钛合金在舰船领域应用的氢脆风险分析

卢云飞，郭 倩，段国庆，石鹏飞，周 潼，唐 波，胡科峰

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

0 前 言

钛合金具有较高的比强度和结构有效性、优良的抗冲击性、良好的可加工性、优异的耐腐蚀性能等特性，同时随着其价格的下降，钛合金在舰船领域应用越来越广泛[1,2]，如海水管道、阀及配件等。

现今，大部分舰船船体采用钢结构制作。与一般工程结构相比，舰船终年航泊大海上，舰船钢结构面临的腐蚀环境更加恶劣，因此，舰船钢结构的防腐蚀设计是舰船设计领域中的一个重要且必须解决的问题[3]。阴极保护技术是其中一项必不可少的防腐技术，通过导电介质向被保护结构提供阴极电流，使被保护的船体变成阴极，从而得到防腐保护[4]。

当钛合金材质的管道、设备或附件与采用阴极保护技术的船体结构在海水介质环境中直接接触时，若阴极保护电位控制过负，将导致钛合金表面发生阴极析氢反应，大量氢在金属表面生成，一部分氢原子变成溶解型的吸附原子，在应力作用下这些氢富集在金属内部应力集中的区域，导致材料发生低应力条件下的脆断[1,5]，即氢脆。因此，钛合金在舰船领域应用发生氢脆[6,7]的主要条件是：(1)与采用了阴极保护技术的船体结构直接接触；(2)阴极保护电位负于某一临界值。

目前，国内外学者针对钛材在核电站凝汽器上的应用开展了基于氢脆敏感性的阴极保护参数研究[8,9]，然而在舰船领域，钛合金的氢脆风险研究还比较缺乏。为此，本工作采用电化学测试、腐蚀仿真计算等手段，综合分析了钛及其合金在舰船领域应用的氢脆风险，其研究结论对实际工程应用有着重要的指导意义。

1 试 验

1.1 试验材料

所用材料为钛合金TA36，某船体钢和Al - Zn - In - Mg - Ti高效阳极3种材料。钛合金TA36主要成分(质量分数，%)为：0.7%～1.3% Al, 1.0%～1.4%Fe，Ti余量。为接近实船具体使用情况，对钛合金TA36和船体钢表面涂漆处理，油漆选用实船上应用表现良好的某型改性环氧涂料。为加速电解质在涂层中的渗透，涂装后的试验材料在压力筒中进行涂层渗透预处理。

1.2 电化学测试

使用电化学方法对涂漆处理的钛合金TA36、船体钢和Al - Zn - In - Mg - Ti高效阳极等3种材料进行极化曲线测试。

采用三电极体系，电解池采用1 000 mL的四孔烧瓶。工作电极为待测试样，先用铜导线焊接在试样背面无涂层一侧，然后用环氧树脂将试样进行封装，只露出1 cm2的工作面积。对电极为铂铌丝电极，参比电极为饱和甘汞电极。

采用Model 2273电化学测试系统进行极化曲线测量，电位扫描速率为0.333 mV/s。

1.3 腐蚀仿真计算

采用Beasy腐蚀仿真软件计算分析，当钛合金材质的管道设备与采用牺牲阳极保护的船体钢结构在海水介质环境中直接接触时，钛合金及船体钢表面的腐蚀电位分布情况分别选取上述3种材料的极化曲线作为仿真计算的边界条件。

1.4 模型腐蚀试验

采用模型腐蚀试验验证钛合金材质的管道设备与采用牺牲阳极保护的船体钢结构在海水介质环境中直接接触时钛合金及船体结构表面的腐蚀电位分布情况。模型根据某船上建局部结构制作，船体结构、卡箍、基座等材料为某船体钢材料，管道设备为钛合金TA36，钛合金TA36和船体钢表面进行涂漆处理。涂装后的试验材料在压力筒中进行涂层渗透预处理。在船体钢结构表面中间部位焊接一根铜导线，焊接部位使用环氧树脂进行封装。钛合金管道设备通过卡箍、基座等与船体结构实现电连接。模型的牺牲阳极为高活化铝阳极。采用Cu/CuSO4饱和溶液参比电极测量结构不同位置的保护电位分布。通过不同位置处保护电位的测量，验证腐蚀仿真计算分析的准确性。为便于讨论，无特殊注明，腐蚀电位值均换算成相对于饱和甘汞电极(SCE)的电位。

腐蚀试验参照GB/T 19291-2003“金属和合金的腐蚀 腐蚀试验一般原则”开展[10]，试验介质为模拟海水溶液。

2 结果与讨论

2.1 极化曲线

图1为表面涂漆处理的钛合金TA36和船体钢以及Al - Zn - In - Mg - Ti高效阳极3种材料的极化曲线测试结果，表1为拟合后的自腐蚀电位Ecorr、自腐蚀电流密度Jcorr，以及塔菲尔曲线的阳极斜率ba和阴极斜率bc。

