中国腐蚀与防护学报, 2025, 45(3): 611-619 DOI: 10.11902/1005.4537.2024.250

综合评述

船体材料失效分析与防护措施研究进展

王德岭1, 刘以俊2, 郭章伟2, 刘涛,2

1.上海海事大学法学院 上海 201306

2.上海海事大学海洋科学与工程学院 上海 201306

Research Progress on Failure Analysis and Protective Measures of Ship Hull Materials

WANG Deling1, LIU Yijun2, GUO Zhangwei2, LIU Tao,2

1.School of Law, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China

2.College of Marine Science and Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China

通讯作者: 刘涛,E-mail:liutao@shmtu.edu.cn,研究方向为材料表面腐蚀与防护、材料失效

收稿日期: 2024-08-12   修回日期: 2024-09-14  

Corresponding authors: LIU Tao, E-mail:liutao@shmtu.edu.cn

Received: 2024-08-12   Revised: 2024-09-14  

作者简介 About authors

王德岭,男,1981年生,副教授

摘要

船舶在服役过程中,不同的部位面临着不同的复杂耦合作用条件下的服役环境,这会导致部分材料失效的时间大大小于预期设计寿命,给船舶服役安全带来重大隐患。本文对船舶不同部位常见材料失效形式进行了综述,以腐蚀失效为主,详述了船体材料失效部位、失效形式和原因以及失效检测手段,并提出了相应的防护措施。

关键词: 船体材料失效 ; 腐蚀 ; 失效检测方法 ; 防护措施

Abstract

During the service process of a ship, of which different parts encounter different conditions of multi-factor coupling in the real service, which can lead to the premature failure of some materials, posing significant safety hazards to the ship's service life. This article provides an overview of common material failure modes for different parts of ships, with a focus on corrosion failure. It elaborates on the failure locations, forms, and causes of ship hull materials, as well as failure detection methods, and proposes corresponding protective measures.

Keywords: failure of ship hull materials ; corrosion ; failure detection methods ; protective measures

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本文引用格式

王德岭, 刘以俊, 郭章伟, 刘涛. 船体材料失效分析与防护措施研究进展. 中国腐蚀与防护学报[J], 2025, 45(3): 611-619 DOI:10.11902/1005.4537.2024.250

WANG Deling, LIU Yijun, GUO Zhangwei, LIU Tao. Research Progress on Failure Analysis and Protective Measures of Ship Hull Materials. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection[J], 2025, 45(3): 611-619 DOI:10.11902/1005.4537.2024.250

随着全球航运业的快速发展,船舶的安全性与经济性愈发受到关注[1]。现代船舶的设计越来越追求高效、经济和环保,船体材料的选择和性能要求也变得更加复杂和严格[2]。船体材料不仅需要满足强度、韧性和抗腐蚀性等基本要求,还要具备良好的抗疲劳性能和抗冲击性能[3],以应对海洋环境中复杂、多变的应力条件。然而,船体在长期服役过程中不可避免地会遭遇各种形式的失效问题,严重影响船舶的使用寿命和安全性。

船舶系统中主要使用金属材料,包括钢铁[4~7]、Cu[8~10]、Ti[11,12]、Mg[13]、Al[14,15]等,这些材料大部分工作在潮湿的海洋环境。在复杂的工况环境与多重应力的耦合作用下,金属零件经常会发生多种失效模式,导致船舶装备无法安全、可靠地运行,从而直接或间接地造成巨大的经济损失,甚至发生灾难性事故[16]。船舶系统独特的海洋工况使用条件,使得90%以上的船体材料失效形式与腐蚀有关[16]。根据历年的数据显示,美国每年花费在维修船舶腐蚀上的费用将近45亿美元。中国因船体材料腐蚀失效而造成的船舶损坏损失数额也相当大,政府每年花费在船舶维修的费用大致是200~300亿人民币[17]。船舶腐蚀的类型多样,是由于船舶腐蚀发生原因的多样性造成的[18],常见的船舶腐蚀类型主要有:电化学腐蚀、机械作用腐蚀、生物腐蚀、化学腐蚀[19~22]等。

