船用零件老化檢測平臺的改進(jìn)

1、閩南理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目 船用零件老化檢測平臺的改進(jìn) 系 別 光電與機(jī)電工程系專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計與制造 班 級 1210161 學(xué) 號 121016144 姓 名 馬周 指導(dǎo)教師 劉偉 完成時間 2015年5月25日 評定成績 教務(wù)處制二零一伍年 六 月 一 日閩南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）專用箋+摘 要隨著我國海洋事業(yè)的發(fā)展，我國船用零件業(yè)越來越多，而且越越復(fù)雜。海洋環(huán)境是一種非常嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境，各種材料在使用過程中始終面臨著惡劣的海洋腐蝕環(huán)境，由海水腐蝕造成的零件老化所引發(fā)事故的經(jīng)濟(jì)損失所占的比例相當(dāng)高。目前對船用零件性能的評價方法主要是實海掛片試驗，該方法的優(yōu)點是實驗環(huán)境條件真實

2、，操作簡單，結(jié)果比較可靠。本文主要研究船用零件在不同實驗環(huán)境條件下的老化性檢測平臺。通過電化學(xué)試驗，探討了不同的實驗環(huán)境條件對材料的腐蝕的影響，得到了材料在不同實驗條件下的腐蝕規(guī)律，找出不同試驗條件下的船用零件老化檢測數(shù)據(jù)的平臺。關(guān) 鍵 詞: 海洋環(huán)境；船用零件；老化檢測；腐蝕Improved Marine Parts aging test platformABSTRACT：With the development of China's marine industry, China's marine parts industry more and more, and the m

3、ore the more complex. The marine environment is a very harsh corrosive environments, a variety of materials in use are always faced with the harsh marine environment corrosion by seawater corrosion caused economic losses arising from aging of the proportion of accidents is very high. Marine current

4、part performance evaluation method is mainly to sea coupon test, the advantages of this method is that the real test environment conditions, simple operation, the results are more reliable.This paper studies the marine parts under different environmental conditions of aging experiments testing platf

5、orm. By electrochemical experiment to study the effects of different environmental conditions on the corrosion test material obtained material corrosion rule under different experimental conditions, identify marine parts under different experimental conditions aging test data platform. Keyword：Marin

6、e parts Aging test Corrosion目 錄前言11船用零件海洋環(huán)境老化速度測量技術(shù)21.1 重量法21.2 氣體容量法21.3 電阻法22 海洋環(huán)境對船用零件老化的影響32.1 溶氧量對零件老化的影響32.2 溫度對零件老化的影響32.3 含鹽度對零件老化的影響43 船用零件老化檢測平臺模擬實驗分析53.1 常溫下海水對零件影響53.2 含氧量對零件老化的影響63.3 海水浸泡時間的影響64船用零件海水防老化的策略84.1改善金屬的本質(zhì)84.2形成保護(hù)層84.3非金屬涂層84.4金屬保護(hù)層8參考文獻(xiàn)9致謝10前言海洋占有世界的70%的面積，所以說開發(fā)海洋資源是非常重要的。二

7、十一世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，遼闊無際的海洋蘊藏著數(shù)不清的豐富海洋生物資源以及海洋礦物質(zhì)資源，它像一個天然的寶庫，等待著人類去探索和開發(fā)。據(jù)相關(guān)權(quán)威機(jī)構(gòu)披露，世界上眾多國家己經(jīng)將開發(fā)海洋提升到國家發(fā)展戰(zhàn)略的高度。與此同時，伴隨著整體科技發(fā)展水平的不斷提高，我國向海洋邁進(jìn)的步伐也逐漸加快，如何更加合理、有效地開發(fā)和利用海洋資源己逐漸成為廣大科技人員關(guān)注和研究的焦點。古語云:知己知彼，百戰(zhàn)不殆。要想合理有效地開發(fā)和利用海洋資源，首先就要了解海洋。海水是自然界中數(shù)量最多而且具有很強腐蝕性的多元電解質(zhì)溶液，主要含有3.2%-3.75%的鈉離子等多種鹽類，溶解有氧和二氧化碳等氣體還有大量海生物。海水的鹽度、PH

