文献[8]研究结果表明，在青岛海域海水中，3-8-6-1锡青铜、80-3硅黄铜与B10偶合后，作为阳极发生电偶腐蚀加速损伤，电偶腐蚀速率分别达到89.2和93.7
然而，目前ZCuSn5Pb5Zn5/B10偶对在流动海水中电偶腐蚀行为研究减少，特别是形成腐蚀产物膜后流动海水中电偶腐蚀行为鲜见报道，制约了锡青铜截止阀综合防护和寿命提升。因此本文通过可模拟实船海水管路工况的大型海水管路系统综合模拟平台为测试载体，开展了ZCuSn5Pb5Zn5/B10偶对在不同流速海水中电偶腐蚀行为研究，并通过混合电位理论分析流动海水电偶腐蚀加速机制。
1 实验方法
实验材料为ZCuSn5Pb5Zn5铝青铜和B10铜镍合金 (简称ZCuSn5Pb5Zn5, B10)，试样规格为Ф50 mm×20 mm管状试样，电偶对面积比为1∶1。ZCuSn5Pb5Zn5管材实测的化学成分 (质量分数，%) 为Sn 4.735，Pb 5.165，Zn 4.944，S 0.405，Zr 0.025，Hg 0.640，Cu余量；B10管材实测化学成分 (质量分数，%) 为Ni 11.266，Fe 1.751，Mn 0.725，Zr 0.055，Hg 0.009，Cu余量。
电偶腐蚀实验前，将ZCuSn5Pb5Zn5、B10管状试样安装到如图1a所示的电解池中，其中1为Ag/AgCl参比电极，2和5为B10试样，3和4为ZCuSn5Pb5Zn5试样，2号与3号、4号与5号试样分别组成电偶对，同时开展两组ZCuSn5Pb5Zn5/B10偶对电偶试验。为保证流态稳定，避免试样表面形成湍流和海水空泡影响测试结果准确性，电解池前后直管段长度为偶对试样管径20倍，且内径与试样内径相同。
图1
图1
流动海水电偶腐蚀测试电解池示意图及海水管路综合模拟平台
Fig.1
Schematic diagram of experimental equipment: (a) electrolytic cell and (b) experimental device of pipeline corrosion testing in flowing water (1-Ag/AgCl, 2-B10, 3-ZCuSn5Pb5Zn5, 4-ZCuSn5Pb5Zn5, 5-B10)
实验结束后利用ULTRA55场发射扫描电子显微镜 (SEM) 观察腐蚀产物形貌，同时采用X-Max能谱仪 (EDS) 进行元素含量分析，扫描电镜分析和能谱分析，加速电压均为20 kV。采用HIROX KH-8700三维视频显微镜观察ZCuSn5Pb5Zn5试样电偶腐蚀后三维形貌。设置放大倍数为500倍，并将镜头调至最佳位置，获取清晰的二维形貌照片，然后进行三维形貌观察，调节焦距，焦点最低点为观测底部，焦点最高点为观测顶部，三维形貌构成照片数量设置为30张。
2 流速对电偶腐蚀规律影响研究
2.1 流速对电偶电位影响研究
ZCuSn5Pb5Zn5和B10以及ZCuSn5Pb5Zn5/B10偶对在不同流速海水中平均腐蚀/电偶电位测试结果如图2所示。试验过程中，海水温度处于15～18 ℃范围内，溶解氧含量为5.5 mg/L，海水电导率为3.89 S/m。由测试结果可知，ZCuSn5Pb5Zn5腐蚀电位负于B10腐蚀电位，表明在所有流速条件下，ZCuSn5Pb5Zn5将作为ZCuSn5Pb5Zn5/B10偶对阳极加速腐蚀；ZCuSn5Pb5Zn5、B10在静态海水中的腐蚀电位均明显正于流动海水中，在1～5 m/s流速海水中，两种铜合金腐蚀电位随流速变化较小。ZCuSn5Pb5Zn5/B10电偶电位均随着时间增加而升高，可能与ZCuSn5Pb5Zn5、B10表面逐渐形成腐蚀产物膜，ZCuSn5Pb5Zn5表面阳极溶解和B10表面氧还原受到抑制有关；静态海水中，电偶电位明显正于流动海水条件，这主要与ZCuSn5Pb5Zn5、B10在静态海水中腐蚀电位较正有关；随着流速增加，电偶电位逐渐负移，表明ZCuSn5Pb5Zn5/B10电偶腐蚀活性随着流速增加而增加。
图2
图2
ZCuSn5Pb5Zn5、B10腐蚀电位和ZCuSn5Pb5Zn5/B10电偶电位