除了腐蚀失效外,船体材料在服役过程中还可能遭遇多种其他失效形式,主要包括疲劳失效[23~25]、断裂失效[26,27]、磨损失效[28]、冲击失效等。每种失效形式都有其独特的特点和发生机制,影响船体的使用寿命和安全性。因此,对船体材料失效的机理进行深入分析,提出有效的防护措施,是保障海洋运输安全、延长船舶寿命、降低维护成本的关键。

1 船体材料失效分析

1.1 船舶海水管路材料失效

海水总管和冷却管路是用于海洋工程或海洋设备中的重要管道系统。海水总管是系统中的主要管道,用于将海水引入各个装置或设备中,例如冷却器、润滑系统等。冷却管路则是通过海水循环,将热量从设备中带走,以保持设备的正常运行温度。船舶海水管路在运行过程中受到水、盐分、化学物质等因素的影响,通常在以下位置易发生比较严重的材料腐蚀失效问题:管系的拐角处、异径处、汇流分流、阀门处、出口处、海底门处、泵的出口处等[29,30]。船舶管路对船舶的安全性和稳定性发挥着重要的作用,但材料腐蚀失效问题严重影响着船舶管路的使用。

1.1.1 船舶海水管路腐蚀失效机理分析

海水管路中的腐蚀是一个复杂的过程,受到海水温度、溶氧量、海水流速以及海洋生物等多种因素的影响,这些因素之间交互作用,导致海水管路腐蚀的机理相比于单一的腐蚀介质更加复杂。在实际的船舶海水管路中,腐蚀表现出多样化的形式,常见的腐蚀形式包括电化学腐蚀、冲刷腐蚀、缝隙腐蚀、均匀腐蚀、空泡腐蚀、生物腐蚀[31~37]等。

(1) 电化学腐蚀

电化学腐蚀是指金属在电解质环境中,通过电化学反应而发生的腐蚀现象。在海洋环境中,海水管系材料常常暴露于盐水、湿气和其他电解质中,形成电化学腐蚀的理想条件。

(2) 冲刷腐蚀

冲刷腐蚀是指流体(如海水)在高速流动时,对金属表面产生的机械冲击和摩擦,导致金属材料的局部磨损和腐蚀。在船舶海水管路中,这种腐蚀通常发生在流体流动速度较高的地方,如管道弯头、阀门、泵入口等区域。

(3) 缝隙腐蚀

缝隙腐蚀是一种局部腐蚀现象,主要发生在金属表面与其他物体(如密封垫、管道连接部件等)之间的狭窄缝隙中。徐熊等[32]分析了船舶海水管路中缝隙腐蚀的原因和影响因素,指出船舶海水管路易发生缝隙腐蚀的位置主要位于金属连接处和密封部位。

(4) 均匀腐蚀

均匀腐蚀是指金属表面在整个接触区域内均匀地发生的腐蚀现象。这种腐蚀通常是由于金属与腐蚀介质(如水、酸、碱等)之间的化学反应引起的。

(5) 空泡腐蚀

空泡腐蚀是指在液体流动过程中,由于流速的变化导致液体中形成空泡,并在空泡破裂时对材料表面造成的腐蚀现象。对船舶海水管道来说,当海水在管道内的流动速度发生变化时,经常会发生紊乱现象,负压区域产生的气泡在压缩中破裂[35],对管道材料产生撞击,导致管道材料表面发生腐蚀现象。

(6) 生物腐蚀

生物腐蚀是指微生物(如细菌、真菌、藻类)在金属或其他材料表面附着并引起的腐蚀现象。海水管道内引入的海水中通常含有大量的微生物,这些微生物附着在管道壁内进行的代谢活动,与其他类型的腐蚀问题相互作用,进一步加剧了管系材料的腐蚀问题。

1.1.2 船舶海水管路的腐蚀因素

(1) 管路材质 船舶海水管道材料通常直接接触输送介质,因此管道内的腐蚀主要取决于材料本身的耐腐蚀性能。船舶管路材料在海水环境中的耐腐蚀性主要由其化学成分、表面物理和化学特性以及制造工艺等因素决定。文献[29,30,37,38]列举了一些金属材料在静止海水以及淡水中的腐蚀速率,如表1所示。

