海洋型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)防腐蝕設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

陶光海，王 成，禹建勇，武文俊

（1.南京科遠(yuǎn)智慧科技集團(tuán)股份有限公司，南京 211102；2.江蘇省熱工過程智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211102；3.南京拓耘達(dá)智慧科技有限公司，南京 211102）

0 引言

電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為過程控制系統(tǒng)的重要執(zhí)行單元，接受標(biāo)準(zhǔn)信號（模擬量或數(shù)字量），并將此信號轉(zhuǎn)變成對應(yīng)的機(jī)械位移，從而操縱調(diào)節(jié)閥、風(fēng)門、擋板等，以此完成自動控制任務(wù)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)對控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能和可靠性有著重要影響。

中國近年來大力發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，海洋型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要應(yīng)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(yè)控制水平的不斷提高，近年已陸續(xù)將機(jī)械調(diào)節(jié)或就地手操改為電氣控制或電液控制，由電動調(diào)節(jié)閥代替原機(jī)械式的減壓閥[1]。然而，在控制系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)始終是電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，欲提高自動化水平，必須采用高可靠電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，才能確?？刂葡到y(tǒng)工作可靠性[2]。

海洋型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用過程中的主要問題是海洋環(huán)境對電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的腐蝕，目前關(guān)于海洋型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)防腐蝕的設(shè)計(jì)研究較少，缺少全面的防腐蝕處理方案。根據(jù)海洋環(huán)境高鹽霧、濕熱的特點(diǎn)，本文全面分析了海洋型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用過程中常見的幾種腐蝕類型，經(jīng)過理論分析研究，針對不同的腐蝕類型提出相應(yīng)的解決措施。

1 海洋型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)常見的腐蝕類型

海洋及沿海地區(qū)的環(huán)境具有高鹽霧、濕熱的特點(diǎn)，海洋的大氣中主要含有氯化物雜質(zhì)（有資料表明沿海地區(qū)空氣中氯化物雜質(zhì)體積質(zhì)量年平均為5.4 μg/m ，雨水中氯化物雜質(zhì)體積質(zhì)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(qiáng)烈腐蝕性[3]。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)屬于機(jī)電一體化產(chǎn)品，在海洋環(huán)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(zhí)行機(jī)構(gòu)外殼常用ZL 或YL鋁合金，海洋環(huán)境中含有大量的氯離子，對鋁合金表面的鈍化膜產(chǎn)生破壞，使鋁合金表面鈍化膜不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生點(diǎn)蝕而出現(xiàn)“白斑”[4]。

（2）不同金屬材質(zhì)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(wěn)定電位（-0.79 V）較標(biāo)準(zhǔn)平衡電位（-1. 67 V）為正，但在海洋性氣候環(huán)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(qiáng)的陰極體，結(jié)果使鋁產(chǎn)生非常嚴(yán)重的電偶腐蝕[5]。海洋型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)中輸出軸和連接單元、緊固件等與外殼材質(zhì)不同，配合面必定存在間隙，孔內(nèi)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(jìn)入，就很容易引起腐蝕[6]。

（3）外露金屬件的電化學(xué)腐蝕。執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(zhì)均為鋼件，極易與海洋環(huán)境中的氯離子發(fā)生電化學(xué)腐蝕，化學(xué)反應(yīng)原理：Fe3++3Cl-＝FeCl3。

2 海洋型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的防腐蝕設(shè)計(jì)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(huán)境中易發(fā)生點(diǎn)蝕的問題，可在外殼整體進(jìn)行表面涂層處理。對于海洋強(qiáng)腐蝕環(huán)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(tǒng)。底漆涂層防腐系統(tǒng)的第一層需要具有較強(qiáng)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(huán)氧富鋅底漆、無機(jī)富鋅底漆、環(huán)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(jī)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(tǒng)的耐久性。環(huán)氧云鐵中間漆是以灰色云母氧化鐵為顏料，以環(huán)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(huán)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(tǒng)最外層的涂料，主要起裝飾和防護(hù)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(jiān)韌，具有良好的耐候性和耐化學(xué)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(huán)氧云鐵中間漆+氯化橡膠面漆的涂層系統(tǒng)作為海洋型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)外殼的防腐涂層。

2.2 縫隙腐蝕處理

針對電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)上不同材質(zhì)結(jié)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(jié)構(gòu)之間的縫隙，避免不同材質(zhì)的金屬直接接觸，減少縫隙腐蝕和電化學(xué)腐蝕的產(chǎn)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(nèi)外防腐蝕保護(hù)材料，與各種材質(zhì)都有良好的黏結(jié)力，同時具有優(yōu)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(hù)等作用，此外，該密封膠泥永不固化，拆卸后可重復(fù)使用。