8、值、溫度、溶解氧量隨海水深度、地理位置、季節(jié)的不同而有所變化。而要想合理、有效地開發(fā)利用海洋資源，關(guān)鍵在于開發(fā)出適合特定海洋環(huán)境下使用的材料。當(dāng)然，結(jié)合海水獨特的性質(zhì)，影響材料在海洋環(huán)境中腐蝕的因素很多，其中包括化學(xué)的(氧、鹽、碳酸鹽、有機(jī)化合物、污染物等)、物理的(溫度、流速、壓力等)和生物的因素。這些因素的作用常常是相互關(guān)聯(lián)的，他們不但對不同金屬的影響不一樣，就是在同一海區(qū)對同一種金屬的影響也因金屬在海水中所處的部位(飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)、深海區(qū)、海泥區(qū))不同而異。正因為有如此多可能導(dǎo)致差異的因素的存在，才使得材料，特別是金屬材料在海水中的腐蝕研究變得極為重要，并且也是極為復(fù)雜。對于金屬

9、材料在實際海水中的腐蝕研究，長久以來，研究人員大多采用在實際海域中長周期掛樣的方法，研究材料在特定環(huán)境、特定氣候條件下的腐蝕情況。采用這種研究方法，可以得到某種材料在特定環(huán)境下、不同掛樣周期的耐蝕性的第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料。第 0 頁 共 15 頁1船用零件海洋環(huán)境老化速度測量技術(shù)鋼鐵材料老化速度的測定方法很多，常規(guī)的直接測試技術(shù)包括重量法、氣體容量法、電阻法和電化學(xué)方法等。1.1 重量法由于腐蝕作用、材料的重量會發(fā)生系統(tǒng)的變化，這是重量法測定材料抗蝕能力的理論基礎(chǔ)。雖然發(fā)展了很多新的腐蝕研究方法、但重量法仍然是最基本的定量評定腐蝕的方法、并得到了廣泛的應(yīng)用。重量法簡單直觀、適用于實驗室和現(xiàn)場試驗，它

10、分為增重法和失重法兩種。當(dāng)腐蝕產(chǎn)物牢固地附著在試樣上、又幾乎不溶于溶液、也不為外部物質(zhì)所站污、這時可以用增重法測定腐蝕破壞程度。增重法適用于評定全面腐蝕和晶間腐蝕、而不適用于其他類型的局部腐蝕。這種方法的一個嚴(yán)重缺點是數(shù)據(jù)的間接性、即得到的數(shù)據(jù)包括腐蝕產(chǎn)物的重量、究竟多少材料被腐蝕、還需分析腐蝕產(chǎn)物的成分來換算。失重法是一種簡單而直接的方法。它不要求腐蝕產(chǎn)物牢固附著在材料表面，也不考慮腐蝕產(chǎn)物的可溶性、因為試驗結(jié)束后必須從試樣上清除全部腐蝕產(chǎn)物。失重法直接表示由于腐蝕而損失的材料重量、不需經(jīng)過腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)成分分析和換算。這些優(yōu)點使其得到廣泛的應(yīng)用。1.2 氣體容量法對于伴隨析氫或耗氧的腐蝕過

11、程，可通過測量一定時間內(nèi)的析氫量或耗氧量來計算金屬的腐蝕速度，此法稱為容量法。它的靈敏度比失重法高得多，而且不必像失重法那樣需清除腐蝕產(chǎn)物，在試樣的腐蝕過程中，可以測定其瞬時腐蝕速度，從而可以在一個試樣上測得腐蝕量與時間的連續(xù)關(guān)系曲線。它的測定裝置簡單可靠。量氣測定方法也很方便但是只有在腐蝕過程中伴隨的析氫量或耗氧量與金屬溶解量成摩爾量關(guān)系時才可用容量法來測定金屬腐蝕速度，否則不能應(yīng)用。1.3 電阻法電阻法測定金屬腐蝕速度是根據(jù)金屬試樣由于腐蝕作用使橫截面積減小從而導(dǎo)致電阻增大的原理，通過測量腐蝕過程中金屬電阻的變化而求出金屬的腐蝕量和腐蝕速度。電阻法測定腐蝕速度不受腐蝕介質(zhì)的限制，無論氣相還