表1   金属材料在静止海水以及淡水中的腐蚀速率 (μm / a)

Table 1  Corrosion rate of metal materials in static seawater and fresh water

Metallic materialsSeawaterFreshwater
Monel alloy00
Nickel aluminum bronze alloy25-500
Copper nickel alloy2.5-12.50
Lead12.50.5
Tin bronze25-501
Nickel chromium molybdenum alloy00
Titanium00
Nickel chromium alloy00
304/316 stainless steel00
Silicon bronze25-501
Manganese bronze25-501
Brass12.5-50-
Copper25-50-
Aluminum bronze25-50-
Austenitic cast iron50-
Steel125-
Aluminium alloy25-75-
Zinc25-

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(2) 气蚀

船舶海水管路受海水扩散、旋涡等因素的影响,容易在海水管路中形成低压区。在金属管壁与海水接触的界面上,无数气泡不断破裂,导致管壁原有的保护膜遭受机械损伤,形成气蚀现象。气蚀的存在使得管壁腐蚀成酷似马蜂窝般的麻孔状[30,35,37~39]

(3) 海水流速

海水中含有各种盐类、氧气等物质,当海水流经管道时,流速的大小会对管道的腐蚀速率产生较大的影响。海水的流速较大时,会对船舶管路的内壁产生较大冲刷作用力,这会破坏管路金属表面存在的保护膜,加剧管路的腐蚀速率。海水流速超过一定限度后,管路表面由于冲击作用会形成气蚀,加剧电化学腐蚀。因此,对船舶管路来说,海水流速越大,管道腐蚀就越严重[29,30,32,38]

(4) 管路结构布局的影响

船舶管道结构布局是影响其腐蚀行为的关键因素之一。在管道内,流体的流动状态会受到管道的形状和构造的影响,特别是在一些流体容易紊乱的地方,如分流处、汇流处、弯管处以及管径变化处,更容易发生冲击腐蚀的现象,加速管道的腐蚀。船舶海水管路的连接处易发生缝隙腐蚀,也会加剧管道的腐蚀。另外,在对海水管路进行布局设计时,还需要考虑焊接对船舶管路造成的影响[29,30,36~39]

(5) 海洋生物

海洋生物的存在会导致水层中氧含量的增加,同时它们的活动会释放二氧化碳或者残余的海生物分解过程中释放出硫化氢,进而使周围海水酸化。这两种情况都会加快海水管道的腐蚀速率。一些海洋生物甚至能够穿透管道壁上的氧化层,进一步加剧腐蚀过程[29,30,35,38,39]

(6) 管路的维护保养

管道腐蚀问题与维护保养密切相关,维护保养技术的不足是影响管路腐蚀的重要因素。在海水管道腐蚀初期,若不采取任何防腐措施而任其腐蚀,将导致严重的腐蚀问题[29,30,32]

1.2 船舶柴油机锅炉材料失效

柴油机和锅炉是船舶动力系统的核心,能够提供船舶所需的动力,使船舶在水中进行航行。柴油机和锅炉材料的失效会导致动力系统的故障,影响船舶的推进和供能功能,进而影响船舶的行驶速度和稳定性,对船舶的安全和正常运行产生严重影响。

1.2.1 柴油机材料失效分析

柴油机轴瓦是一种用于支撑和减少摩擦的零件,柴油机曲轴和连杆的高速旋转会给轴承带来很大的磨损,轴瓦能够缓解曲轴和连杆接触的摩擦,减少能量消耗,提高燃油经济性。王延宏等[28]分析了导致船舶柴油机轴瓦早期失效的各种因素,包括磨损、疲劳剥落、咬轴烧瓦、腐蚀和气蚀等,并提出了相应的防止措施,如提高装配精度、改善滤清效能、控制粗糙度、及时更换机油等,以延长轴瓦使用寿命。

曲轴作为发动机的重要机件,其常用材料为碳素结构钢和球墨铸铁。曲轴最常见的失效形式为疲劳断裂,张新春介绍了曲轴疲劳断裂的特点,并从多个方面对柴油机曲轴断裂失效的原因进行了分析[23]

