ，雨水中氯化物雜質體積質量冬天為57 mg/L，夏天為18 m/L），由于氯化物的吸潮性，并且氯離子對某些金屬具有強烈腐蝕性[3]。電動執行機構屬于機電一體化產品，在海洋環境中常見的腐蝕類型主要有以下幾種。

（1）鋁合金外殼腐蝕。電動執行機構外殼常用ZL 或YL鋁合金，海洋環境中含有大量的氯離子，對鋁合金表面的鈍化膜產生破壞，使鋁合金表面鈍化膜不穩定，容易產生點蝕而出現“白斑”[4]。

（2）不同金屬材質之間縫隙腐蝕。從金屬在海水中的電偶序排列可以得知，鋁合金在海水中穩定電位（-0.79 V）較標準平衡電位（-1. 67 V）為正，但在海洋性氣候環境條件下，相比其他金屬仍為陽極性金屬，一與其他金屬接觸會引起電偶腐蝕，如銅與鋁接觸，銅為鋁提供一個強的陰極體，結果使鋁產生非常嚴重的電偶腐蝕[5]。海洋型電動執行機構中輸出軸和連接單元、緊固件等與外殼材質不同，配合面必定存在間隙，孔內壁裸露的金屬表面，易于積水且不易排水，一旦有海洋潮濕蒸汽和海水的進入，就很容易引起腐蝕[6]。

（3）外露金屬件的電化學腐蝕。執行機構外露零件主要有緊固件、輸出軸和連接單元、手輪軸等；這些零件常用材質均為鋼件，極易與海洋環境中的氯離子發生電化學腐蝕，化學反應原理：Fe3++3Cl-＝FeCl3。

2 海洋型電動執行機構的防腐蝕設計研究

2.1 外殼表面涂層處理

針對外殼鋁合金殼體在海洋環境中易發生點蝕的問題，可在外殼整體進行表面涂層處理。對于海洋強腐蝕環境，外殼常用的防腐措施是選用合適的防腐蝕涂層，常用底漆—中間漆—面漆的涂層系統。底漆涂層防腐系統的第一層需要具有較強的附著力，增加涂層的附著力，同時具備一定的防腐能力。常用的底漆有環氧富鋅底漆、無機富鋅底漆、環氧紅丹底漆、聚氨酯底漆、磷化底漆等，Al 的金屬活性較活潑，因此底漆不能用金屬活性低于Al的金屬成分的底漆。磷化底漆由聚乙烯醇縮丁醛樹脂、鋅鉻黃及助劑組成，其形成的薄膜（10～15 μm）牢固附著金屬表面，起到磷化和鈍化處理的作用，可增加有機涂層和金屬表面的附著力。中間漆主要增加漆膜的厚度，提高涂層系統的耐久性。環氧云鐵中間漆是以灰色云母氧化鐵為顏料，以環氧樹脂為基料，聚酰胺樹脂為固化劑等組成二罐裝冷固化環氧涂料，具有良好的附著力、柔韌性、耐磨性和封閉性能，常作為高性能防銹底漆的中間層[7]。面漆是涂層系統最外層的涂料，主要起裝飾和防護的作用，氯化橡膠面漆由氯化橡膠、增塑劑、顏料等制造而成，漆膜堅韌，具有良好的耐候性和耐化學品性，是一種高性能的防腐涂料[8]。綜上所述，可選擇磷化底漆+環氧云鐵中間漆+氯化橡膠面漆的涂層系統作為海洋型電動執行機構外殼的防腐涂層。

2.2 縫隙腐蝕處理

針對電動執行機構上不同材質結合面的縫隙，采取填充防海水密封膠泥的方案，用密封膠泥充滿結構之間的縫隙，避免不同材質的金屬直接接觸，減少縫隙腐蝕和電化學腐蝕的產生?！昂叫桥啤盚X5837 型船舶及海下專用防海水密封膠泥是一種新型內外防腐蝕保護材料，與各種材質都有良好的黏結力，同時具有優良的耐腐蝕、耐候性、耐老化性及防海水性，對被黏物體起到密封、防腐、保護等作用，此外，該密封膠泥永不固化，拆卸后可重復使用。

2.3 外露金屬件防腐蝕處理

電動執行機構的外露零件主要包括外露的緊固件、輸出軸和連接單元、手輪軸等。其中緊固件可直接選擇耐腐蝕的材料，如316不銹鋼；輸出軸、連接單元、手輪軸等常用材質為鋼件，兼顧成本，采取鍍裝飾性鉻的工藝，鍍層分為3層，首先鍍一層20 μm 鎳層，中間鍍一層高應力鎳層，外面鍍一層0.15 μm 鉻層。