Fig.2
Corrosion potential and galvanic corrosion potential in different flow rate seawater: (a) ZCuSn5Pb5Zn5 and B10, (b) ZCuSn5Pb5Zn5/B10
2.2 流速对电偶电流影响研究
ZCuSn5Pb5Zn5/B10偶对在不同流速海水中电偶电流测试结果如图3所示，由图3a可知，静态海水条件下，ZCuSn5Pb5Zn5和B10偶接后电偶效应较小，试验初期B10作为偶对阳极，但电偶电流不足0.15 μA/cm2，试验24 h后发生电极极性反转，ZCuSn5Pb5Zn5作为阳极，期间电偶电流最大也仅为0.16 μA/cm2，试验168 h极性再次反转。对比图2a和图3a，静态海水中腐蚀电位测试结果和电偶电流测试结果存在不一致的现象。根据图2a，静态海水中ZCuSn5Pb5Zn5应该作为阳极，但电偶电流测试结果，ZCuSn5Pb5Zn5和B10偶对多次出现极性反转的现象，这主要是由于图2a给出的腐蚀电位是ZCuSn5Pb5Zn5和B10各自在某一时刻的腐蚀电位，而实际上它们的腐蚀电位随时间是波动的，只能说明静态海水中ZCuSn5Pb5Zn5作为偶对阳极概率较大，由于ZCuSn5Pb5Zn5/B10偶对在静态海水中腐蚀电位相近，电偶腐蚀倾向较小，哪种材料作为偶对阳极主要与材料表面状态有关，但无论哪种材料作为阳极，电偶腐蚀速率均非常小，静态海水中ZCuSn5Pb5Zn5/B10电偶腐蚀风险较小，最大电偶腐蚀速率不超过1.9 μm/a，仅为ZCuSn5Pb5Zn5静态海水中腐蚀速率的三十分之一。
图3
图3
ZCuSn5Pb5Zn5/B10偶对电偶电流随时间变化曲线
Fig.3
Variation curve of galvanic current of ZCuSn5Pb5Zn5/B10 in different flow rate seawater: (a) static seawater, (b) flowing seawater
在1 m/s的流动海水中，初期ZCuSn5Pb5Zn5作为偶对阳极加速腐蚀，电偶电流密度随着时间增加而逐渐减小，192 h后发生极性反转，B10开始作为偶对阳极。极性反转的主要原因是ZCuSn5Pb5Zn5作为阳极加速溶解，表面沉积了较多的腐蚀产物，抑制了阳极溶解，并导致腐蚀电位正移。1 m/s的流动海水中ZCuSn5Pb5Zn5/B10偶对电偶电流密度增加，ZCuSn5Pb5Zn5最大电偶电流密度达到7.54 μΑ/cm2。在3和5 m/s较高流速海水中，ZCuSn5Pb5Zn5始终作为ZCuSn5Pb5Zn5/B10偶对阳极加速溶解，在3 m/s流动海水中，电偶电流密度随着冲刷时间增加先逐渐降低，随后逐渐稳定在4.71～5.38 μΑ/cm2范围内。而在流速更高的5 m/s流动海水环境，ZCuSn5Pb5Zn5/B10电偶电流密度随着冲刷时间增加而缓慢增加，电偶电流密度处于10.28~12.37 μΑ/cm2范围内，说明在5 m/s高流速海水环境，腐蚀产物无法抑制电偶腐蚀。
图4为ZCuSn5Pb5Zn5/B10偶对在不同流速条件下冲刷240 h内的平均电偶电位和电偶电流测试结果。由结果可知，电偶电位随着流速增加而负移；海水由静态变为流动状态后，电偶电位由-190 mV负移至-264 mV；在流动海水中ZCuSn5Pb5Zn5/B10电偶电位变化较小，处于-264~-277 mV范围内。
图4
图4
电偶电流密度和电偶电位随流速变化曲线
Fig.4
Variation curve of galvanic current density and galvanic potential with flow velocity