针对柴油机其他部位的材料失效问题,熊军[26]提出了柴油机凸轮轴断裂失效分析的一般程序,并应用该程序对某柴油机凸轮轴断裂事故进行了失效分析。孙长飞等[40]利用有限元检测技术对活塞失效原因进行了分析。陆慧和孙明正[27]对某船用柴油发动机在运行时发生的拉缸事故进行了分析,发现活塞裙疲劳断裂失效是导致事故的主要原因。

1.2.2 锅炉材料失效分析

陆慧[41]对船舶锅炉和积水系统中的腐蚀现象进行了描述,并提出了控制船舶锅炉腐蚀的有效措施。谢以超[42]论述了含氧炉水对锅炉产生的电化学腐蚀的过程及其严重性,并介绍了相应的防护措施,指出电化学腐蚀是锅炉材料腐蚀失效最为主要的一种形式,危害性也是最大的。马青华等[43]对某型船舶锅炉燃油管内部腐蚀失效问题进行了腐蚀失效原因分析,并提出了涂塑防护方案来应对船舶锅炉燃油管内部腐蚀问题。Fathyunes等[24]对燃气涡轮机的腐蚀与疲劳损伤进行了研究。总结了载荷条件、腐蚀环境特征和涡轮材料性能对腐蚀裂纹和疲劳损伤失效的影响。

1.3 船舶轴系设备材料失效

船舶轴系设备是船舶的重要组成部分,主要用于传递动力和控制船舶的运动,确保船舶的正常运行和安全性。船舶轴系设备材料失效会对船舶的航行安全产生极大的影响。

Xu和Yu[25]对某散货船在锚泊等待期间发生的故障进行了分析,现场检查发现是中间轴断裂失效,图1是现场取样图。断口分析表明,疲劳断裂是轴的主要失效机制。

图1

图1   断裂面上的一般视图

Fig.1   General view of fracture surface: (a) flange side, (b) shaft side, (c) ratchet marks, (d) fracture location, (e) new shaft


船舶艉轴装置是船舶推进系统中的重要组成部分,承载着连接船舶主机和螺旋桨的重要功能。艉轴装置的设计和性能直接影响船舶的航行效率和稳定性。陈仲琦[44]根据某船舶事故案例分析了艉轴发生裂纹失效的原因,并提出了腐蚀裂纹的修复方法。针对船舶艉轴腐蚀失效的问题,文献[45~48]先后分析了船舶艉轴发生腐蚀失效的原因,并提出了相应的防护方法和注意事项。

1.4 船舶舱室材料失效

船舶舱室部分的材料失效最容易被忽略,但也是非常重要的区域。压载舱、油舱等封闭舱室结构特别复杂的部位处于高盐、高湿的环境下,极易发生材料的腐蚀失效,图2为常见船舶舱室的腐蚀情况。李辉[49]介绍了船舶压载舱腐蚀的原因及新的船舶压载舱防腐涂料。王利伟等[50]指出了船舶不同舱室易发生的腐蚀失效类型和适用的防腐蚀方法。马中存和肖全山[51]探讨了微生物腐蚀在船舶压载舱中的腐蚀机理、检测手段以及应对策略,为船舶压载舱的维护提供了管理思路。

图2

图2   船舶压载舱处的腐蚀

Fig.2   Corrosion of ship ballast tanks


针对船舶油舱材料失效问题,Tiago等[52]对某高速轻型船用两种铝合金制造的油箱进行了失效分析,最终认为疲劳是油罐失效的最可能原因。王秀娟等[53]介绍了油船货油舱内部结构和发生腐蚀的情况,重点描述了油船货油舱腐蚀防护采用的方法。

1.5 船舶螺旋桨材料失效

船舶螺旋桨是船舶推进系统的关键部件,它的作用是通过旋转产生推力,推动船舶前进,船用螺旋桨处的腐蚀情况如图3所示。李科等[54]针对船舶螺旋桨的腐蚀失效问题,研究分析了螺旋桨的防护方法和新型材料。朱晶等[55,56]研究了3种常用于制造船用螺旋桨的铜合金材料的性能差异,总结了常见螺旋桨的腐蚀形式及危害,并分析了现有的防腐措施。赵健[57]提出了一种新的船用螺旋桨腐蚀失效问题的解决方案,在新旧螺旋桨上均可快速实施,可有效解决螺旋桨的腐蚀失效问题。

