某型船青铜阀门腐蚀原因分析及治理措施

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(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

青铜阀门在船舶海水系统中被广泛应用。海水对阀门的腐蚀作用降低了使用寿命，增加了维护及维修的费用，严重影响船舶的安全，因此，对阀门的选材设计及腐蚀控制措施的研究，能够有效减轻和抑制对船舶的腐蚀，提高其经济运营性，具有重要的经济意义和实用价值[1-3]。设计的目标是能合理设计海水系统并对腐蚀问题进行有效控制[4-6]。

通过阐述某型船进厂维修的青铜阀门的腐蚀情况，分析不同阀门的腐蚀原因，提出治理措施，使得青铜阀门的腐蚀问题得到有效的预防和控制。

1 腐蚀现象

对进厂修理的某型船的青铜阀门的腐蚀情况进行统计，通过拆解勘验，发现返厂的日用海水系统青铜阀门的腐蚀比较严重，部分阀门需更换阀体、阀盘，几乎全部的阀杆因脱铝腐蚀需换新。

1.1 截止阀和截止止回阀

青铜截止阀和青铜截止止回阀大部分使用时间为4～9年。其结构见图1，主要零件及材质见表1。

图1 截止阀和截止止回阀结构示意

表1 青铜截止阀/截止止回阀主要零件和材质

截止阀和截止止回阀的腐蚀主要发生在阀体和阀盘密封面及阀杆接触海水部位。勘验发现所有的阀杆都发生脱铝腐蚀，引起阀杆外表颜色变红并有成片细微小坑，腐蚀导致阀杆的化学成分发生变化。

海水阀门中的青铜截止阀、青铜截止止回阀内漏，阀门出现关不严的现象；阀门使用过程中，阀杆和密封填料之间出现漏水现象，不能继续使用。

图2、3为阀体、阀盘实物。

图2 阀体实物

图3 阀盘实物

1.2 减压阀

减压阀的结构见图4，主要零件和材质见表2。

图4 青铜减压阀结构示意

表2 青铜减压阀主要零件和材质

减压阀的腐蚀主要发生在阀杆和阀体，所有的阀杆都发生脱铝腐蚀，表面有白色的结块物质(见图5)，擦去表面白色结块后(见图6)，阀杆外表颜色变红并有成片细微小坑，腐蚀导致阀杆的成分发生变化，无法继续使用。减压阀的阀体密封面腐蚀也比较严重，部分阀体内腔因腐蚀出现穿孔的现象，减压阀阀盘密封面完全被冲蚀，减压阀膜片破裂，海水泄漏腐蚀阀上盖导致其出现锈迹的现象。

图5 阀杆和阀盘的腐蚀情况

图6 阀杆白色物质清除后情况

1.3 安全阀

青铜安全阀是按照CB907—94标准生产的，结构见图7，主要零件和材质见表3。

图7 安全阀结构示意

表3 青铜安全阀主要零件和材质

安全阀的腐蚀主要是在阀盘和阀体之间因脱铝腐蚀产生白色结块物质(见图8)，卡在阀体和阀盘之间，造成阀盘运动卡阻，无法及时回座，严重影响安全阀的回座性能。安全阀易出现不能正常起跳或正常起跳后不能回位的现象，安全阀超压泄放不能复位会导致海水从安全阀处泄放至所在的舱室。拆卸安全阀后发现阀门内有大量白色凝结物，阀盘被其腻死，无法正常取出。

在2014年进厂修理时，为防止安全阀发生脱铝腐蚀，在所有安全阀的阀体内腔和阀盘外表都进行涂氟处理，但从本次拆解情况来看，脱铝腐蚀情况比2014年进厂修理时有所改善，但仍无法避免脱铝腐蚀。

图8 阀体和阀盘析出的白色物质

2 腐蚀原因分析

2.1 海水原因

阀门腐蚀的共性原因是由于海水中含有大量的氯离子，不但加速了阀门的腐蚀，其中的氯离子还会对某些氧化性保护膜的形成起阻滞和破坏作用。由于海水中含有浓度很高的氯离子，随着海水流速增加，腐蚀速率加快。

