海洋环境中水下机械装置运动配合表面防腐方法研究*

2015-10-31张印桐段立志余征宇王立权

中国科技纵横 2015年14期

关键词：防腐涂料化学镀耐磨性

张印桐　刘　军　马　超　赵　慧　段立志　余征宇　王立权

（1.深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳 518067；2.哈尔滨工程大学，黑龙江哈尔滨 150001）

海洋环境中水下机械装置运动配合表面防腐方法研究*

张印桐1刘军2马超1赵慧2段立志1余征宇1王立权2

（1.深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳 518067；2.哈尔滨工程大学，黑龙江哈尔滨 150001）

基于目前面临的海洋环境下机械运动表面的腐蚀问题，从国内外常用防腐方法进行分析，提出原有方法的优缺点，并提出了我们目前采用的一种新型防腐方法——镍磷金属镀层。对该方法的化学机理上进行分析，研究其对水下机械运动配合表面的的适用性，对海洋机械防腐方面提出了自己的见解。

海洋腐蚀腐蚀防护镍磷合金

我国拥有辽阔的海域面积，拥有众多大小形态各异的美丽岛屿。海洋上蕴藏着大量的可利用资源并且能够创造出很多海上产业，能够为我国综合发展提供强大的物质基础。水下石油/天然气生产系统具有成本低、周期短、效益高并且可靠性较好的特点，成为了世界各国石油开采关注的对象。海洋石油/天然气的开采要用到大批的管道，并且需要将其在海底进行布置，所以海底管道的布置和安装成为海洋开发的重要部分。国外的水下管道对接技术早就研究的很成熟而我国的技术还较为落后，与国外有很大的差距。为了得到更大的国家利益，研发具有自主核心技术的海洋连接技术是我们研究的核心。其中由于海洋的工作环境恶略，给海上生产设备造成了强烈的腐蚀性，对生产设备的寿命和海上生产安全产生了严重的影响，并且也造成了经济上的损失。所以，海洋防腐技术已经是我国开发海上产业的一个待解决的技术问题［1］。

水下连接器的工作环境比较复杂，首先，它处在深水海洋环境中，遭受着海水的腐蚀、高压、冲击等［2］。其次，他在工作状态下受到石油的高温和压力作用，更加速了其受到的腐蚀的作用。水下连接器在安装、更换密封圈、拆卸等过程中是运动的，而且对运动精度有着较高的要求。这些运动的构件对于防腐则有着较高的要求。依据项目要求，我们通过参考国内外的防腐技术并结合自身材料和工作环境要求，提出了解决连接器运动部件的防腐方法——镍磷镀层技术。

1　非运动表面的防腐技术

目前，从国内外常用的海洋非运动表面防腐技术来看，主要有三大类:涂料防腐、电化学保护技术和热喷涂技术。这三种技术广泛应用与海洋生产设备防腐的技术中，他们的应用各有不同的适用特点，世界上各大海洋石油公司都将这些方法研究的成熟，运用的如火纯青。

1.1防腐涂料

防腐涂料在工业应用范围很广，经过多年的实践证明，防腐涂料早已成为海洋钢结构防腐的非常有效的手段。所以，在开发与研制海洋平台、海洋机械设备与水下作业工具的同时，要充分利用好海洋防腐技术，使海洋防腐涂料与其他海洋防腐技术相结合以充分提高海上设备的寿命。海洋涂料主要分为的两大类是海洋防腐涂料和海洋防污涂料［3］。由于腐蚀原理的不同又可以分为钢结构与非钢结构防腐涂料。

1.2电化学保护

电化学保护是海洋防腐常用的手段，其中阴极保护最为普遍。利用废铁充当牺牲阳极并结合外加的直流电源对阴极金属予以保护。阴极防腐保护法又由外加点了保护和阴极保护飞组成。牺牲阳极法是通过利用一种电位更低的金属来作为阳极金属，以保护我们所用的材料，将二者相连已达到抗腐蚀的目的。金属管道与阳极金属之间存在电位差，杨进金属的的电流逐渐流出从而慢慢被消耗。这样保护了管道金属，使管道金属不受到腐蚀。阳极金属的选择是根据被保护金属和维护条件等诸多因素决定的。外加电流法利用一个携带有辅助阳极的直流电源给带保护金属通阴极电流来达到对待保护金属防腐蚀的目的［3］。电化学保护能够对海洋设备起到较为理想的保护，也成为海洋防腐方法中应用很广的一种方法。