图3

图3   船用螺旋桨处的腐蚀

Fig.3   Corrosion at marine propeller: (a) corroded pro-peller front morphology, (b) corroded propeller side morphology


2 船体材料失效分析的检测手段

常见失效分析检测手段包括宏观断口观察[58~60]、金相检验、电子能谱分析[61,62~64]、无损检测[65]、电镜观察[66,67]、化学分析[64]、力学测试等。需要注意的是,这些检测手段相互互补,一般情况下不会独立使用,而是在联用的情况下给出科学的失效分析。张杰等[68]利用无损检测、化学分析、光学显微镜、扫描电镜等几种方法对引压管焊接接头裂纹失效的原因进行了分析检测,观察到导致材料失效的主要原因为疲劳开裂。金彦枫[69]通过宏观断口观察检测、化学分析、金相检验、硬度检测等多种失效分析检测手段对钢板卷制开裂进行失效分析,发现原材料表面缺失是失效原因之一,失效的主要原因为制造过程的工艺控制。针对某车辆悬架系统中使用的扭杆在预应变制造过程中发生的断裂情况,Wang等[70]利用化学分析、金相检验、残余应力检测、硬度评估和断口分析等多种检测手段对材料断裂失效原因进行分析,得出扭杆回火温度低是造成断裂的根本原因。

3 船体材料失效防治措施

3.1 正确的选材和合理的设计

在选择船舶材料时,首先,要深入了解不同材料可能遭遇的腐蚀类型,如化学腐蚀、电化学腐蚀等,并掌握相应的防护措施。在此基础上,根据应用场景的具体要求,兼具材料的强度、耐蚀性、经济性等,选择最合适的材料。同时,还应注意不同材料之间的电偶腐蚀相容性和阴极保护设备可能带来的潜在腐蚀问题。对于有涂层或其他覆盖层保护的设备,必须确保这些覆盖层具有足够的强度和刚度,以提供有效的保护。在结构设计方面,应倾向于使用简单和整体化的设计方案,尽量减少可能导致腐蚀的不利因素,如缝隙、死角、坑洼、液体停滞区域、应力集中点和局部过热区域,从而减少材料的失效风险。同时,设计时还应考虑到设备的清洗、保养和维修的便利性,以便及时发现和处理腐蚀问题。

3.2 选用一定的防腐蚀手段和控制措施

船舶上最常见的两种防腐蚀手段为阴极保护及覆盖层保护。阴极保护是一种电化学保护技术,它是以金属作为阴极,通过阴极极化来达到减缓腐蚀的目的。它包括两种,一个是外加电流,另一个是牺牲阳极。而船舶中常见的为牺牲阳极。无论是外加电流还是牺牲阳极,在使用过程中要注意监测最小保护电位和最小保护电流密度,根据实际经验,这两个值最好有冗余量,可更好地提供防护效果。覆盖层保护就是在材料表面使用金属覆盖层、非金属覆盖层和化合物覆盖层来达到隔绝腐蚀介质,避免腐蚀电池的产生。最常见的为有机高分子材料,使用方便,施工及维修较为容易。针对海水流速过大对船舶管道的腐蚀问题,可以采用扩大管径,加大弯曲半径等措施来控制海水流速的大小,减轻海水流速过大对管道材料的腐蚀。

3.3 建立系统防护制度

为确保船舶材料的安全性与可靠性,强化巡检制度至关重要。针对敏感部位,应该加密巡查班次,同时提高巡查技术手段,不仅仅只靠目测,还应该加入技术装备,例如超声波探伤仪、丝束电极等手段,发现问题及早解决。而针对易损部位,应加强保养工作,可采取提前更换部件,避免突发安全事故带来重大损失。

4 结论与展望

船体材料失效可能导致船舶结构的破裂、变形或崩溃,从而引发船舶的事故和人员伤亡。另外,船体材料失效还有可能导致船舶泄露化学物质,对海洋环境造成污染。本文对船体材料失效部位、失效形式和原因以及失效检测手段进行综述,针对船舶材料失效面临的主要问题,得出以下结论:

(1) 船舶材料失效的主要形式包括:疲劳失效、腐蚀失效、老化和磨损等。由于船舶长时间的使用和载荷变化,船体材料容易发生疲劳失效,导致裂纹和断裂问题,还会导致船体材料的老化和磨损,从而影响船体的性能和安全性。此外,船舶长时间处于海洋环境中,海洋环境中的氯离子和海水中的腐蚀性物质等会对船体材料进行腐蚀,使其强度和可靠性降低。

(2) 除了常见的材料失效形式外,选择合适的材料并进行质量控制和合理的设计是确保船体材料性能的关键,但在实际操作中可能存在材料质量不达标和制造工艺缺陷的问题,成为船体材料失效的潜在影响因素。

为了进一步研究和解决船体材料失效问题,可以考虑对以下几个问题进行深入的研究:

(1) 开展船体材料性能和失效机理的研究,深入了解不同材料在海洋环境中的长期静载和动载作用下的性能特点和失效机理。

(2) 发展先进的材料和涂层技术,以提高船体材料的抗腐蚀性能和耐磨损性能。

(3) 建立完善的船体材料监测和评估体系,采用无损检测、应力监测等技术手段,实时监测船体材料的状态和性能,及时发现问题。

(4) 强化船舶设计和建造过程中的强度计算和优化。随着信息技术的发展,各种模拟软件层出不穷,可以很好的在设计阶段尽量避免应力集中的出现,确保船体材料和设计满足使用要求。

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在实验室模拟环境中,通过四点弯曲装置向Ni-Cr-Mo-V高强钢施加不同应力,并结合电化学测试、腐蚀形貌和产物分析,研究了溶解氧与应力耦合对Ni-Cr-Mo-V高强钢在低温海水环境中腐蚀行为的影响及规律。结果表明:溶解氧含量的增加会加快Ni-Cr-Mo-V高强钢的腐蚀产物生成,施加外加应力会使应力集中部分的腐蚀情况进一步加剧;低温海水中溶解氧的增加,协同试样上所施加的应力,致使腐蚀产物层中的Cr、Ni减少,从而降低腐蚀产物层对基体的保护作用;当溶解氧含量和外加应力均增加时,会进一步使Ni-Cr-Mo-V高强钢发生伪钝化现象,导致其自腐蚀电流密度增大。在低温海水环境中,应力与溶解氧对Ni-Cr-Mo-V高强钢存在协同作用,促进Ni-Cr-Mo-V高强钢腐蚀反应的进行,致使该材料表面腐蚀情况加剧,腐蚀产物对基体的保护作用下降。

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通过动态FeSO<sub>4</sub>溶液冲刷在70Cu-30Ni合金管内壁形成稳定的FeSO<sub>4</sub>预成膜层,并通过不同速率的动态海水冲刷试验,研究预成膜层的耐海水冲刷腐蚀行为。FeSO<sub>4</sub>预成膜实验结果显示,在200 mg/L FeSO<sub>4</sub>溶液0.5 m/s流速下经历4 d冲刷,70Cu-30Ni合金管内壁形成一层淡黄色金属光泽膜层,随着时间增加,膜层颜色加深,厚度增加;30 d时,会形成底层NiO-Ni(OH)<sub>2</sub>层,中间层Cu<sub>2</sub>O-FeOOH致密层和表层Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-FeOOH疏松层的复合膜层。3个月周期的动态海水冲刷腐蚀试验结果显示,经历动态海水冲刷后,0.5和1.5 m/s低冲刷流速下试样的预成膜层保存较完整,仅出现轻微疏松层减薄现象;2.5 m/s高冲刷流速条件下,预成膜膜层局部位置存在疏松层剥离现象。XPS分析显示,高冲刷流速下,耐蚀膜层中Ni含量略有增加,Cu<sub>2</sub>O在Cu组分中的含量增加,FeOOH含量在Fe组分中增加。电化学测试显示,随着冲刷流速的增加,预成膜层的电荷传递阻抗逐渐减小,由0.5 m/s状态下的2.28×10<sup>5</sup> Ω·cm<sup>2</sup>,减小到2.5 m/s时的6.51×10<sup>4</sup> Ω·cm<sup>2</sup>。70Cu-30Ni合金管FeSO<sub>4</sub>预成膜层组成为NiO-Ni(OH)<sub>2</sub>/Cu<sub>2</sub>O-FeOOH/Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>;随着冲刷速率的增加,合金管局部腐蚀现象更加显著。

Peng W S, Xing S H, Qian Y, et al.