由图中黑色曲线所示的ZCuSn5Pb5Zn5/B10电偶电流平均值可知，随着流速升高，电偶电流密度逐渐增大。ZCuSn5Pb5Zn5/B10偶对在静态海水中电偶腐蚀效率几乎可以忽略，在1、3和5 m/s流动海水中的电偶电流密度分别是3.6、7.8和11.1 μA/cm2，根据法拉第定律得到ZCuSn5Pb5Zn5电偶腐蚀速率分别为42.8、92.7和131.9 μm/a，流动海水下的电偶腐蚀速率增大，B10对ZCuSn5Pb5Zn5腐蚀程度影响加大，流动海水中两种材料不能直接偶接，须加以保护。
2.3 腐蚀形貌及腐蚀产物分析
2.3.1 ZCuSn5Pb5Zn5腐蚀形貌及产物分析
电偶试验后，ZCuSn5Pb5Zn5表面形貌SEM表征结果如图5所示。静态海水中ZCuSn5Pb5Zn5仅局部区域发生了腐蚀，且腐蚀产物较少。在1和3 m/s流动海水中，ZCuSn5Pb5Zn5表面附着有较多的腐蚀产物，证明了图3中电偶电流密度随时间增加而逐渐减小是由于腐蚀产物逐渐沉积抑制了ZCuSn5Pb5Zn5阳极溶解的推断。当海水流速达到5 m/s时，由于海水高剪切力，试样表面腐蚀产物难以沉积，试样表面腐蚀产物减少。对图5d中A和B处进行EDS化学成分分析，结果如图6所示，主要由Cu、Zn、Pb、Sn、Cl等元素组成，与腐蚀前元素组成相比，Zn、Sn含量减少，Pb含量增加，说明Zn和Sn发生了优先溶解；A处产物膜中Cl含量较高，说明凹坑内A处含有较多的Cu2(OH)3Cl产物，这是由于凹坑处的活性相比凹坑外较强，坑内腐蚀速率加快，Cu2O进一步氧化成碱式氯化铜。
图5
图5
ZCuSn5Pb5Zn5微观形貌图
Fig.5
SEM micrographs of ZCuSn5Pb5Zn5 with corrosion productions: (a) 0 m/s, (b) 1 m/s, (c) 3 m/s, (d) 5 m/s
图6
图6
ZCuSn5Pb5Zn5腐蚀产物元素组成EDS分析
Fig.6
EDS analysis of elemental composition of ZCuSn5Pb5Zn5 corrosion products: (a) point A in Fig.5d, (b) point B in Fig.5d
去除腐蚀产物后ZCuSn5Pb5Zn5的三维形貌如图7所示，放大倍数为500倍。静态海水中腐蚀后ZCuSn5Pb5Zn5表面较平整，而在流动海水中，ZCuSn5-Pb5Zn5表面均出现明显的局部点蚀坑。通过测量，1 m/s流速下ZCuSn5Pb5Zn5最大点蚀深度为12.03 μm，3 m/s流速下最大点蚀深度为15.53 μm，5 m/s流速下最大点蚀深度为17.92 μm，随着流速增大，局部点蚀深度增加，且数量增多。
图7
图7
ZCuSn5Pb5Zn5去除产物后的三维形貌
Fig.7
3D morphologies of ZCuSn5Pb5Zn5 without corrosion products: (a) 0 m/s, (b) 1 m/s, (c) 3 m/s, (d) 5 m/s
去除腐蚀产物后的扫描电镜观察结果进一步证明，ZCuSn5Pb5Zn5与B10偶合后，在流动海水中发生了明显的点蚀，且随着流速增加，点蚀坑数量增多，面积增大，局部腐蚀加重，如图8所示。
图8
图8
ZCuSn5Pb5Zn5去除产物后SEM形貌图
Fig.8
SEM micrographs of ZCuSn5Pb5Zn5 without corrosion products: (a) 0 m/s, (b) 1 m/s, (c) 3 m/s, (d) 5 m/s
2.3.2 B10腐蚀形貌及产物分析
电偶腐蚀试验后B10试样未去除腐蚀产物和去除腐蚀产物后的形貌分别如图9和图11所示。由图9可知，B10表面沉积有腐蚀产物，说明B10与ZCuSn5Pb5Zn5偶合后，B10没有得到良好保护，仍然发生腐蚀。静态海水试验后，试样表面平整；而在流动海水中，B10表面腐蚀产物膜均出现了裂纹，随着流速增大，裂纹增大，尤其在5 m/s流速海水中，由于海水剪切力高于腐蚀产物与基体的结合力，使得产物膜裂纹发生剥离，腐蚀产物膜失去对基体保护作用。对凹坑内A处以及凹坑外B处进行EDS化学成分分析结果如图10所示，测试结果表明，根据B10腐蚀机理，脱落的腐蚀产物主要为CuO、Cu2(OH)3Cl、γ-FeOOH和Ni(OH)2等。
