化學(xué)鍍船體防腐技術(shù)

盧尚工，梁 煥

(1.包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭014035;2.大連海洋大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連116300)

0 引 言

隨著人類進(jìn)入海洋開發(fā)新時代，船舶工業(yè)的發(fā)展越來越受到重視。在地球上，海水是一種具有較強(qiáng)腐蝕性的電解質(zhì)溶液。用于制造船舶的金屬和合金不可避免的將會受到海水不同程度的腐蝕。例如，船舶的外殼、海水管道以及船舶冷卻器等都可能會受到海水的嚴(yán)重腐蝕。因此，為了更好的利用好海洋資源和發(fā)展好船舶工藝，必須發(fā)展船舶防腐技術(shù)以減少海水對船舶的腐蝕。提高船舶的壽命和可靠性［1］。

化學(xué)鍍是近年來提出的一種表面處理工藝，因其具有出色的抗腐蝕性、可焊性及耐磨性等已被廣泛應(yīng)用于抗腐蝕處理領(lǐng)域［2-3］。對于船舶防腐，可以分為水線以上和水線以下部位，水線以下主要為船殼部位，水線以上主要為船殼部位和上層建筑、內(nèi)部艙室［4］。位于海水水線以下的船殼部位主要受到海水以及海洋生物的腐蝕，位于海水水線以上的船殼部位和上層建筑以及內(nèi)部艙室等主要受到海洋大氣環(huán)境、鹽霧的腐蝕。船舶中具體部位的不同，受到的腐蝕環(huán)境及腐蝕程度會不同［5-6］。通過研究，船舶中的海水管道因其內(nèi)的海水流速較高、運行工況較復(fù)雜，在一些三通管或彎管等具有特殊結(jié)構(gòu)的管道內(nèi)壁部位較容易受到海水的長期沖刷，形成腐蝕。在船舶實際運行中，其冷卻器的工作環(huán)境多變，工作環(huán)境中的溫度和介質(zhì)經(jīng)常變化。最終會導(dǎo)致船舶上的冷卻器受到一定的腐蝕。有時冷卻設(shè)備會很快被腐蝕損壞，從而使得其使用壽命大大降低。

本文對船體中較易受腐蝕的船舶海水管道和冷卻器的防腐技術(shù)進(jìn)行了實驗探索，采用化學(xué)鍍方法對其防腐技術(shù)進(jìn)行研究。化學(xué)鍍層保護(hù)分為多種，但大多數(shù)存在耐磨性差、防腐效果差、以及工藝過程會造成環(huán)境污染等問題。近年來采用的化學(xué)鍍鎳防腐技術(shù)有效的克服了上述的耐磨性差、防腐效果差等問題。因此，根據(jù)化學(xué)鍍鎳層的特點，本文主要研究探索化學(xué)鍍鎳在船體防腐中的應(yīng)用效果。

1 化學(xué)鍍在船舶海水管道防腐中的探索

1.1 腐蝕原因及防腐措施

通過對曲率半徑較大的海水管道彎管及某些異型管的解剖實驗發(fā)現(xiàn)，在迎水流和背水流方向均沖刷腐蝕嚴(yán)重。這是由于海水管道內(nèi)水流速度高，長期反復(fù)沖刷管道內(nèi)壁，最終會形成沖刷腐蝕并使得管壁變薄。同時，通過實驗發(fā)現(xiàn)，在彎管、三通、四通等異型管的內(nèi)壁部位容易受到較嚴(yán)重的沖刷腐蝕，故該區(qū)域是重點防護(hù)區(qū)域。因此，采用防腐效果較好的化學(xué)鍍Ni-P 鍍層進(jìn)行腐蝕防護(hù)。

1.2 Ni-P 鍍層耐沖刷性能研究

在0，1.0，2.5，4.5 及7.0 m/s 流速的海水中進(jìn)行材料的腐蝕試驗。該實驗采用TUP 材料、B10材料和Ni-P 鍍層3 種不同的材料。表1 為其腐蝕率情況表。

表1 TUP、B10、Ni-P 鍍層腐蝕試驗Tab.1 Corrosion test of TUP，B10，Ni-P plating

由表1 可看出，隨著沖刷速度的增大，TUP 材料的腐蝕率明顯增大，海水流速為7.0 m/s 時的TUP 材料腐蝕率明顯大于在0 m/s 時的腐蝕率。對于B10 銅合金，當(dāng)海水流速低于4.5 m/s 時，其腐蝕率逐漸增大;當(dāng)海水流速超過4.5 m/s 時，其腐蝕率迅速增大。而Ni-P 鍍層的腐蝕率在海水流速增大時一直較低，從該實驗可知，采用Ni-P 鍍層會使得海水鋼管的防腐壽命較長。