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[J]. J. Chin. Soc. Corros. Prot., 2024, 44: 1038

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流动海水冲刷下TA2纯钛管路钝化膜腐蚀特性研究

[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2024, 44: 1038

DOI      [本文引用: 1]

TA2纯钛是新一代船舶海水管路材料,在海水冲刷下管路钝化膜失效会导致管路耐久性下降。研究海水冲刷对不同表面处理TA2纯钛腐蚀行为的影响对于评估TA2纯钛腐蚀和防护具有重要意义。采用动电位极化、电化学阻抗和Mott-Schottky分析等电化学测试方法研究了两种表面处理TA2纯钛在流动海水中的耐冲刷腐蚀性能,并对腐蚀后的试样进行腐蚀形貌观察和腐蚀产物分析。结果表明,5 m/s以内,海水流速的变化对TA2纯钛表面钝化膜的耐蚀性影响较小。电位升高时,在流动海水中钛合金表面钝化膜出现短暂的溶解现象,但很快就会进行再钝化修复,对材料的耐蚀性并未产生明显影响。相比于表面钝化处理试样,抛光状态试样在流动海水冲刷下阴极极化存在极限扩散特征,这主要是由于钝化状态试样表面已经形成了钝化膜,其对氧的消耗少于尚未形成钝化膜的表面抛光试样。抛光试样由氧传质速度控制的去极化发展慢,出现不随电位变化的极限电流密度。两种表面处理后的TA2纯钛钝化膜在海水中均只呈现n型半导体特征,且极化测试后材料表面平整,未出现明显局部腐蚀。

Wang Z H, Bai Y, Ma X, et al.

Numerical simulation of galvanic corrosion for couple of Ti-alloy with Cu-alloy in seawaters

[J]. J. Chin. Soc. Corros. Prot., 2018, 38: 403

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王振华, 白 杨, 马 晓 .

钛合金和铜合金管路电偶腐蚀数值仿真

[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2018, 38: 403

DOI      [本文引用: 1]

针对典型船舶海水管路模型,采用以边界元法为基础的数值模拟仿真技术,对TA2钛合金和B10铜合金两种金属材料海水管路模型进行电偶腐蚀数值仿真。通过动电位极化曲线测试法分别测量B10铜镍合金、TA2钛合金在静态以及流态下的极化曲线,以其作为模拟边界条件,分别研究了材料间电偶腐蚀电位和电流密度的分布规律。同时研究了不同管径和海水流速工况下的管路电偶腐蚀规律。结果表明,在TA2和B10组成的电偶体系 (面积比1&#x02236;1) 中,B10作为阳极材料,且电连接处腐蚀最严重,约为自然腐蚀的4倍;电偶腐蚀速率与管径与介质流速都呈正相关关系。

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Effect of magnetic field on marine magnesium alloy in simulated seawater

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磁场对船用镁合金在模拟海水中的研究

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Localized corrosion of 5083 Al-alloy in simulated marine splash zone

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毛英畅, 祝 钰, 孙圣凯 .

5083铝合金在模拟海洋浪花飞溅区的局部腐蚀行为

[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2023, 43: 47

DOI      [本文引用: 1]