2.3 外露金屬件防腐蝕處理

電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(zhì)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(yīng)力鎳層，外面鍍一層0.15 μm 鉻層。

3 海洋型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)密封設(shè)計(jì)研究

海洋型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)屬于機(jī)電一體化產(chǎn)品，保證整機(jī)密封性能，能有效地阻止?jié)駳?、水分及氯離子等腐蝕介質(zhì)進(jìn)入和聚集，避免對內(nèi)部元器件造成損害。

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

4 防腐蝕設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證海洋型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)防腐蝕設(shè)計(jì)的可行性，根據(jù)中國船級社GD 22-2015《電氣電子產(chǎn)品型式認(rèn)可試驗(yàn)指南》的要求進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究，主要包括鹽霧試驗(yàn)和高低溫交變濕熱試驗(yàn)。鹽霧試驗(yàn)裝置如圖1所示。鹽霧試驗(yàn)總共4個周期，每個周期7 天，每個周期首先連續(xù)噴霧2 h，而后放入溫度40±2 ℃，相對濕度90%～95%的濕熱箱內(nèi)，進(jìn)行7 天的濕熱儲存期；高低溫交變濕熱試驗(yàn)的裝置如圖2所示，設(shè)置溫度范圍+25～+55 ℃，相對濕度大于或等于95%，持續(xù)運(yùn)行2個周期，每個周期24 h。

圖1 鹽霧試驗(yàn)機(jī)

圖2 LP-1000U型高溫箱

試驗(yàn)結(jié)果如下。

（1）外殼涂層試驗(yàn)結(jié)果。采用磷化底漆+環(huán)氧云鐵中間漆+氯化橡膠面漆的涂層系統(tǒng)，經(jīng)過鹽霧試驗(yàn)和高低溫交變試驗(yàn)，外殼表面無明顯點(diǎn)蝕現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)后涂層表面

圖4 試驗(yàn)后

（2）縫隙腐蝕試驗(yàn)結(jié)果。如圖4 所示，殼體端面涂防海水密封膠泥后，經(jīng)過鹽霧試驗(yàn)和高低溫交變試驗(yàn)，殼體端面無明顯的點(diǎn)蝕現(xiàn)象，內(nèi)部腔體出現(xiàn)較明顯的點(diǎn)蝕，說明防海水密封膠泥能較好地防護(hù)殼體端面，避免水汽進(jìn)入縫隙形成縫隙腐蝕。

（3）其余外漏金屬件防腐蝕試驗(yàn)結(jié)果。如圖5 所示，海洋型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸和連接單元采用鍍裝飾性鉻的工藝，經(jīng)過鹽霧試驗(yàn)和高低溫交變試驗(yàn)，零件表面無明顯銹跡，滿足測試標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 試驗(yàn)后輸出軸和連接單元

為了保證密封性能，海洋型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)還進(jìn)行了IP68 防護(hù)等級測試，IP68 測 試 裝 置 如 圖6 所示。經(jīng)測試，海洋型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠承受0.2 MPa水壓的時間可達(dá)96 h，相當(dāng)于20 m的水深中放置96 h 后執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍能正常使用，能夠有效地防止外部空氣進(jìn)入內(nèi)部，如圖7所示。

圖6 IP68測試裝置

圖7 IP68測試后

5 結(jié)束語

綜上所述，本文結(jié)合電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品和海洋環(huán)境的特點(diǎn)，分析海洋型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用過程中存在的外殼腐蝕、縫隙腐蝕和金屬件電化學(xué)腐蝕3種常見腐蝕類型，并針對這3種腐蝕類型提出相應(yīng)的解決方案。最后根據(jù)中國船級社測試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)和高低溫交變濕熱試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）外殼腐蝕采用磷化底漆+環(huán)氧云鐵中間漆+氯化橡膠面漆的涂層系統(tǒng)，在海洋環(huán)境中能夠有效地提高整機(jī)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(hù)不同零部件結(jié)合面，避免腐蝕性氣體進(jìn)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(huán)境下耐腐蝕能力；

（4）海洋型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)密封設(shè)計(jì)滿足IP68，可有效地防止外部腐蝕性氣體進(jìn)入內(nèi)部。

本文對海洋型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)防腐蝕設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行研究，為其在海洋石油化工、船舶等行業(yè)的應(yīng)用提供合理的解決方案，推動工業(yè)自動化水平的提高，在大力發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)的背景下，海洋型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)必將得到越來越多的應(yīng)用。