圖1 為表1 中3 種材料沖刷腐蝕率與海水流速的關(guān)系曲線。從圖1 可看出。在流動的海水中，Ni-P 鍍層的受腐蝕速率小于B10 銅合金受腐蝕速率。且隨著流速的增加，Ni-P 鍍層的受腐蝕速率增大的較為平緩。海水可以對船舶材料產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，同時，在船舶運行過程中，海水會不斷對船舶產(chǎn)生機(jī)械沖擊，甚至產(chǎn)生沖擊破壞，從而造成對船舶材料的腐蝕。根據(jù)實驗可知化學(xué)鍍Ni-P 合金鍍層能夠有效防止和抵抗海水對船舶材料的機(jī)械沖擊和破壞。

圖1 三種材料的沖刷腐蝕率與海水流速的關(guān)系曲線Fig.1 The relationship of the erosion rate and water flow velocity of the three materials

1.3 砂侵蝕試驗及結(jié)果分析

表2 為船舶海水管道不同材料在含砂3‰，3.0 m/s海水流中的沖刷腐蝕率。

表2 TUP，B10，Ni-P 鍍層在含砂海水中腐蝕實驗結(jié)果Tab.2 Corrosion test of TUP，B10，Ni- P plating in the flow of water and sand erosion

由表2 可看出，在含砂3‰，海水流速為3.0 m/s的海水中，材料分別為TUP和B10 海水管內(nèi)壁的沖刷腐蝕率相近。而且TUP 材料海水管的腐蝕率在含砂3‰的海水中與在普通海水中相差不大。對于B10 材料的海水管道，在含砂3‰的海水中的腐蝕率比在普通的海水中有明顯增大，接近7 倍。而在Ni-P 鍍層在含砂3‰的海水中與普通海水中的沖刷腐蝕率均較小，約為相同條件下TUP和B10 材料的1/10。因此，Ni-P鍍層的防沖蝕性能明顯優(yōu)于TUP和B10。

1.4 實海動水實驗

在進(jìn)行了Ni-P 鍍層的防沖刷腐蝕效果后，模擬了船舶海水管的實際運行工況，對TUP 彎管、B10 彎管和內(nèi)壁鍍有Ni-P的TUP 彎管和內(nèi)壁鍍有Ni-P的B10 彎管進(jìn)行了海水動水實驗。實驗總計40 d。實驗完畢后對樣品進(jìn)行干燥處理并稱重。結(jié)果如表3所示。

表3 實際海水管防腐蝕模擬實驗及海水管失重情況Tab.3 Actual water pipe corrosion simulation experiment and seawater weightlessness

從表3 可看出，在模擬海水情況下，Ni-P 鍍層可以使得彎管的腐蝕率遠(yuǎn)遠(yuǎn)降低。當(dāng)紫銅彎管TUP 具有Ni-P 鍍層時，其腐蝕率是沒有Ni-P 鍍層的紫銅彎管腐蝕率的8%;當(dāng)B10 彎管具有NI-P層時，其腐蝕率是沒有Ni-P 鍍層的彎管腐蝕率的10%。且含有Ni-P 鍍層的TUP 紫銅彎管腐蝕率大于具有Ni-P 鍍層的B1O 彎管腐蝕率。顯然，具有Ni-P 鍍層的B10 彎管防腐效果最好。

2 化學(xué)鍍在船舶冷卻器防腐中的應(yīng)用

冷卻器的管板和管頭之間、管子和管殼之間均存在不同類型的腐蝕。本文試驗出一種化學(xué)鍍工藝，對艦船冷卻器進(jìn)行防腐保護(hù)。

2.1 優(yōu)化化學(xué)鍍液配方及工藝條件

采用正交實驗法確定化學(xué)鍍液的配方，對其工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。通過實驗可知，當(dāng)鎳層的磷含量超過10%(w)時，鍍層的抗腐蝕能力會得到顯著提高。據(jù)此得到化學(xué)鍍鎳液的優(yōu)化配方為:硫酸鎳25～30 g/L，次亞磷酸鈉25～30 g/L，檸檬酸鈉20～25 g/L，乙酸鈉20～25 g/L，十六烷基磺酸鈉0.05～0.10 g/L 及添加劑A10 ml/L，添加劑B2 g/L。最佳工藝條件為:pH 5.0，溫度85℃，沉積速度20～25 μm/h，所得鍍層的磷含量w(p)為11.50%。

