一、前言

我國新一代運(yùn)載火箭發(fā)射場位于海南省文昌市龍樓鎮(zhèn)海濱，該處為熱帶季風(fēng)氣候，屬于典型海洋大氣環(huán)境，具有高溫、高濕、高鹽霧的環(huán)境特點(diǎn)。發(fā)射支持系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)一般均為鋼結(jié)構(gòu)，在任務(wù)期及非任務(wù)貯存期，鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)表面、外表面、法蘭連接面，都直接或間接暴露在海洋性鹽霧環(huán)境中，若不進(jìn)行有效的防腐措施，存在被腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。此外，發(fā)射支持系統(tǒng)中其他典型結(jié)構(gòu)，如緊固件、高強(qiáng)度軸承、齒輪齒條、行走裝置車輪等，也同樣存在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行防腐處理。

美國肯尼迪航天中心位于佛羅里達(dá)州中東部，靠近大西洋和咸水湖，具有高鹽霧、高溫、高濕強(qiáng)日照的環(huán)境特點(diǎn)。為有效維護(hù) 39A、39B 兩個(gè)發(fā)射場，及發(fā)射場內(nèi)的覆帶運(yùn)輸車、移動(dòng)發(fā)射平臺(tái)其他地面設(shè)備等，肯尼迪航天中心在防腐材料選擇、不同材料涂層選擇及施工、防腐管理方式等方面開展大量工作，以提高發(fā)射支持設(shè)備的安全性和可靠性 [1] 。

國內(nèi)其他行業(yè)如軍用飛機(jī)[2] 、水面艦艇導(dǎo)彈發(fā)射裝置 [3] 、電子設(shè)備 [4] 、異種金屬 [5]等，在對(duì)腐蝕的控制與防護(hù)方面都進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并形成了行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范。

本文分析了新一代運(yùn)載火箭發(fā)射支持系統(tǒng)可能存在的腐蝕類型及腐蝕機(jī)理，并針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)采用不同的防護(hù)方法，對(duì)發(fā)射支持系統(tǒng)進(jìn)行可靠防護(hù)。此外，設(shè)計(jì)了發(fā)射支持系統(tǒng)典型比試驗(yàn)件，開展中性鹽霧試驗(yàn)及自然環(huán)境鹽霧試驗(yàn)，為發(fā)射支持系統(tǒng)在真實(shí)海洋大氣腐蝕環(huán)境中的可靠使用提供了有利支撐。

二、發(fā)射支持系統(tǒng)腐蝕類型

1.腐蝕環(huán)境

新一代運(yùn)載火箭發(fā)射支持系統(tǒng)的腐蝕環(huán)境主要包括兩類，即：海南發(fā)射場的自然環(huán)境、執(zhí)行任務(wù)時(shí)的工作環(huán)境。海南發(fā)射場位于海南省文昌市龍樓鎮(zhèn)海濱，典型自然特征是高溫、高濕、多凝露、多降雨，這種環(huán)境極易產(chǎn)生大氣腐蝕。此外，大氣環(huán)境中含有較高濃度的Cl 離子，還含有微量的 SO 2 、H 2 S、NH 3等腐蝕性雜質(zhì)氣體。

火箭發(fā)射過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)噴管噴出的燃?xì)饬髦苯訃娚涞桨l(fā)射支持系統(tǒng)承載結(jié)構(gòu)表面，燃?xì)饬髦械臍怏w成分將直接影響到承載結(jié)構(gòu)的應(yīng)力腐蝕情況。新一代運(yùn)載火箭使用的發(fā)動(dòng)機(jī)為 YF-77 液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)、YF-100 液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)噴口燃?xì)饬鞒煞譃闅鈶B(tài) CO 2 、CO、H 2 、H、OH 和 H 2 O，發(fā)射燃?xì)馕矚夂罅繗洌瑲涞拇嬖诳赡芙o發(fā)射支持系統(tǒng)帶來氫脆腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，特別是高強(qiáng)度螺栓以及高強(qiáng)度軸承鋼。

2.腐蝕類型

新一代運(yùn)載火箭發(fā)射支持系統(tǒng)是為火箭測試和發(fā)射提供支持服務(wù)，完成火箭的運(yùn)輸、轉(zhuǎn)載，垂直總裝與承載、配合測試、轉(zhuǎn)場、推進(jìn)劑加注、供配氣、瞄準(zhǔn)等功能，主要包括：發(fā)射設(shè)備、吊裝設(shè)備、運(yùn)輸及轉(zhuǎn)載設(shè)備、氣液連接器、地面供氣系統(tǒng)、發(fā)射支持遠(yuǎn)控系統(tǒng)、地面瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、輔助設(shè)備、發(fā)射支持系統(tǒng)控制軟件等組成。其中，發(fā)射設(shè)備主要包括活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)、大流量噴水系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)排氫燃燒系統(tǒng)、發(fā)射平臺(tái)低溫管路、尾端服務(wù)塔等。