图9
图9
B10腐蚀产物SEM形貌图
Fig.9
SEM micrographs of B10 with corrosion productions: (a) 0 m/s, (b) 1 m/s, (c) 3 m/s, (d) 5 m/s
图10
图10
B10腐蚀产物元素组成EDS分析
Fig.10
EDS analysis of elemental composition of B10 corrosion products of A point (a) and B point (b) in Fig.9d
图11
图11
B10去除腐蚀产物后的SEM形貌图
Fig.11
SEM micrographs of B10 without corrosion products: (a) 0 m/s, (b) 1 m/s, (c) 3 m/s, (d) 5 m/s
由去除腐蚀产物SEM形貌图可知，静态海水中B10试样表面没有发生明显的腐蚀，但在流动海水环境中，B10表面发生了一定程度的点蚀，点蚀深度随着流速的增加而增加。对比图8，B10腐蚀较ZCuSn5Pb5Zn5轻很多。
3 B10/B30电偶腐蚀机制分析
3.1 ZCuSn5Pb5Zn5/B10电偶腐蚀动力学分析
ZCuSn5Pb5Zn5、B10在静止海水中和5 m/s流动海水中动电位极化测试如图12所示，由于流动海水加速了溶解氧、Cl-和OH-等扩散速率，相同极化电位下，5 m/s流动海水中，ZCuSn5Pb5Zn5和B10极化电流密度明显大于静态海水中。根据混合电位理论，ZCuSn5Pb5Zn5阳极极化曲线与B10阴极极化曲线的交点对应的电流密度即为二者电偶电流密度，由于5 m/s流动海水中ZCuSn5Pb5Zn5阳极极化电流密度和B10阴极极化电流密度显著增加，电偶电流密度显著增加，说明电偶腐蚀速率受ZCuSn5Pb5Zn5阳极氧化反应和B10阴极氧还原反应速率共同控制。海水由静止状态到流动状态，腐蚀性离子、腐蚀产物、溶解氧扩散速率增加，ZCuSn5Pb5Zn5阳极溶解速率和B10吸氧反应速率增加，电偶速率增加。
图12
图12
ZCuSn5Pb5Zn5/B10偶对电偶腐蚀动力学分析
Fig.12
Corrosion kinetics of ZCuSn5Pb5Zn5/B10 couple in different flow rate seawater
3.2 静态海水电偶腐蚀机制分析
结合静态海水中电化学测试结果以及腐蚀形貌和产物成分分析可得ZCuSn5Pb5Zn5/B10偶对在静态海水下的腐蚀机理，如图13所示。试验初期B10试样经打磨处理，表面无氧化膜，腐蚀电位较负，作为阳极失电子发生氧化反应，ZCuSn5Pb5Zn5作为阴极发生氧的还原反应；B10含有10%左右的Ni，在海水中可形成防护性腐蚀产物膜，使得腐蚀电位正移，浸泡24 h后ZCuSn5Pb5Zn5作为阳极加速腐蚀。随着电偶腐蚀的进行，ZCuSn5Pb5Zn5表面生成了较多的砖红色Cu2O膜层，表面活性降低，而B10作为阴极受到一定保护作用，腐蚀速率降低，形成的腐蚀产物减少，ZCuSn5Pb5Zn5腐蚀电位正于B10腐蚀电位，发生极性反转，B10成为偶对阳极，而ZCuSn5Pb5Zn5作为阴极。由于ZCuSn5Pb5Zn5和B10在静态海水中腐蚀电位相近，且腐蚀电位均受腐蚀产物影响显著，ZCuSn5Pb5Zn5和B10间隔作为偶对的阳极和阴极，同时由于腐蚀电位接近，电偶腐蚀驱动电压较低，且腐蚀产物保护作用，静态海水中ZCuSn5Pb5Zn5/B10偶对电偶腐蚀倾向较小。
图13
图13
ZCuSn5Pb5Zn5/B10偶对在静态海水中的电偶腐蚀机理图
Fig.13
Mechanism of galvanic corrosion of ZCuSn5Pb5Zn5/B10 couple in static seawater
3.3 动态海水电偶腐蚀机制分析