3 海洋型電動執行機構密封設計研究

海洋型電動執行機構屬于機電一體化產品，保證整機密封性能，能有效地阻止濕氣、水分及氯離子等腐蝕介質進入和聚集，避免對內部元器件造成損害。

海洋型電動執行機構整機防護等級達到IP68，可在20 m水中放置96 h，放置過程中可運行10 個全行程。外部零件配合處均設有O 型圈或耐壓型骨架油封密封，不同零件結合面填充防海水密封膠泥保證密封，內部接線腔采用二級密封的形式，接線端子盤與殼體設有O 型圈，采用不銹鋼緊固件連接，同時接線端子鍍鎳進行防腐處理，此二級密封能夠保證內部電控部件的密封可靠性。

4 防腐蝕設計試驗研究

為了驗證海洋型電動執行機構防腐蝕設計的可行性，根據中國船級社GD 22-2015《電氣電子產品型式認可試驗指南》的要求進行相關試驗研究，主要包括鹽霧試驗和高低溫交變濕熱試驗。鹽霧試驗裝置如圖1所示。鹽霧試驗總共4個周期，每個周期7 天，每個周期首先連續噴霧2 h，而后放入溫度40±2 ℃，相對濕度90%～95%的濕熱箱內，進行7 天的濕熱儲存期；高低溫交變濕熱試驗的裝置如圖2所示，設置溫度范圍+25～+55 ℃，相對濕度大于或等于95%，持續運行2個周期，每個周期24 h。

圖1 鹽霧試驗機

圖2 LP-1000U型高溫箱

試驗結果如下。

（1）外殼涂層試驗結果。采用磷化底漆+環氧云鐵中間漆+氯化橡膠面漆的涂層系統，經過鹽霧試驗和高低溫交變試驗，外殼表面無明顯點蝕現象，如圖3所示。

圖3 試驗后涂層表面

圖4 試驗后

（2）縫隙腐蝕試驗結果。如圖4 所示，殼體端面涂防海水密封膠泥后，經過鹽霧試驗和高低溫交變試驗，殼體端面無明顯的點蝕現象，內部腔體出現較明顯的點蝕，說明防海水密封膠泥能較好地防護殼體端面，避免水汽進入縫隙形成縫隙腐蝕。

（3）其余外漏金屬件防腐蝕試驗結果。如圖5 所示，海洋型電動執行機構輸出軸和連接單元采用鍍裝飾性鉻的工藝，經過鹽霧試驗和高低溫交變試驗，零件表面無明顯銹跡，滿足測試標準。

圖5 試驗后輸出軸和連接單元

為了保證密封性能，海洋型電動執行機構還進行了IP68 防護等級測試，IP68 測 試 裝 置 如 圖6 所示。經測試，海洋型電動執行機構能夠承受0.2 MPa水壓的時間可達96 h，相當于20 m的水深中放置96 h 后執行機構仍能正常使用，能夠有效地防止外部空氣進入內部，如圖7所示。

圖6 IP68測試裝置

圖7 IP68測試后

5 結束語

綜上所述，本文結合電動執行機構產品和海洋環境的特點，分析海洋型電動執行機構應用過程中存在的外殼腐蝕、縫隙腐蝕和金屬件電化學腐蝕3種常見腐蝕類型，并針對這3種腐蝕類型提出相應的解決方案。最后根據中國船級社測試標準進行鹽霧試驗和高低溫交變濕熱試驗，試驗結果表明：

（1）外殼腐蝕采用磷化底漆+環氧云鐵中間漆+氯化橡膠面漆的涂層系統，在海洋環境中能夠有效地提高整機外殼耐腐蝕能力；

（2）縫隙腐蝕采用填充防海水密封膠泥的工藝，能夠有效地保護不同零部件結合面，避免腐蝕性氣體進入縫隙；

（3）外露金屬件采用鍍裝飾性鉻的工藝，可有效提高金屬件在海洋環境下耐腐蝕能力；

（4）海洋型電動執行機構密封設計滿足IP68，可有效地防止外部腐蝕性氣體進入內部。

本文對海洋型電動執行機構防腐蝕設計應用進行研究，為其在海洋石油化工、船舶等行業的應用提供合理的解決方案，推動工業自動化水平的提高，在大力發展海洋經濟的背景下，海洋型電動執行機構必將得到越來越多的應用。