12、是液相，導(dǎo)電的還是不導(dǎo)電的介質(zhì)均可應(yīng)用。測量時不必取出試樣和清除腐蝕產(chǎn)物，因此可以在生產(chǎn)過程中或自然環(huán)境中進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，可測定腐蝕速度隨時間變化的關(guān)系曲線，有利于進(jìn)行腐蝕監(jiān)控和研究。準(zhǔn)確測量電阻一般采用精確的電橋法，由于金屬的電阻對溫度變化敏感，測量技術(shù)中應(yīng)解決溫度補償問題。2 海洋環(huán)境對船用零件老化的影響2.1 溶氧量對零件老化的影響對于海洋，不同領(lǐng)域有不同的界定。按照中國大百科全書定義，海洋指200m以下的海洋環(huán)境，在軍事領(lǐng)域通常將海洋定義為300 m以下的海洋環(huán)境。海洋是一種苛刻的腐蝕環(huán)境，尤其對于金屬而言是高腐蝕性環(huán)境，其中的氧濃度、光照量、pH值、溫度、鹽度、流速等條件與淺海環(huán)境中的

13、含量大不相同。中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五所青島分部的侯建等人研究了海洋環(huán)境因素對碳鋼的腐蝕行為的影響，得出碳鋼和低合金鋼在海洋環(huán)境中的腐蝕速度與溫度、溶解氧、鹽度、pH值等海水環(huán)境因素密切相關(guān)。其中，溶解氧影響最大。印度國家海洋技術(shù)研究所的Venkatesan R等用實海掛片方法研究了碳鋼在印度洋中500,1 2003 500S 100 m深度的腐蝕行為，表明海洋環(huán)境中氧濃度是影響均勻腐蝕過程的主要因素，中碳鋼在海洋中的腐蝕速度隨溶解氧氧濃度降低而減小。美國在西海岸太平洋2000m海洋腐蝕試驗表明，溶解氧在700m達(dá)到最小值后又逐漸增加，金屬腐蝕速度與溶解氧變化完全一致。SawantS 等人

14、研究了低碳鋼、不銹鋼、銅、黃銅及銅鎳合金在阿拉伯海和孟加拉海灣淺海、1000-2900 m深處暴露一年的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)除了黃銅的腐蝕速度與深度沒有關(guān)系外，其他材料在2900 m深處比在1000 m深處和在淺海環(huán)境下的腐蝕速度更低。在淺海環(huán)境下腐蝕率順序為低碳鋼>銅>銅鎳合金>黃銅>不銹鋼，在海洋環(huán)境下腐蝕率順序為低碳鋼>銅鎳合金>黃銅>銅>不銹鋼。這些金屬的腐蝕速率受到溶解氧含量的控制。美國海軍實驗室在2060 m深度進(jìn)行了各種金屬與合金腐蝕試驗，發(fā)現(xiàn)該環(huán)境下鋼材腐蝕速度與氧含量線性相關(guān)。他們還研究了中碳鋼AISI1020在阿拉伯海1000-29

15、00m深處浸泡一年的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)其在2900 m深處的腐蝕速度小于1000 m深的，并且認(rèn)為腐蝕速度隨深度變化在海洋環(huán)境中小于淺海環(huán)境。從當(dāng)前國內(nèi)外研究的成果來看，在海洋環(huán)境其他因素不變的情況下，金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕速率與氧含量成正比。由于氧含量隨著海水的深度降低，故腐蝕速率的變化也應(yīng)如此。 2.2 溫度對零件老化的影響隨海水深度的增加，溫度是不斷變化的。在500m深處的海水溫度不到10 0C，在2 000 m深處的海水溫度約2 0C，在50m深處的海水溫度約10攝氏度。在海面下最初300m時，溫度隨深度的增加下降很快;在海面下300m至1000 m處時，隨深度的增加，溫度下降速度減小;在2000

