分享：海水管路锡青铜阀件腐蚀泄漏原因

铸造铜合金具有良好的力学性能和耐海水腐蚀性能,广泛应用于船舶领域的海水管路、阀体等构件中[1-3]。但是,随着使用环境的日益恶劣,铸造铜合金[4-5]也逐步暴露出较多的腐蚀问题,特别是铸造铜合金阀件[6-7]多次发生密封面腐蚀破坏导致的泄漏问题,严重影响相关装备的安全可靠运行。国内外众多科研学者先后对铜合金的海水耐腐蚀性开展相关研究,并取得了系列研究成果。目前,对ZCuSn10Zn2铸造锡青铜阀件腐蚀行为的研究相对较少,故仍需要对铸造锡青铜阀件的具体失效模式、原因和机制开展深入研究。 

某船舶海水管路用ZCuSn10Zn2铸造锡青铜阀件在使用3 a后,出现铸造铜金属密封面密封不严的泄漏现象。笔者采用宏观观察、化学成分分析、扫描电镜（SEM）和能谱分析、金相检验等方法对泄漏原因进行分析,并根据具体原因提出了可行性解决方案和预防措施。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

泄漏阀件由阀杆组件和阀体组成,阀杆组件中阀瓣的密封面和阀体的密封面在工作过程中配合,其宏观形貌如图1所示。由图1可知：阀杆的法兰以上部位和以下部位表面油漆较完整,未发现明显腐蚀痕迹,但是阀瓣的密封面一半区域较均匀、平坦,呈绿色,有铜的氧化物；另一半区域有黄色的金属光泽,存在一处明显缺失区域,缺失区域底部光滑,未见明显的腐蚀产物堆积,呈现台阶状、由内向外扩展的马蹄形特征；其他位置存在表面光滑、深浅不一的凹坑。 

图  1  泄漏阀杆组件宏观形貌

阀体密封面上存在一处较大的缺失区域,缺失区域底部光滑,未见明显的腐蚀产物堆积,呈现内宽外窄的形态特征。缺失区域附近有较大块黄色区域,该区域光滑,有冲刷后的形态特征。 

1.2   化学成分分析

采用直读光谱仪对泄漏阀件的阀瓣密封面和阀体密封面附近取样,并对试样进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知：泄漏阀件的阀瓣密封面和阀体密封面的化学成分均符合GB/T 1176—2013《铸造铜及铜合金》对ZCuSn10Zn2铸造锡青铜的要求。 

1.3   扫描电镜和能谱分析

用扫描电镜观察阀瓣和阀体密封面缺失区域,结果如图2所示。由图2可知：密封面内表面存在从内向外的冲刷痕迹,整个冲刷区域坑底光滑,未见明显的腐蚀产物堆积；密封面缺失区域内宽外窄,放大后坑底光滑,未见明显的腐蚀产物堆积,个别位置有析出相脱落形态。 

图  2  泄漏阀瓣和阀体密封面SEM形貌

密封面绿色区域为碱式碳酸铜,又名铜绿,是铜与氧气、二氧化碳和水等物质反应的产物。对该区域进行能谱分析,结果如图3所示。由图3可知：除铜绿成分外,绿色区域还有较多的Al、Na、S、Cl、K、Ca、Mg等元素,结合服役工况环境,得知这些元素主要来自于海水。因此,绿色区域中物质为海水环境中形成的腐蚀产物。 

图  3  密封面能谱分析结果

1.4   金相检验

在阀瓣密封面附近截取金相试样,截面（观察面）向下放置在热镶嵌设备中,镶嵌温度为160~180 ℃,压力为200~400 bar（1 bar=0.1 MPa）,加热/冷却时间为3~6 min；然后采用从粗到细的砂纸打磨镶嵌好试样,再用抛光机对打磨面进行抛光,完成金相试样制备。将试样置于光学显微镜下观察,结果如图4所示。由图4可知：缺失区域表面光滑,呈波浪状起伏扩展,未有明显的腐蚀形态特征。用饱和硝酸铁水溶液腐蚀试样后,再将其置于光学显微镜下观察,得到腐蚀部位与其他区域的显微组织没有明显差异,均为α+（α+δ）共析体。 

图  4  阀瓣密封面附近微观形貌

阀体密封面附近截面显微组织形貌如图5所示,阀体密封面缺失处有明显的马蹄坑扩展特征。对其腐蚀后观察,腐蚀部位与其他区域的显微组织未发现明显差异,均为α+（α+δ）共析体,部分区域存在铸造疏松缺陷。 

图  5  阀体密封面附近显微组织形貌

2.   综合分析

泄漏阀件阀瓣密封面和阀体密封面的化学成分均符合GB/T 1176—2013对ZCuSn10Zn2铸造锡青铜的要求。显微组织为α+（α+δ）共析体,未发现明显异常。部分区域的铸造疏松会加速腐蚀的发生。 

泄漏阀件阀瓣和阀体密封面在工作过程中紧密配合,在阀瓣和阀体的密封面上均存在一处明显缺失区域。阀瓣密封面缺失区域的底部光滑,未见任何的腐蚀产物堆积,呈现台阶状、由内向外扩展的马蹄状特征；阀体密封面的缺失区域底部光滑,没有明显的腐蚀产物堆积,呈现内宽外窄的形态特征。缺失区域附近有较大块黄色区域,该区域光滑,有冲刷后的形态特征。缺失区域附近存在从内到外的冲刷痕迹,坑底光滑,无腐蚀产物堆积,个别位置有析出相脱落形态。对密封面附近绿色区域进行能谱分析,可知该区域物质主要为海水腐蚀产物。 

构件发生冲刷腐蚀首先需要满足流速临界条件,低于该流速时金属的腐蚀不明显,高于该流速时冲刷腐蚀速率急剧增大,金属腐蚀破坏明显。一般来说,铜合金的临界冲刷腐蚀速率为3 m/s,相对较低,但是铜合金阀门由于使用时通路窄小,流速将急剧增大,对密封面造成严重的冲刷腐蚀。 

构件冲刷腐蚀的发生部位往往会存在一定的湍流条件[8]。湍流多发生在同一管道中的管径变化和弯头、分流管与汇流管等拐角处。泄漏阀件的密封面正好是流体拐角处,流体变化大,会形成湍流,增加流速,易引发冲刷腐蚀。 

冲刷腐蚀一般呈现鱼鳞状、马蹄状、抛光表面、晶粒显现、流线状条纹和迎水侧边耗损等特征。 

综上所述,泄漏阀件发生的是海水作用下的冲刷腐蚀。 

3.   结语及建议

3.1   结语

（1）阀瓣和阀体密封面材料均为ZCuSn10Zn2铸造锡青铜,化学成分符合标准要求,显微组织未发现明显异常。 

（2）阀瓣和阀体密封不严的原因是密封面存在局部腐蚀,局部腐蚀主要是由冲刷腐蚀导致的。阀体中铸造疏松的存在会促进腐蚀的发生。 

3.2   建议

（1）建议更换更加耐腐蚀的材料,如镍铝青铜、钛合金等。 

（2）建议采用橡胶等软介质对阀瓣和阀体进行软密封,以便于更换和维修,避免冲刷腐蚀的产生。 

（3）建议阀体内部喷涂软涂/镀层,避免冲刷腐蚀的产生。

文章来源——材料与测试网