表1 极化曲线的电化学参数拟合结果

由图1和表1可以看出，涂漆处理的钛合金TA36自腐蚀电位Ecorr约为-409 mV，涂漆处理的船体钢自腐蚀电位Ecorr约为-605 mV，高效阳极的自腐蚀电位Ecorr约为-1 026 mV，即表面涂漆处理的钛合金TA36自腐蚀电位Ecorr最正，表面涂漆处理的船体钢自腐蚀电位Ecorr次之，高效阳极的自腐蚀电位Ecorr最负。因此，当表面涂漆处理的钛合金TA36与表面涂漆处理的船体钢发生偶接时，钛合金TA36为阴极，船体钢为阳极，电流从阳极流入阴极；当表面涂漆处理的钛合金TA36与布置了牺牲阳极且表面涂漆处理的船体钢发生偶接时，钛合金TA36、船体钢为阴极，牺牲阳极为阳极，电流从阳极流入阴极。从自腐蚀电流密度Jcorr结果来看，表面涂漆处理的钛合金TA36自腐蚀电流密度Jcorr约为2.061×10-6mA/cm2，表面涂漆处理的船体钢自腐蚀电流密度Jcorr约为5.741×10-7mA/cm2，高效阳极的自腐蚀电流密度Jcorr约为1.545×10-4mA/cm2，即表面涂漆处理的钛合金TA36和船体钢，在表面漆膜质量存在差异的情况下，自腐蚀电流密度Jcorr略有差别，但总体来说，在油漆封闭作用下，钛合金TA36和船体钢的自腐蚀电流密度Jcorr值较小，远小于高效阳极的自腐蚀电流密度Jcorr值。

2.2 腐蚀仿真计算

根据某船上建局部结构，建立数字模型如图2所示。其中圆柱状物体为涂漆处理的钛合金TA36材料，其余为涂漆处理的船体钢材料。腐蚀数值仿真模型评估时模型结构及牺牲阳极物理特性的表征方式是通过向相应模型模块单元加载边界条件来实现的，该边界条件即材料的极化曲线数据[9]。对于高效阳极取其极化曲线阳极极化区的部分特征点的电位和对应的电流值对材料进行赋值，对于受到保护的钛合金TA36和船体钢，取其阴极极化区的部分特征点的电位和对应的电流值对材料进行赋值。具体计算的边界条件见图1所示的极化曲线。

2.2.1 钛合金与船体钢直接接触

根据图1的极化曲线结果，涂漆处理的钛合金TA36的自腐蚀电位较正，为阴极；涂漆处理的船体钢的自腐蚀电位较负，为阳极。电流从阳极流入阴极。图3为腐蚀仿真计算分析所得到的钛合金TA36与船体钢直接接触时，钛合金TA36及船体钢表面的腐蚀电位分布情况。从图3可以看出，钛合金TA36表面腐蚀电位范围为-583～-579 mV。船体钢表面腐蚀电位范围为-592～-580 mV。

2.2.2 钛合金与带牺牲阳极保护的船体钢直接接触

根据CB/T 3855-2013“海船牺牲阳极阴极保护设计和安装”的相关要求，钢质舰船船体的电位应在-0.85～-1.10 V(vs CSE)范围内[11]，即，-0.80～-1.05 V(vs SCE)范围内。

图4为钛合金TA36与带牺牲阳极保护的船体钢直接接触，并通过牺牲阳极布置使船体钢表面电位达到-800 mV以下时，钛合金TA36表面腐蚀电位的分布情况。从图4可以看出，在牺牲阳极保护作用下，船体钢表面腐蚀电位范围为-828～-806 mV，符合CB/T 3855-2013的要求。钛合金TA36表面腐蚀电位范围为-820～-806 mV。

若通过调整牺牲阳极布置数量及布置位置，进一步降低船体钢表面腐蚀电位，如图5所示。从图5可以看出，船体钢表面腐蚀电位范围为-865～-844 mV，符合CB/T 3855-2013的要求。钛合金TA36表面腐蚀电位范围则为-859～-845 mV。

2.3 模型腐蚀试验

通过模型腐蚀试验验证钛合金与采用牺牲阳极保护的船体钢结构在海水介质环境中直接接触时船体结构表面的腐蚀电位分布情况，验证腐蚀仿真计算分析的准确性。根据图5仿真计算模型特征，制作实物模型，布置参比电极，具体如图6所示。将布置好电极的结构模型投入到装有模拟海水的试验水箱中，并对腐蚀电位进行监测。监测结果如图7所示。从图7可以看出，结构模型船体钢表面的腐蚀电位值在浸泡后期基本稳定在-862 mV左右，在仿真计算结果-865～-844 mV范围内。可见结构模型试验结果与仿真结果基本一致。

2.4 钛合金表面电位分析

根据前期项目组对Ti31、Ti75、Ti80等3种钛合金最负阴极保护电位的研究，Ti31低强钛合金、Ti75中强钛合金在深海服役条件下，其最负阴极保护电位均为-762 mV左右，Ti80高强钛合金在深海服役条件下，其最负阴极保护电位为-722 mV左右。在不施加阴极保护的条件下，钛合金TA36与船体钢直接接触时，钛合金TA36表面腐蚀电位范围为-583～-579 mV，正于另3种钛合金的最负阴极保护电位，氢脆风险较小。在施加有效阴极保护的条件下，即船体钢表面腐蚀电位负于-800 mV时，钛合金TA36表面腐蚀电位范围同样负于-800 mV，也即负于另3种钛合金的最负阴极保护电位，氢脆腐蚀风险较大[12]。

3 结 论

钛合金在海水介质环境中与施加有效阴极保护的船体钢直接接触时，钛合金表面氢脆腐蚀风险较大。建议对所有钛合金与船体钢在海水介质环境中接触部位通过非金属隔离、绝缘涂层喷涂等手段做好电绝缘措施，如在金属表面进行表面处理，在异种金属连接部位之间添加绝缘材料等，以隔断电子回路，或将金属接头进行绝缘包覆处理等，以隔离海水介质。