ZCuSn5Pb5Zn5/B10偶对在1 m/s流速下的电偶腐蚀机理图如图14所示，由于海水流动作用，溶解氧、Cl-等向ZCuSn5Pb5Zn5和B10表面扩散速率以及Cu2+、OH-等从ZCuSn5Pb5Zn5和B10表面向海水扩散速率增加，金属表面阳极溶解速率和阴极吸氧反应速率加快，由于电偶反应速率由阳极溶解和阴极溶解氧还原共同控制，流动海水中电偶腐蚀速率显著增加。在1 m/s流速海水中，两种管路材料偶接后，ZCuSn5Pb5Zn5作为偶对阳极失去电子与海水中的Cl-发生反应，生成CuCl
图14
图14
ZCuSn5Pb5Zn5/B10偶对在1 m/s流速下的电偶腐蚀机理图
Fig.14
Mechanism of galvanic corrosion of ZCuSn5Pb5Zn5/B10 couple in in 1 m/s flowing seawater
当海水流速达到3 m/s以上时 (图15)，随着海水流速继续增大，一方面溶解氧和反应物质传输速率进一步显著加快，另一方面高流速海水的冲刷作用显著加强，流动海水作用在金属表面的剪切力也逐渐增大，腐蚀产物与基体结合将会变得更加困难。
图15
图15
ZCuSn5Pb5Zn5/B10偶对在3 m/s流速下的电偶腐蚀机理图
Fig.15
Mechanism of galvanic corrosion of ZCuSn5Pb5Zn5/B10 couple in in 3 m/s flowing seawater
图16
图16
ZCuSn5Pb5Zn5/B10偶对在5 m/s流速下的电偶腐蚀机理图
Fig.16
Mechanism of galvanic corrosion of ZCuSn5Pb5Zn5/B10 couple in in 5 m/s flowing seawater
4 结论
ZCuSn5Pb5Zn5/B10偶对在不同流速海水中的电化学测试、腐蚀产物与形貌表征结果表明：
(1) 在静态海水条件下，ZCuSn5Pb5Zn5和B10电偶腐蚀倾向较小，平均腐蚀速率仅为1.9 μm/a，无需控制；但在流动海水中，ZCuSn5Pb5Zn5和B10偶合后，发生明显电偶腐蚀，1 m/s流速海水中，ZCuSn5Pb5Zn5电偶腐蚀速率达到42.8 μm/a，与其在海水中的自腐蚀相当，海水流速达到3和5 m/s时，电偶腐蚀速率分别高达92.7和131.9 μm/a。
(2) 腐蚀产物膜可抑制ZCuSn5Pb5Zn5/B10电偶腐蚀，在静态海水和1 m/s流速海水中，受腐蚀产物影响，ZCuSn5Pb5Zn5和B10存在极性反转现象；但随着流速增加，流动海水剪切力超过腐蚀产物膜与基体结合力，腐蚀产物发生剥离失去保护作用，电偶腐蚀速率随着流速增加而增加。
(3) ZCuSn5Pb5Zn5/B10电偶腐蚀速率是由ZCuSn5Pb5Zn5阳极溶解和B10表面氧还原反应共同控制，流动海水加速阳极溶解和阴极氧还原，加速电偶腐蚀；腐蚀产物沉积抑制阳极溶解和阴极氧还原，电偶腐蚀速率减小。
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[J].
20#钢/锡青铜偶对在流动海水中的电偶腐蚀行为研究
[J].20#钢穿舱件和锡青铜阀电偶腐蚀是船舶海水管路系统严重腐蚀部位之一。为控制20#钢/锡青铜电偶腐蚀延长海水管路系统寿命，本文通过原位测量20#钢管材和ZCuSn5Pb5Zn5锡青铜管材在静态以及1、3和5 m/s流速海水中的电偶电位和电偶电流，分析电偶腐蚀速率随时间和流速的变化规律；同时采用扫描电镜 (SEM) 和激光Raman光谱仪分析腐蚀形貌和腐蚀产物组分。结果表明，在不同流速海水中，20#钢与ZCuSn5Pb5Zn5合金间存在明显的电偶腐蚀倾向，20#钢作为阳极加剧腐蚀，ZCuSn5Pb5Zn5合金作为阴极受到保护；相比于静态海水，20#钢阳极极化电流密度和ZCuSn5Pb5Zn5合金阴极极化电流密度在流动海水中显著增加，电偶腐蚀显著加剧，1 m/s流速下的电偶腐蚀速率是静态下的17.5倍；当海水流速达到5 m/s后，20#钢表面形成了致密性较高、活性低的腐蚀产物沉积层，电偶腐蚀速率减小。