搭建了模拟海洋浪花飞溅腐蚀测试装置,采用电化学阻抗谱 (EIS) 技术和形貌分析方法研究了5083铝合金在模拟浪溅区的局部腐蚀行为,并比较了其与全浸区腐蚀行为的差异性。实验结果表明:浪溅区由于冲刷作用腐蚀类型较为复杂,呈现孔蚀、晶间腐蚀与剥落腐蚀等多种局部腐蚀形态,且表面覆盖有大量腐蚀产物,局部腐蚀深度约40~80 μm。全浸区仅存在分散分布的小蚀坑,深度约5 μm,且多数起源于夹杂物处。夹杂物作为阴极相,附近的铝合金基体为阳极区发生溶解。浪花飞溅区蚀坑形状与水流方向有关,蚀坑下边缘在水流剪切力与腐蚀的共同作用下发生了层状剥落,导致蚀坑深度变化较缓,呈台阶状。EIS测试结果表明,浪溅区的极化电阻值约为全浸区的20%~50%,而有效电容值约为全浸区的2倍,表明浪溅区的腐蚀速度远大于全浸区。

Deng C M, Liu Z, Xia D H, et al.

Localized corrosion mechanism of 5083-H111 Al alloy in simulated dynamic seawater zone

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邓成满, 刘 喆, 夏大海 .

5083-H111铝合金在模拟动态海水环境中的局部腐蚀机制

[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2023, 43: 683

DOI      [本文引用: 1]

采用开路电位 (OCP)、电化学阻抗谱 (EIS),并结合扫描电子显微镜 (SEM) 和X射线光电子能谱 (XPS) 技术,研究了5083-H111铝合金在模拟动态海水环境中的电化学行为,并探讨了局部腐蚀机制。5083-H111铝合金的金属间化合物以Al-Fe和Mg-Si相为主,点蚀主要分布于金属间化合物周围;Al-Fe相在腐蚀过程中充当阴极,与周围Al基体构成微腐蚀电池,促使Al基体的点蚀。Mg-Si相在腐蚀过程中最初充当阳极,当其发生选择性溶解导致脱合金化逐渐形成富Si相后,变为阴极,促使Al基体发生点蚀。5083-H111铝合金表面生成的腐蚀产物为Al(OH)<sub>3</sub>、Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>和AlCl<sub>3</sub>。腐蚀产物在腐蚀初期对Al基体起到良好的保护作用,导致OCP正移,极化电阻 (R<sub>p</sub>) 增大;腐蚀后期 (36~56 d),初始腐蚀产物会发生局部脱落,在脱落位置Al基体再次发生局部腐蚀,导致OCP负移,R<sub>p</sub>急剧减小。随着暴露时间的延长,部分金属间化合物在腐蚀后期会发生脱落,形成腐蚀空腔。

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研究了TC4-316L异种金属铆接件在模拟海洋大气环境条件下的腐蚀行为。利用失重法、X射线光电子能谱分析 (XPS)、扫描电子显微镜 (SEM)、激光共聚焦显微镜等方法分析了试样的腐蚀动力学、锈层成分、腐蚀形貌。结果表明,TC4-316L铆接件在周期浸润实验1200 h后,316L不锈钢发生了腐蚀,而TC4钛合金并没有明显的腐蚀现象;316L不锈钢腐蚀产物包含FeOOH,Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>和Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>,而TC4钛合金表面主要为TiO<sub>2</sub>和Ti<sub>2</sub>O<sub>3</sub>等钛的氧化物组成的氧化膜。与单件316L不锈钢相比,由于电偶腐蚀与缝隙腐蚀的共同作用,TC4-316L铆接件中的316L不锈钢腐蚀加速。

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采用动电位极化、电化学阻抗及Mott-Schottky技术研究了316L不锈钢在pH值分别为4,7和11的硼酸溶液中钝化膜的电化学行为,并对钝化膜成分进行了X射线光电子能谱分析。结果表明:316L不锈钢在酸性、中性和碱性硼酸溶液中均能形成稳定的钝化膜,且随pH值增加钝化电位区间减小,过钝电位显著下降。碱性硼酸溶液中316L不锈钢过钝电流显著增加。钝化膜完整性在中性硼酸溶液中最好,酸性溶液中最差。Mott-Schottky曲线结果表明,在酸性环境中随着电位的升高,钝化膜由n型向p型转变;在中性和碱性环境中,钝化膜半导体类型分别为n型和p型。这是由于随pH值增加,Cr的氢氧化物消失,钝化膜中Fe由FeO(OH) 转变为Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>;在碱性环境下钝化膜中Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub>含量减少导致耐蚀性下降。

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