由于活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)在火箭發(fā)射過程中直接受到燃?xì)饬鞯臒g和沖刷，腐蝕環(huán)境最為惡劣，因此本文重點(diǎn)分析發(fā)射平臺(tái)的腐蝕類型。活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)的腐蝕類型主要有五種，分別為：均勻腐蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕、氫脆和電偶腐蝕，如表 1 所示。

三、發(fā)射支持系統(tǒng)防腐措施

基于上述分析存在的腐蝕類型，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，已針對(duì)海南發(fā)射場特殊腐蝕環(huán)境制定了多重防護(hù)措施，并落實(shí)到產(chǎn)品上，力求將腐蝕造成的損失控制在合理范圍內(nèi)。

1.主體結(jié)構(gòu)防護(hù)

為減少均勻腐蝕帶來的風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)射支持系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)過程中時(shí)效消除應(yīng)力的同時(shí)，按照港口機(jī)械 C5-M 標(biāo)準(zhǔn)[6]選擇涂層體系進(jìn)行腐蝕介質(zhì)隔絕防護(hù)，涂層體系包括三層：底漆、中層漆、面漆。所選涂層主體結(jié)構(gòu)體系中的底漆具有與基體很強(qiáng)的結(jié)合力，面漆不但能夠防止鹽霧腐蝕，還能抵抗高強(qiáng)度的紫外線輻射。

同時(shí)在施工過程中，嚴(yán)格控制涂裝施工工藝，包括施工前的表面處理、施工過程控制，并對(duì)涂層驗(yàn)收的內(nèi)容及方法進(jìn)行量化控制。針對(duì)涂層在使用中可能發(fā)生局部脫落，利用涂層的定期檢查要求和修補(bǔ)工藝，及時(shí)進(jìn)行檢查及修補(bǔ)。通過上述指施有效得保證發(fā)射支持系統(tǒng)結(jié)構(gòu)表面的防腐工藝有效性。

2.縫隙腐蝕防護(hù)

由于發(fā)射平臺(tái)結(jié)構(gòu)、重量和體積巨大，生產(chǎn)廠與發(fā)射場又不在同一處，因此必須對(duì)臺(tái)體、各單機(jī)進(jìn)行分塊運(yùn)輸至發(fā)射場拼裝使用，各部分拼接部位，如臺(tái)體法蘭連接處、臺(tái)體與各單機(jī)連接面等，為了結(jié)臺(tái)緊密不進(jìn)行表面噴漆。這些結(jié)合面若不進(jìn)行密封處理，容易發(fā)生縫隙腐蝕。

縫原腐蝕是一種很普遍的腐蝕現(xiàn)象，當(dāng)金屬與金屬，或金屬與非金屬之間縫隙寬度為 0.025-0.1mm 時(shí)，幾乎所有的腐蝕性介質(zhì)（包括淡水）都能引起金屬的縫隙腐蝕。其中含氯離子的溶液通常是縫隙腐蝕最敏感的介質(zhì)[7] 。在海南發(fā)射場的高溫高濕高鹽霧環(huán)境中，縫隙腐蝕是很容易發(fā)生的。

發(fā)射平臺(tái)采取的措施為：在各縫隙周圍涂覆一定厚度的密封膠，待膠固化后涂覆一層防鹽霧面漆，隔絕腐蝕介質(zhì)同時(shí)形成分子級(jí)保護(hù)膜，從而避免縫隙腐蝕的發(fā)生。

3.高強(qiáng)度螺栓防護(hù)

發(fā)射平臺(tái)臺(tái)體由若干梁組成，各梁之間通過法蘭采用螺栓連接，并施加幾十噸的預(yù)緊力保證連接緊密。螺栓材料為高強(qiáng)度鋼，表面熱滲鋅處理。施加預(yù)緊力時(shí)，螺紋結(jié)合部位會(huì)產(chǎn)生 2 次磨損，同時(shí)螺栓防護(hù)層厚度不均，每年減薄速度不均等因素都將導(dǎo)致個(gè)別嚴(yán)重螺栓出現(xiàn)防護(hù)層破損，破損后螺栓金屬本體將直接暴露在大氣環(huán)境下。與此同時(shí)，螺栓與螺母間存在縫隙并有腐蝕介質(zhì)由此侵入，法蘭螺柱中間段長期密封環(huán)境下，腐蝕介質(zhì)進(jìn)入后不易排出，將導(dǎo)致螺栓破損部位發(fā)生氫脆，導(dǎo)致斷裂。斷裂后螺栓預(yù)緊力失效，法蘭預(yù)緊力降低的同時(shí)產(chǎn)生多余物。通過對(duì)發(fā)射平臺(tái)螺栓定期檢查，替換受損螺栓的手段可以降低風(fēng)險(xiǎn)，但仍存在較高風(fēng)險(xiǎn)。

