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1、前言

海洋環(huán)境中，大多數(shù)金屬設(shè)備受到流動(dòng)海水的沖擊而發(fā)生嚴(yán)重的沖刷腐蝕，如艦船的船體和螺旃槳等造成直接或間接的經(jīng)濟(jì)損失。海洋沖刷腐蝕的研究，可以為實(shí)海環(huán)境中金屬設(shè)備的設(shè)計(jì)和維護(hù)提供有力的依據(jù)。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者已經(jīng)開展大量工作，研究了碳鋼、不銹鋼和銅合金等典型金屬材料的沖刷腐蝕影響因素及作用機(jī)制一。目前海水沖刷，腐蝕研究主要是結(jié)合失重和電化學(xué)測(cè)試等手所在實(shí)驗(yàn)室模擬工況環(huán)境中進(jìn)行，采用的試驗(yàn)方法有旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)、管流試驗(yàn)和噴射沖擊試驗(yàn)等B6]。由于影響沖刷腐蝕的因素眾多，尤其是海洋環(huán)境復(fù)雜多變，實(shí)驗(yàn)室能否真正準(zhǔn)確控制模擬條件存在很大爭(zhēng)議。因此,有必要設(shè)計(jì)制作了ZS-1 型實(shí)海沖刷腐蝕試驗(yàn)裝置，對(duì)舟山海水環(huán)境中高速轉(zhuǎn)動(dòng)的3C船析鋼試樣進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)的電化學(xué)測(cè)試和失重實(shí)驗(yàn)研究其在實(shí)海中的沖刷腐蝕行為。

2、實(shí)驗(yàn)方法

ZS- 1型實(shí)海沖刷腐蝕試驗(yàn)裝置系統(tǒng)由上、下兩部分組成圖1)。上部分(室內(nèi)部分)是固定在試驗(yàn)站平臺(tái)，上的傳動(dòng)部件及電化學(xué)測(cè)試儀器等圖1a)。電機(jī)轉(zhuǎn)速變頻可調(diào)配有光電轉(zhuǎn)速表。下部分是平臺(tái)下的轉(zhuǎn)軸圖1b)采用空心設(shè)計(jì)有助于電極引線穿過(guò)并與電刷相連，以方便電化學(xué)測(cè)試。轉(zhuǎn)軸的底部裝有圓盤(圖1c)，圓盤能夠始終浸沒在海水中進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)速在191 r/min^1146 r/min 范圍內(nèi)可調(diào)相當(dāng)于流速范圍1 m/s~6 m/s。 圓盤上共可以裝載12 個(gè)試樣，同時(shí)進(jìn)行3組不同流速的沖刷腐蝕實(shí)驗(yàn)。由于轉(zhuǎn)軸很長(zhǎng)轉(zhuǎn)軸下部安裝如圖1d所示的固定架及提拉式軸套，以保證轉(zhuǎn)軸能夠穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)，軸心不會(huì)偏移。參比電極和輔助電極固定在軸套外層，也始終浸沒在海水中。因此,該裝置能夠直接在實(shí)海中完成高速轉(zhuǎn)動(dòng)試樣的連續(xù)動(dòng)態(tài)電化學(xué)測(cè)試和失重實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)材料選用實(shí)海環(huán)境中船舶常用的3C 船柝鋼。圓柱形試樣的非工作面涂封后嵌入圓盤，工作表面能夠完全裸露并與圓盤平面高度一致，有效工作面積為1.71cm。腐蝕前、后的試樣表面按照GB-5776-89金屬材料在表面海水中常規(guī)暴露腐蝕試驗(yàn)方法》處理。

采用ZS-1型實(shí)海沖刷腐蝕實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行連續(xù)72h的沖刷腐蝕失重實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)期間同時(shí)進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜(EIS )等測(cè)試。測(cè)試期間海水平均溫度為.21.7 C。

電化學(xué)測(cè)試采用三電極體系，配備了兩套參比和輔助電極：一套是Ag/AgCI參比電極和商品型條狀Ti 混合氧化物輔助電極另一套是純鋅參比電板和鉑輔助電極。電化學(xué)阻抗譜測(cè)試在腐蝕電位下進(jìn)行施加正弦電位擾動(dòng)10 mV頻率范圍為1.55 kHz~65.5 mHz，對(duì)數(shù)掃頻。采用PRINCETON應(yīng)用研究公司的PARSTAT2263電化學(xué)系統(tǒng)，測(cè)試軟件為PowerSuite。