16、 m以下的深海，溫度幾乎恒定在冰點上下范圍內(nèi)幾度。海水的溫度不僅會對材料本身的腐蝕行為有所影響，而且還會影響其他腐蝕因素:一方面，溫度升高，分子熱運動加強，氧氣的擴(kuò)散速度增大，增強了海水的導(dǎo)電性能，使腐蝕速度增快;另一方面，溫度升高，海水中的溶氧量減少，同時也促進(jìn)了保護(hù)性鈣質(zhì)水垢的生成，在一定程度上也抑制了金屬的腐蝕2.3 含鹽度對零件老化的影響多海洋環(huán)境中富含鹽類，氯鹽、硫酸鹽等使海洋變成了具有高腐蝕性的環(huán)境。含鹽度對材料腐蝕的影響主要取決于水溶液比導(dǎo)電率的變化以及氯離子對材料鈍化膜的破壞作用。其中，水溶液比導(dǎo)電率與溫度和氯離子的濃度有關(guān)。研究表明，室溫條件下不同濃度的NaCI水溶液中，3%

17、一315%左右質(zhì)量含量的NaCI水溶液對鋼鐵的腐蝕最為嚴(yán)重。這主要是因為當(dāng)鹽濃度低于3%時，隨鹽濃度增加，溶液導(dǎo)電性增加，腐蝕速率上升;當(dāng)鹽濃度高于315%時，氧的溶解度降低及擴(kuò)散速度減小，腐蝕速率明顯下降。海水中的含鹽度通常在312%一316%之間，因此，在海水環(huán)境下鋼鐵腐蝕最為嚴(yán)重。在深海環(huán)境下，海水中的含鹽度約在315%變化幅度非常小。因此，可以認(rèn)為含鹽度在整個海洋環(huán)境下對材料的腐蝕是一個常量。3 船用零件老化檢測平臺模擬實驗分析3.1 常溫下海水對零件影響如圖所示，隨浸泡時間的延長，三種材料在室內(nèi)靜水和室內(nèi)充氧海水的體系中的自腐蝕電位，均由負(fù)逐漸變正，但三者之間自腐蝕電位的排列順序不同

18、:室內(nèi)靜水中的是B>A>C;而室內(nèi)充氧海水中的是B>C>A，室內(nèi)充氧海水中的自腐蝕電位排序與實海腐蝕的自腐蝕電位排序一致，如圖3.1與圖3.28所示。這說明，室內(nèi)充氧海水體系的模擬效果與實海腐蝕結(jié)果更為接近，同時也從側(cè)面反映了體系中的含氧量對低合金鋼海水腐蝕的影響是極其關(guān)鍵的。圖3.1 常溫下海水對零件的影響同時，與試樣在實海腐蝕中的自腐蝕電位變化一樣，在室內(nèi)靜止海水及充氧海水中，開始浸泡時，試片的自腐蝕電位比較正，這是由于試片表面有氧化膜存在的緣故;當(dāng)試片在海水中暴露時，氧化膜被海水中的C1一破壞，E迅速負(fù)移;但隨著暴露時間的延長，E又逐漸升高，這是由于銹層在試片表面

19、堆積造成的。隨浸泡時間的延長，銹層在試片表面不斷堆積。Ecorr的變化反映了暴露期間試片表面腐蝕狀態(tài)的變化。所不同的是，海水體系中的含氧量對自腐蝕電位的影響表現(xiàn)為不同體系中的電位排序上。3.2 含氧量對零件老化的影響通過圖的對比可以看出，室內(nèi)充氧海水體系下的極化電阻瑪、瞬時腐蝕電流密度100%隨浸泡時間的變化更接近實海腐蝕條件下極化電阻凡、瞬時腐蝕電流密度80%隨浸泡時間的變化。圖3.2 含氧量對零件復(fù)制影響而且，通過對比兩種室內(nèi)模條件下的極化電阻瑪、瞬時腐蝕電流密度，我們發(fā)現(xiàn)充氧海水體系的瑪小于室內(nèi)靜水浸泡的瑪，而前者的濃度則要遠(yuǎn)大于后者的，充氧海水體系下的腐蝕比靜水浸泡更劇烈，也更接近實海