為避免發(fā)射平臺(tái)臺(tái)體螺栓防護(hù)層破損引起腐蝕、螺栓與螺母及臺(tái)體連接部位的縫隙腐蝕，采取如下措施：

（1） 在所有高強(qiáng)度螺栓表面涂覆密封膠 + 防鹽霧面漆的密封組合防護(hù)，防止?jié)B鋅層破損引起的腐蝕。

（2） 在螺栓與螺母及臺(tái)體連接部位的縫隙部位，涂覆密封膠 + 防鹽霧面漆的密封組合防護(hù)，密封后隔絕外界氧通路，縫隙內(nèi)的氧耗盡，氧還原反應(yīng)終止，不再繼續(xù)腐蝕。

（3）為滿足發(fā)射平臺(tái)長期使用需要，在發(fā)射場建立標(biāo)準(zhǔn)件備件庫。對(duì)關(guān)鍵部位的螺栓，根據(jù)腐蝕情況，定期替換緊固件。

4.電偶腐蝕防護(hù)

為實(shí)現(xiàn)火箭垂直度調(diào)整，發(fā)射平臺(tái)采用螺母螺桿螺旋傳動(dòng)方式。由于螺桿螺母為兩種不同材質(zhì)的金屬，螺桿材料為鋼，與之旋合的螺母材料為銅，兩者之間存在電位差。當(dāng)兩者直接接觸時(shí)，由于腐蝕電位不相等，存在電偶電流流動(dòng)，使電位較低的金屬溶解速度增加，而電位較高的金屬溶解速度減小。一些在大氣環(huán)境中電偶腐蝕不明顯的設(shè)備，在海洋環(huán)境中很容易形成閉合回路，發(fā)生明顯電偶腐蝕。不同金屬接觸產(chǎn)生電偶腐蝕必須具備三個(gè)基本條件：一定的電位差、存在腐蝕電解液、電連接。三個(gè)條件缺一不可，因此只要設(shè)法使其中一個(gè)條件不存在，就能避免形成電偶，也就不會(huì)發(fā)生加速腐蝕。

發(fā)射平臺(tái)為降低螺桿螺母之間的電偶腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，采取的措施包括：

（1）在螺桿螺母之間涂覆隔絕潤脂，在兩種金屬之間建立絕緣層。

（2）對(duì)容納螺桿螺母的外殼各安裝法蘭面進(jìn)行涂膠密封處理，隔絕腐蝕性氣氛進(jìn)入外殼內(nèi)部，防止螺桿螺母與腐蝕性氣氛接觸而形成電偶腐蝕。

（3）制定檢修更換潤滑脂的周期，定期進(jìn)行螺桿螺母維護(hù)、潤滑脂更換。。

5.其他防腐措施

除上述防腐措施之外，還采取了其他措施來共同保證發(fā)射平臺(tái)的工作可靠，主要包括：

（1） 臺(tái)體焊縫防護(hù)措施

發(fā)射平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)材料為 Q345，在焊接成型過程中，臺(tái)體焊縫處（特別是連接法蘭處）會(huì)存在較高的殘余應(yīng)力和總裝完成后造成的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。因此，臺(tái)體加工過程中，焊接完成后使用振動(dòng)時(shí)效儀整體進(jìn)行時(shí)效消除殘余應(yīng)力。

臺(tái)體焊縫的防護(hù)方式，與主體結(jié)構(gòu)相同，按照沿海港口機(jī)械 C5-M 標(biāo)準(zhǔn)選擇相同的涂層體系。在涂層施工之前，必須將粗糙焊縫表面打磨光順，達(dá)到規(guī)定等級(jí)之后再進(jìn)行與主體結(jié)構(gòu)相同的涂層體系的防護(hù)。

（2） 軸承防護(hù)措施

發(fā)射平臺(tái)某些重要機(jī)構(gòu)使用軸承傳動(dòng)和承載，所選軸承材料為高強(qiáng)度軸承鋼。這種軸承鋼除會(huì)發(fā)生均勻腐蝕外，在海南高濕度、多凝露、多雨的環(huán)境，及火箭發(fā)射時(shí)高溫、高壓、含氫環(huán)境還存在發(fā)生氫脆的風(fēng)險(xiǎn)。因此在裝配軸承時(shí)，在軸承表面均勻涂抹高溫潤滑脂，潤滑的同時(shí)能夠隔絕空氣、水等含氫介質(zhì)與鋼的接觸，避免氫脆發(fā)生。