1.3热喷涂

热喷涂是利用热源把氧化物、碳化物、合金等材料加热至熔融或半熔融状态，然后用气流高速的将这些材料用雾化的形式喷射到待喷涂金属表面，其中，热源一般用激光、液体燃料、等离子电弧等［4］。目前，热喷涂技术仍处在技术开发与应用的初级阶段。现阶段应用的电弧线热喷涂技术所喷涂的涂层的使用寿命能够达到30年以上，并且也均有很好的经济性，有很好的应用前景。

2　运动表面的防腐问题

运动机构表面的防腐不同于非运动机构，相对于非运动机构的防腐，运动机构由于有力的作用，防腐表面更易磨损。运动机构对运动接触面精度要求相对较高，所以对其防腐就有更严格的要求，以保证在海洋环境下长期的机械性能。

腐蚀对材料力学性能的影响:金属材料在海水的腐蚀作用下，材料的耐磨性能，抗疲劳强度等材料性能都会大幅度降低，严重影响机械性能。

腐蚀对运动表面的影响:运动表面在被海水腐蚀后，其表面耐磨性降低、表面粗糙度增加，严重影响机械运动和正常的水下作业。

腐蚀对配合表面配合精度的影响:配合表面对表面粗糙度和尺寸要求较高，如果在海水的腐蚀下，配合表面粗糙度增加并产生变形，会影响配合精度，甚至影响机械的正常运行，发生泄漏等事故。

防腐涂层耐磨性差，大多用在非运动防腐。对于水下运动表面防腐应该应用耐磨性较高的防腐方法。在工程上我们目前应用镍磷镀层技术。

3　用于海洋自然环境的镍磷镀层技术

镍磷镀层的有着电镀不能超越的均镀能力。并且，镍磷合金镀层的特点是拥有很好的耐磨和耐腐蚀。目前，已经广泛应用与电子、化工、汽车等诸多行业。对于镍磷的化学镀层已经有了很多的研究，但是在镍磷合金多层应用与海洋环境用于防腐仍很少见到［5］。

我国的南海海域有着极为复杂的海洋环境。强光辐射、高湿、高热和高盐雾等都是南海的复杂环境。对于在南海海域工作的设备和使用材料都应该有更为严格的耐腐蚀要求。这对南海的石油开采造成了巨大的考验。

镍磷化学镀的反应理论看起来较为复杂，但通过镀层的每一个过程和反应条件来分析，人们也总结出了四点通俗易懂的理论:

（1）在化学镀的过程中镍磷镀液的PH值会慢慢下降；

（2）镍磷化学镀应该在拥有较高催化活性的介质上反应；

（3）沉积的速度由镍磷镀液PH值的上升而增加，其中的磷含量将会下降；

（4）在镍磷化学镀的反应中会有气体产生，有反应元素可知应该生成气体为H2。有反应物和反应条件可以知道中的H一半来源于H2PO，一半来源于H2O。

根据反应原理，可以得到总的化学镀的反应方程式为:

由化学反应原理可以知道，化学反应粒子需要依靠在活性较高的催化剂表面才能反应。下面用化学反应表达式来说明镍磷化学镀的过程:

镀层的硬度是在众多能够对镀层的表面耐磨性产生影响的因素中最为直接的。在研究中发现，镀层的耐磨性随着其硬度的提高而上升。而其硬度又由其晶化处理的程度所决定。其中，的弥散、Ni的固溶体和一些其它镀层中的强化粒子都对镀层硬度起到了强化的作用。在镀层处在非晶态结构并且在相析出之前，其硬度不高［6］。如果相互作用的运动副为摩擦副，则会由于材料中的金属粒子与Ni有很好的互溶性使得两种粒子具有很大的结合力。

在摩擦是由于摩擦副的作用容易在接触处产生结构的变形，并且会在切向力的作用下损坏金属层；在镀层处在晶态结构但晶化程度较低时，镀层也会有遗留的非晶化结构［7］。这时已经具有较高的硬度，但是由于有非晶化结构，导致所受到的支撑不足，所以也会在摩擦时遇到脱落的现象；在金属镀层处在完全的晶化结构，并且晶化后的晶粒均匀的排列在金属镀层中。其中不仅金属镀层的硬度大幅度提升，而且也得到了充分的支撑，使得金属镀层很好的施展了他的耐磨能力［1］。