20、腐蝕下的腐蝕速度。究其原因，主要是因為，充氧環(huán)境不但使水中的含氧量大為提高，而且以這種充氣攪拌的方式間接加速了海水中陰極還原反應(yīng)所需的氧向反應(yīng)界面擴(kuò)散的速度，從而提高了反應(yīng)控制速度一一陰極還原反應(yīng)速率，整體上提高了腐蝕速度，相應(yīng)的極化阻力Rp相比起來就更小。相比于充氧條件，室內(nèi)靜水浸泡，海水是完全靜止的，不利于氧的運輸和擴(kuò)散，從而更加限制了陰極還原反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致整個陰、陽反應(yīng)都受到限制，制約了整個腐蝕發(fā)生地反應(yīng)速度。當(dāng)然，即便是室內(nèi)充氧海水體系，它的海水相對于實海也有很大差距，其溫度要高于海水，注定其中的含氧量要低于正常海水中的值，并且由于室內(nèi)溫度高、會蒸發(fā)的緣故，含鹽量也會比正常海水要高，

21、這一切都使得充氧海水體系的腐蝕與實際海水依然有差距，比如，室內(nèi)海水中微生物腐蝕就相對與實海腐蝕就輕，這一點在后面的阻抗譜等效電路的擬合中會比較突出。3.3 海水浸泡時間的影響給出的是不同試樣在室內(nèi)靜水浸泡1, 15, 30, 60, 90, 120, 180天的電化學(xué)阻抗譜的變化。從圖中可以看出，試樣浸泡初期，阻抗呈現(xiàn)單一的完整容抗弧，隨著浸泡的時間延長，阻抗弧逐漸收縮，并呈現(xiàn)彌散效應(yīng)，當(dāng)浸泡4-6個月的時候，阻抗弧呈現(xiàn)低頻的Warburg阻抗。圖3.32給出的是室內(nèi)靜水浸泡條件下，不同階段的等效電路圖。其中表腐蝕產(chǎn)物膜層電阻，為常相位角元件，分別代表雙電層、腐蝕產(chǎn)物層的電容，Wi代表Warb

22、urg阻抗。從中可以看出，室內(nèi)靜水浸泡的等效電路中并沒有出現(xiàn)代表微生物腐蝕的等效元件，而是出現(xiàn)了Warburg阻抗，這可能是由于銹層的沉積，導(dǎo)致銹層變厚，以致反應(yīng)離子通過該部分變得艱難，從而使該步驟成為整個反應(yīng)的控制步驟。說明反應(yīng)主要受氧的擴(kuò)散過程控制不同試樣在充氧海水體系中浸泡1, 15, 30, 60, 90, 120,180天的電化學(xué)阻抗譜的變化。從圖中可以看出，隨著浸泡時間的延長，阻抗弧半徑明顯增大，說明腐蝕速度呈遞減的趨勢，通過圖例中表明的比例尺可以看出，充氧海水中的阻抗明顯小于靜水浸泡的阻抗，說明，雖然充氧海水阻抗明顯增大、腐蝕速度遞減，但腐蝕速度的絕對值依然遠(yuǎn)大于靜水浸泡的腐蝕速

23、度的絕對值。5給出的是充氧海水不同階段的等效電路和浸泡6個月時的奈奎斯特圖以及擬合結(jié)果。其表內(nèi)外銹層所產(chǎn)生的電容。究其原因，可能是因為，充氧攪拌作用加速了局部腐蝕，從而使銹層聚集地部位缺氧成為一個閉塞區(qū)，腐蝕速度較高，內(nèi)、外銹層都變厚，并且相比較而言更為致密，通過腐蝕產(chǎn)物觀察，發(fā)現(xiàn)局部產(chǎn)生銹包，銹包較硬，出去外層產(chǎn)物，內(nèi)部是黑色腐蝕產(chǎn)物，如圖所示。圖3.3 不同浸泡時間4船用零件海水防老化的策略海洋環(huán)境是一種復(fù)雜的腐蝕環(huán)境。在這種環(huán)境中，海水本身是一 種強的腐蝕介質(zhì)，海洋腐蝕主要是局部腐蝕，即從構(gòu)件表面開始，在很小區(qū)域內(nèi)發(fā)生的腐蝕，如電偶腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕等。此外，還有低頻腐蝕疲勞、應(yīng)力腐