3、結(jié)果與討論

3.1一定流速下的實(shí)海沖刷腐蝕特征3C鋼實(shí)海沖刷72 h的失重結(jié)果表明,流速為↑m/s和2 m/s時(shí)的腐蝕速度比較接近，分別為1.64 g/m'*-h和1.67 g/m'-h ,流速達(dá)到3 m/s時(shí)，3C鋼的腐蝕速度有了顯著增加,達(dá)到2.53 g/m'-h，說(shuō)明3C鋼的腐蝕速度隨著流速的增大遞增。

圖2是流速分別為1m/s、2m/s和3m/s時(shí)3C鋼腐蝕電位隨時(shí)間的變化。在一定流速下實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，由于試樣表面有氧化膜,抑制了腐蝕介質(zhì)的侵入，因而腐蝕電位較正。隨后腐蝕電位很快負(fù).移表明氧化膜被破壞。隨著沖刷時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，3C鋼的腐蝕電位又有升高趨勢(shì)這是由于試樣表面形成的腐蝕產(chǎn)物，對(duì)海水腐蝕有一定的抑制作用導(dǎo)致腐蝕電位升高。

測(cè)試期間3C鋼的EIS譜(圖3)顯示，阻抗譜基本為單一容抗弧特征，且存在彌散效應(yīng)。按照?qǐng)D4所示的電化學(xué)等效電路解析EIS數(shù)據(jù)，得到極化阻力R。隨時(shí)間的變化，可見3 種流速下R。的變化規(guī)律一致：相同流速下，隨著沖刷時(shí)間的增加R。逐漸增大，表明試樣表面腐蝕產(chǎn)物的形成緩解了海水的腐蝕降低了試樣的腐蝕速度。沖刷時(shí)間達(dá)到58h和71h的R,值較為接近,表明此時(shí)腐蝕過(guò)程基本上趨于穩(wěn)定。

在海水的沖刷腐蝕作用下，試樣表面出現(xiàn)坑蝕，并且有厚度減薄、表面粗化等沖刷腐蝕特征；流速越大，海水在試樣表面的沖刷腐蝕特征越明顯流速為3m/s時(shí)試樣表面形成條紋方向一致的條狀腐蝕坑。

3.2流速對(duì)沖刷腐蝕的影響

在流速為1 m/s~6 m/s 范圍內(nèi)，隨著流速的增大，3C鋼的腐蝕電位逐漸升高。這是由于3C鋼在海水中腐蝕的陰極過(guò)程是溶解氧的還原反應(yīng)從腐蝕動(dòng)力學(xué)角度，腐蝕電位與試樣表面氧的濃度成正比與氧的陰極還原反應(yīng)的極限擴(kuò)散電流成反比流速增大加速了海水中氧的擴(kuò)散速度，試樣表面氧含量增加導(dǎo)致腐蝕電位正移。

阻抗譜為單一容抗弧,基本呈活化控制特征。流速為1 m/s~6 Im/s范圍內(nèi)，隨著流速增大，電極受到的表面切應(yīng)力增大，3C 鋼不但均勻腐蝕嚴(yán)重,而且容易發(fā)生嚴(yán)重的坑、點(diǎn)等局部腐蝕,電化學(xué)反應(yīng)阻抗減小。電化學(xué)等效電路解析EIS數(shù)據(jù)。為溶液電阻n為彌散系數(shù)R。為極化電阻,CPE 為與界面電容關(guān)聯(lián)的常相位角元件，ChiSq 為均方差。隨流速的變化基本呈線性下降的關(guān)系,符合以下關(guān)系式：Rp= 221. 8-12. 4v

4、結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)并制作了ZS-1 型實(shí)海沖刷腐蝕實(shí)驗(yàn)裝置，能夠直接在實(shí)海中對(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的試樣進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)的電化學(xué)測(cè)試和失重實(shí)驗(yàn)。對(duì)3C鋼進(jìn)行了72h穩(wěn)定沖刷腐蝕試驗(yàn)。

（2）流速分別為1 m/s.2 m/s和3 m/s時(shí)隨著沖刷時(shí)間的延長(zhǎng),3C鋼的腐蝕電位先降低后略有升高,腐蝕速度呈下降趨勢(shì)EIS測(cè)試技術(shù)能夠用于金屬材料實(shí)海沖刷腐蝕的檢測(cè),反映了金屬試樣的腐蝕電化學(xué)特征。

（3）流速在1m/s-6m/s內(nèi),3C鋼的腐蝕電位隨著流速的增加逐漸升高，電化學(xué)阻抗譜為單- - 容抗弧，呈活化控制特征,隨著流速增大,電化學(xué)反應(yīng)阻抗減小.R。 隨流速的變化基本呈線性下降。