2.2 化學(xué)鍍鎳層的物理性能

1)通過測試，得出鍍層的硬度為HV580。

2)對化學(xué)鍍層與電鍍層進(jìn)行耐磨對比實驗，通過對比實驗可以看出，化學(xué)鍍層的耐磨性明顯優(yōu)于電鍍層。因為化學(xué)鍍層是一種非晶態(tài)鍍層，當(dāng)受到外力沖擊時，鍍層不會產(chǎn)生塑性變形，因為非晶態(tài)鍍層不會發(fā)生晶界、位錯等問題。因此化學(xué)鍍層較電鍍層具有較高的耐磨性。

3)采用彎折法和挫磨法對鍍層與基底間的結(jié)合力進(jìn)行測試，實驗結(jié)果證明，在多次折彎和磨損后均未發(fā)現(xiàn)鍍層脫落或損壞等問題。同時，采用銼刀對試樣表面進(jìn)行反復(fù)磋磨，也未出現(xiàn)鍍層脫落或損壞等現(xiàn)象。由此可知，鍍層與基底具有很好的結(jié)合力。

2.3 化學(xué)鍍層的耐蝕性

為了驗證船舶冷卻器化學(xué)鍍層的耐蝕性，分別對化學(xué)鍍層進(jìn)行了鹽霧實驗和浸泡實驗。

1)鹽霧實驗。將多片具有不同厚度的化學(xué)鍍層放到鹽霧環(huán)境中。待一定時間后，觀察其腐蝕結(jié)果，并對實驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，實驗結(jié)果如表4所示。從表4 可以看出，鍍層厚度越厚，耐鹽霧腐蝕能力越強(qiáng)。當(dāng)厚度大于15 μm 時，鍍層具有穩(wěn)定、良好的防腐性能，實驗800 h 以上時，仍然未出現(xiàn)銹點。因此鍍層的抗點蝕能力較好。

表4 鍍層厚度對鹽霧實驗結(jié)果的影響Tab.4 The influence of coating thickness to the salt spray test result

2)浸泡實驗。將化學(xué)鍍層分別放入酸、堿和鹽溶液中浸泡一定時間，其防腐蝕效果如表5所示。

表5 化學(xué)鍍層在酸、堿和鹽溶液中浸泡防腐實驗結(jié)果Tab.5 Immersion corrosion experiment results of electroless plating in acid，alkali and salt solution

由表5 可知，制備的化學(xué)鍍鎳層在酸性、堿性以及鹽溶液中均具有較好的耐腐蝕特性。甚至優(yōu)于不銹鋼1Cr18Ni9Ti的耐腐蝕性。

2.4 實船應(yīng)用試驗結(jié)果

采用本文優(yōu)化的化學(xué)鍍鎳方案及條件對某船隊的多種船的冷卻器進(jìn)行了化學(xué)鍍鎳，厚度為25 μm，鍍層中w(p)為12.5%。經(jīng)過2年使用后，對船舶上的冷卻器進(jìn)行表面檢查，發(fā)現(xiàn)表面仍然光亮，管板和管口仍然沒有銹點，如圖2所示。同樣，采用掃描電子顯微鏡對鍍層表面進(jìn)行觀察，如圖3所示，在掃描電子顯微鏡下，鍍層表面依舊可以清晰的看到其非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。

圖2 試驗后冷卻器的局部形貌Fig.2 The local topography of the cooler

圖3 化學(xué)鍍鎳層表面的顯微形貌Fig.3 The SEM microscopic morphology of chemical nickel plating layer

3 結(jié) 語

對船體中較易受腐蝕的船舶海水管道和冷卻器的防腐技術(shù)進(jìn)行了實驗探索，采用化學(xué)鍍方法對其防腐技術(shù)進(jìn)行研究。經(jīng)過多次試驗證明，具有Ni-P 化學(xué)鍍層防護(hù)的B10 彎管的沖刷腐蝕嚴(yán)重部位的抗腐蝕性能因具有Ni-P 防護(hù)層，從而得到明顯提高，腐蝕率也大幅降低，彎管壽命得到提高。同樣，實船應(yīng)用實驗表明，化學(xué)鍍技術(shù)可以有效的防護(hù)船舶中容易受腐蝕的冷卻器，且具有較好的防護(hù)效果和防護(hù)壽命。

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