金属材料的电偶腐蚀及其防护技术研究进展

金属材料的电偶腐蚀及其防护技术研究进展

邓干合

中核武汉核电运行技术股份有限公司 浙江 嘉兴 314300

摘 要：金属材料腐蚀现象随处可见，电偶腐蚀是金属材料的一种特殊腐蚀形式，不仅会导致金属材料使用寿命下降，加快金属构件失效，还会引发其他一系列局部腐蚀行为，具有严重的破坏性。本文主要对金属材料电偶腐蚀问题及其防护技术进行了总结，为电偶腐蚀防护技术研究提供了新方向。

关键词：金属材料；电偶腐蚀问题；防护技术；研究新方向

引言

在日常生活中金属材料的腐蚀随处可见，腐蚀不仅影响能源科技、医疗器械、国防安全以及一系列新兴产业的发展等，也造成严重的经济损失和带来不可忽视的安全危害。据统计，我国每年因腐蚀问题造成的经济损失约占全国GDP的3%。因此，研究金属材料的腐蚀问题，探索金属材料的防腐新技术具有重要现实意义。

一、异种材料电偶腐蚀研究

钢结构桥梁、船舶、风电行业中结构轻量化设计广受欢迎，特别是航空航天领域对轻质铝合金、钛合金以及碳纤维增强复合材料等应用广泛，电偶腐蚀是导致连接结构件或复合材料损伤的主要原因之一。

近年来，一些新型研究方法如丝束电极技术（WBE）、扫描振动参比电极（SVET）、扫描开尔文探针技术（SKP）等微区电化学测量技术被运用到电偶腐蚀实验研究中。利用扫描开尔文探针技术测量AZ91D镁合金与不同偶对材料表面电位变化来研究镁合金电偶对在盐雾实验中电偶腐蚀规律，结果发现电偶腐蚀区域主要集中AZ91D镁合金的一侧，电偶腐蚀效应与偶对材料电位差成正比关系，材料表面腐蚀产物的积累覆盖对基体材料腐蚀起到一定保护作用。相比于传统电化学测试方法，微区电化学测量技术可以得到准确、详细的局部区域电偶腐蚀情况，有利于从微观层次了解电偶腐蚀机理。

采用有限元或边界元分析等数值模拟仿真技术，建立电偶腐蚀预测模型，分析金属或合金材料间接触区域的电偶腐蚀行为。采用电化学方法研究在1mol/L盐酸溶液中碳钢端板材料（20MnCr5、42CrMo4和32CrMoV13）与3种低合金钢螺栓（M12、M16和M20）的电偶腐蚀行为，并对端板与螺栓构件接触区的腐蚀参数进行数值模拟分析，可预测设备零部件使用寿命。通过研究大气环境下空气湿度、盐负载量和阴阳极面积比对飞机构件的电偶腐蚀行为影响，利用物理场仿真软件对7050铝合金和AerMet100钢偶对件进行腐蚀模拟，对偶对材料电偶腐蚀速率的变化进行评估。与电化学实验相比，采用数值模拟分析方法预测电偶腐蚀，可在理论上给予电偶腐蚀相关研究以指导作用，减少电偶腐蚀实验成本和时间。

二、电偶腐蚀的防护

1、对于某些连接部位不可避免要采用电位差异悬殊的异种金属，电绝缘保护措施是防止电偶腐蚀的可靠方法之一。在阴阳极材料接触部位添加绝缘隔离措施进行电绝缘处理来消除电子导电支路，使用绝缘垫片将两极有效隔开或使用缓蚀剂增大腐蚀介质电阻。

2、采用合适的表面处理技术对材料表面进行处理，覆盖涂镀层或将材料表面进行改性，减小异种材料电位差或增大两者之间电阻值以隔断离子通道。如对钛合金表面进行离子镀铝，对铝合金表面进行阳极氧化或微弧氧化处理来降低电偶腐蚀效应。

3、对某些不适于表面处理的连接结构（如螺栓紧固连接处）可使用密封料或塑料薄膜将偶对件材料进行完全包裹，让工件与外界环境实现隔离，如将紧固件材料涂密封漆进行密封处理。