24、蝕及微生物腐蝕等。通常，金屬構(gòu)件在海洋飛濺區(qū)（指風(fēng)浪、潮汐等激起的海浪、飛沫濺散到的區(qū)域）的全面腐蝕速率最高。防止海洋腐蝕的措施除正確設(shè)計金屬構(gòu)件、合理選材外，通常有以下幾種：4.1改善金屬的本質(zhì)根據(jù)不同的用途選擇不同的材料組成耐蝕合金，或在金屬中添加合金元素，提高其耐蝕性，可以防止或減緩金屬的腐蝕。例如，在鋼中加入鎳制成不銹鋼可以增強防腐蝕能力。4.2形成保護(hù)層在金屬表面覆蓋各種保護(hù)層，把被保護(hù)金屬與腐蝕性介質(zhì)隔開，是防止金屬腐蝕的有效方法。工業(yè)上普遍使用的保護(hù)層有非金屬保護(hù)層和金屬保護(hù)層兩大類。它們是用化學(xué)方法，物理方法和電化學(xué)方法實現(xiàn)的。金屬的磷化處理，鋼鐵制品去油、除銹后，放入特定組成

25、的磷酸鹽溶液中浸泡，即可在金屬表面形成一層不溶于水的磷酸鹽薄膜，這種過程叫做磷化處理。磷化膜呈暗灰色至黑灰色，厚度一般為5-10毫米，在大氣中有較好的耐蝕性。膜是微孔結(jié)構(gòu)，對油漆等的吸附能力強，如用作油漆底層，耐腐蝕性可進(jìn)一步提高。金屬的氧化處理，將鋼鐵制品加到NaOH和NaNO2的混合溶液中，加熱處理，其表面即可形成一層厚度約為0.5m1.5m的藍(lán)色氧化膜（主要成分為Fe3O4），以達(dá)到鋼鐵防腐蝕的目的，此過程稱為發(fā)藍(lán)處理，簡稱發(fā)藍(lán)。這種氧化膜具有較大的彈性和潤滑性，不影響零件的精度。故精密儀器和光學(xué)儀器的部件，彈簧鋼、薄鋼片、細(xì)鋼絲等常用發(fā)藍(lán)處理。4.3非金屬涂層用非金屬物質(zhì)如油漆、塑料、

26、搪瓷、礦物性油脂等涂覆在金屬表面上形成保護(hù)層，稱為非金屬涂層，也可達(dá)到防腐蝕的目的。例如，船身、車廂、水桶等常涂抽漆，汽車外殼常噴漆，槍炮、機(jī)器常涂礦物性油脂等。用塑料（如聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯等）噴涂金屬表面，比噴漆效果更佳。塑料這種覆蓋層致密光潔，色澤艷麗，兼具防蝕與裝飾的雙重功能。搪瓷是含SiO2量較高的玻璃瓷釉，有極好的耐腐蝕性能，因此作為耐腐蝕非金屬涂層，廣泛用于石油化工、醫(yī)藥、儀器等工業(yè)部門和日常生活用品中。 4.4金屬保護(hù)層它是以一種金屬鍍在被保護(hù)的另一種金屬制品表面上所形成的保護(hù)鍍層。前一金屬常稱為鍍層金屬。金屬鍍層的形成，除電鍍、化學(xué)鍍外，還有熱浸鍍、熱噴鍍、滲鍍、真空鍍等方法。 熱浸鍍是將金屬制件浸入熔融的金屬中以獲得金屬涂層的方法，作為浸涂層的金屬是低熔點金屬，如Zn、Sn、Pb和A1等，熱鍍鋅主要用于鋼管、鋼板、鋼帶和鋼絲，應(yīng)用最廣；熱鍍錫用于薄鋼板和食品加工