由于与阀门接触的海水直接取自海洋表面，其中的溶解氧几乎达到饱和程度。氧在电化学腐蚀过程中是一种去极化剂，电化学腐蚀中一个极为重要的因素。海水中存在着大量的浮游微生物，如藻类、细菌、真菌等，直接参与了腐蚀反应。这些微生物排出的氨盐、硝酸盐、有机物、硫化物、碳酸盐等代谢物使水质组成发生变化而引起腐蚀[7]。

由于船舶须在不同海域航行，要求海水阀门须适应不同海域内海水的溶解氧浓度、盐度、温度、等差异，使得青铜阀门的腐蚀机理更加复杂[8]。

2.2 腐蚀类别

2.2.1 电偶腐蚀

由于海水具有较高的电导率，当两种金属具有不同的电极电位放置于海水中时，电位低的金属会加速溶解，电位较高的金属溶解速度较低。青铜质阀门一般先发生脱成分选择性腐蚀。然后发生均匀腐蚀。当海水管路采用白铜时，与管路相连的青铜阀门会产生电偶腐蚀。在水、氧气和二氧化碳等的作用下生成铜绿[9]。

2Cu+ O2+ CO2+ H2O→Cu2( OH)2CO3

2.2.2 湍流腐蚀

由于青铜阀门在海水中工作时承受海水压力高，铜截止阀在开启或关闭时，海水的流速很大从而形成湍流。不仅增加了氧去极化剂的供应量，而且使流体对金属表面的切应力增大，由于海水中还带有大量泥砂等固体颗粒物，加剧了阀体和阀瓣的表面磨损。由于青铜阀门的结构复杂，开启或关闭时水流冲击着阀门的内壁，使其保护膜破坏。若此时流速过大，会发生空泡腐蚀，使得阀体表面腐蚀成海绵状。

2.2.3 氧浓度差腐蚀

氧浓差腐蚀大多发生在青铜阀门的阀杆部位。在阀杆的填料函以上部位，由于氧的扩散途径短，导致氧的浓度高, 变成了腐蚀电池的阴极；氧的浓度较低的填料函部位成为腐蚀电池的阳极遭受到腐蚀。

2.2.4 缝隙腐蚀

在青铜阀门的阀体和阀盖与法兰的结合处，阀瓣与阀杆的连接处，以及铰链销接合处等部位，由于缝隙的存在，导致海水等介质会滞留在其中。腐蚀在刚开始时，氧去极化腐蚀在缝隙内外均匀进行。随着腐蚀时间变化, 存在于缝隙内的氧得不到及时补充，使氧的还原反应中止。缝隙外的氧还原反应仍然可以持续进行，使得缝隙的内外构成宏观的浓差电池，缝隙内发生的阳极溶解反应可以表示为[10]

Me-ne→Men+

缝隙外的阴极反应可以表示为[10]：

1/2O2+ H2O+ 2e→2OH-

由于氧浓差电池的存在，促进了腐蚀作用产生。随着阳极的腐蚀反应不断发生，缝隙内的金属阳离子富积，使得腐蚀产物堵塞缝隙口，促使介质中的Cl-的进入维持电荷的平衡，使得金属氧化物的水解导质酸化，使腐蚀现象更加剧烈。

2.3 截止阀和截止止回阀腐蚀原因

由于青铜阀门在长时间、高强度特殊使用条件下和海生物异常生长环境下，青铜阀门因海生物造成流道阻塞，流速增大，加剧了冲刷腐蚀，同时存在B10管路与青铜阀门之间的异种金属电化学腐蚀现象。

青铜截止阀、截止止回阀材料使用上考虑了防腐的需求，使用具有良好的机械性能、加工性能和耐海水腐蚀性能并在海洋工程中有着广泛应用的铜基合[11]。在实际使用中，阀门易出现两类漏水情况：阀门内漏、阀杆处海水外漏。主要表现在部分阀门内漏，阀门出现关不严的现象；阀门使用过程中，阀杆和密封填料之间出现漏水现象等。