（3） 行走裝置車輪防腐措施

發(fā)射臺(tái)行走裝置共有4組，對(duì)稱布置在發(fā)射平臺(tái)的四個(gè)角上，行走裝置車輪及車輪軸均為鋼件，其主要腐蝕機(jī)理為在海南大氣環(huán)境中的電化學(xué)腐蝕。

行走機(jī)構(gòu)車輪、車輪軸等暴露在腐蝕氣氛中的部位，采用跟發(fā)射平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)一致的防腐方案，噴涂防腐涂層。

車輪與鐵軌接觸面由于承受壓力及摩擦較大，無法防護(hù)，閑置存放時(shí)，表面涂清油隔絕腐蝕介質(zhì)。使用前除去表面油脂，并檢查車輪表面是否存在裂紋等。

（4） 相對(duì)密封部位防護(hù)措施

發(fā)射平臺(tái)上相對(duì)密封部位、不易清理部位，放置氣相防銹緩蝕劑，它在常溫下可以發(fā)揮出能抑制金屬腐蝕的氣體，在金屬表面形成一層只有 1 個(gè)或幾個(gè)分子厚的保護(hù)膜，阻斷金屬表面與水、氧氣接觸的可能性，抑制促使金屬腐蝕的電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，從而達(dá)到防銹目的。根據(jù)緩蝕劑的防銹期，進(jìn)行緩蝕劑的檢查、更換，達(dá)到氣相防腐的作用。

四、防腐措施有效性驗(yàn)證

為驗(yàn)證發(fā)射支持系統(tǒng)腐蝕防護(hù)措施的效果，設(shè)計(jì)發(fā)射平臺(tái)典型縮比試驗(yàn)件進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)和自然環(huán)境鹽霧試驗(yàn)。試驗(yàn)在海南發(fā)射場與北京鹽霧試驗(yàn)箱同時(shí)進(jìn)行。每個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)都放置 2 套縮比臺(tái)體法蘭試驗(yàn)件，2 套均按技術(shù)條件要求施加相同的預(yù)緊力。腐蝕防護(hù)方式為：1# 不進(jìn)行任何防護(hù)，2# 按照發(fā)射平臺(tái)防護(hù)方式在法蘭表面噴涂底漆、中層漆后，連接螺栓并施加預(yù)緊力后，在螺母縫隙涂膠密封并噴涂面漆防護(hù)。

依據(jù)鹽霧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[9] ，在鹽霧試驗(yàn)箱干濕交替 1000h 后，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行分解檢查。海南發(fā)射場的縮比試驗(yàn)件經(jīng)過自然環(huán)境考核 180 天后，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行分解，檢查腐蝕情況，測量螺栓殘余預(yù)緊力。從檢查結(jié)果可以得出：

（1） 無論是中性鹽霧試驗(yàn)還是自然環(huán)境鹽霧試驗(yàn)，1# 試驗(yàn)件也就是無防護(hù)試驗(yàn)件，試驗(yàn)件表面可見明顯腐蝕。

分解后檢查，法蘭接觸面腐蝕嚴(yán)重，幾乎無未腐蝕區(qū)域。以上描述情況 2# 試驗(yàn)件因表面涂膠密封保護(hù)，未明顯出現(xiàn)。

（2） 無論是中性鹽霧試驗(yàn)還是自然環(huán)境鹽霧試驗(yàn)，1# 試驗(yàn)件熱滲鋅螺紋縫隙腐蝕嚴(yán)重，腐蝕產(chǎn)物聚集在紋根部，2# 試驗(yàn)件螺紋滲鋅層完好。

（3） 分解螺栓時(shí)，記錄的預(yù)緊力數(shù)據(jù)表明：1# 試驗(yàn)件預(yù)緊力下降最大約14％，2# 試驗(yàn)件預(yù)緊力基本未下降。

五、結(jié)束語

本文分析了新一代運(yùn)載火箭發(fā)射支持系統(tǒng)可能存在的腐蝕類型及腐蝕機(jī)理，針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)形式采用不同的防護(hù)方法，對(duì)發(fā)射支持系統(tǒng)進(jìn)行可靠防護(hù)。此外，設(shè)計(jì)了發(fā)射支持系統(tǒng)典型縮比試驗(yàn)件，進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)及自然環(huán)境鹽霧試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：發(fā)射支持系統(tǒng)的腐蝕防護(hù)方式有效可靠，能夠滿足其使用需求。

參考文獻(xiàn)

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