4、减小偶接部位阴极与阳极面积比

减小偶接部位阴极与阳极面积比有利于减缓偶接部位的电偶腐蚀，但是采用多大的阴极与阳极面积比能产生极小的腐蚀速率，要根据水槽水与阴极阳极材料的实测数据来确定。减小偶接部位阴极与阳极面积比可以通过连接部位的结构设计来实现，如作为阳极的末端机构偶接处为圆盘结构，可将与之偶接的腕关节焊接一个法兰，使法兰与末端机构偶接，法兰在保证强度要求的前提下可设计成不同空心形式，通过调整法兰空心面积来调节阴极与阳极面积比，如图1示。

（a）阳极接触面（b）阴极接触面

图1偶接部位接触面设计简图

5、增大偶接间距

偶接部位的间距可以使电解液中的传质过程受到阻碍，从而减小电偶电流密度，有利于减缓电偶腐蚀。但是水下机械臂受功能及强度等要求限制，腕关节与末端机构之间需要硬连接，偶接部位不能直接间隔开，但是可以通过在偶接部位作绝缘处理的方式，将偶接部位有效隔开。基座与槽体材质相同，原则上可考虑不采取绝缘措施，但是槽底可能会有其他设备掉落的残渣，为了避免受其他设备掉落残渣的影响，最好是增加绝缘措施。偶接部位的绝缘处理可以通过在偶接部位之间用惰性材料绝缘垫片及密封处理将阴极与阳极有效隔离，惰性绝缘材料应耐水耐腐蚀、水中浸泡不破坏不变形、具有良好的弹性和适当的塑性，应具有较高电绝缘性且在水中浸泡绝缘电阻不降低。在工程应用中选择涂层还需要考虑结构件受力变形、磕碰以及摩擦等情况对涂层耐用性的影响，在涂层的耐用性及可维护性得到进一步验证的基础上也是可选用的绝缘处理方式。

6、制定合理的使用维护规则

在使用过程中，要检查整体腐蚀情况，及时分析腐蚀原因。尤其是开放式的臂杆、底座和肩关节的连接处、肩关节与臂杆的连接处、腕关节等的连接处产生电偶腐蚀的情况；（3）管线防腐外层材料的选择应结合管线的使用环境，如管线如果处于水中或土壤中存在大量的生根植被环境下，应使用沥青防腐层。输油、输气类管线应使用PE防腐蚀层。

7、重视管线安装及安装后的防腐蚀管理

（1）在安装过程中，防腐技术的选择应基于管线运输介质以及使用环境决定，防腐技术的选择对特定区块的实际介质及工矿环境特点展开中试试验或评价研究，最终确定防腐材料和防腐技术；（2）对管线防腐涂层以及表面的防腐处理工作应严格把关，避免因防腐涂层质量不过关导致局部内防缺失的现象发生，形成小阳极大阴极的腐蚀电池现象，加速管线腐蚀；（3）在管线铺设后，应建立完善的防腐蚀管理工作体系，并采取对应措施保障防腐蚀管理工作的长期性和有效性。

8、定期检验管线铺设施工完成后，在土方回填前对管线的整体防腐情况进行检验，重点检验是否存在防腐蚀层破损，或管线在铺设中存在敷设时，与其他管线相互挤压造成的防腐蚀层损伤，管线变形等现象，妥善处理后在进行土方回填，从而大大提高了管线投入使用后的安全性与可靠性，同时管线投入使用后，应建立科学完善的定期检验制度，成立专项部门，并按计划、按次序、有的放矢的安排各项检验任务，使有限的资金可以解决更多的管线腐蚀、安全隐患问题。

结束语

（1）应加强注重金属材料自身结构因素和实际工况条件下外部环境因素对电偶腐蚀的综合影响，并对特殊环境下三电偶体系以及多金属电偶体系腐蚀进行深入探索。

（2）改进传统电偶腐蚀防护措施，研制新型电偶腐蚀防护技术，将传统的电偶腐蚀防护技术与新型防腐技术进行对比研究；同时考虑将多种防护措施结合使用，保证耦接件的长期有效防护。

参考文献

[1]曹楚南．腐蚀电化学原理[J]．腐蚀科学与防护技术，2020(3)：165-169．

[2]何祯，张小明，孟嘉琳，等．异种金属连接结构的电偶腐蚀周浸试验及有限元仿真[J]．材料保护，2019，52(6)：64-70．