青铜截止阀、截止止回阀产生上述腐蚀的主要原因：硬密封的密封面比较狭窄，阀门处于关闭位置时，阀盘和阀体密封面真正结合的部位只有一条线，密封面之间存在一定的缝隙，长时间海水浸泡环境中使海水介质处于滞流状态，引起缝隙内金属的缝隙腐蚀。

当缝隙腐蚀形成并导致阀门密封面泄漏后，由于截止通过缝隙的流动速度过快，夹有气泡的海水冲击密封面表面，并伴随气泡在密封面生成和破灭，可能产生湍流腐蚀和空泡腐蚀，进一步加速阀门密封面的腐蚀，最终导致阀门密封面完全失效。

海生物附着在密封口，关闭阀门时容易造成密封口划伤磨损，导致内漏。阀门经常关闭开启，阀杆处填料磨损，未作紧固处理或未及时更换，造成阀杆处外漏海水和阀组周边腐蚀。硬密封阀盘腐蚀情况见图9。

图9 硬密封阀盘腐蚀情况

2.4 减压阀腐蚀原因

在海水减压阀材料使用上考虑了防腐的需求。在实际使用中，海水减压阀出现过阀盘腐蚀穿孔的现象，减压阀膜片破裂，海水泄漏腐蚀阀上盖导致其出现锈迹的现象。

海水减压阀产生腐蚀的主要原因：由于海水减压阀的阀上盖采用铸钢(ZG 230-450)，不耐海水腐蚀。在海水减压阀膜片破裂情况下，海水渗出腐蚀海水减压阀的阀上盖，腐蚀锈水从通气孔流出。海水减压阀的紧固件不耐凝水和泄漏海水腐蚀，造成紧固件锈蚀。

2.5 安全阀腐蚀原因

安全阀产生腐蚀的主要原因：安全阀材质为铝青铜，在海水条件下容易发生脱成分腐蚀，且脱铝以选择性溶解的方式进行，腐蚀扩展到一定程度会贯穿整个安全阀的厚度，引起海水泄漏。

3 治理措施

3.1 截止阀和截止止回阀腐蚀问题治理措施

通过对腐蚀的现象、原因分析，对实船上海水系统的硬密封阀门进行改进，借鉴国外的技术，采用软密封的密封面的青铜阀门代替硬密封的阀门在实船上进行试用，效果良好，基本解决阀门阀盘腐蚀密封不严的问题。软密封阀门使用情况见图10。

图10 软密封阀门使用内部情况

设计中，海水系统的阀门宜选择软密封的截止阀、截止止回阀和隔膜阀，使阀门达到可靠密闭的效果。

3.2 减压阀腐蚀问题治理措施

海水减压阀腐蚀的解决措施：将阀上盖采用铸钢(ZG 230-450)更换为不锈钢材质解决生锈问题，将阀体紧固件材质更换为不锈钢紧固件，在海水减压阀组上加装法兰间式牺牲阳极解决海水减压阀腐蚀穿孔的问题。法兰间式牺牲阳极的使用年限一般为3年，法兰间式牺牲阳极见图11。

图11 法兰间式牺牲阳极

3.3 安全阀腐蚀问题治理措施

安全阀的腐蚀问题需要寻找并试验耐腐蚀的材料，腐蚀处理手段只能修理并更换。鉴于安全阀因腐蚀会导致安全阀起跳后不能回座，安全阀泄放的管路在安装视液镜的情况下，直接排至舷外，防止海水泄漏至舱内。

4 结论

在返厂维修的船舶中，均需要对大量的阀门进行维修及保养，对阀门的密封面进行打磨，对阀体外表面杂物和锈层进行清除，对腐蚀严重的进行更换，所需费用较大。对船舶海水阀门的腐蚀问题研究，不但能增加船用设备的安全性和可靠性，更具有重要的经济意义。