前沿科技 | 新一代运载火箭发射支持系统防腐蚀技术研究

2019-06-21 16:48:15 作者：潘玉竹，冯超北京航天发射技术研究所来源：《腐蚀防护之友》分享至：

一、前言

我国新一代运载火箭发射场位于海南省文昌市龙楼镇海滨，该处为热带季风气候，属于典型海洋大气环境，具有高温、高湿、高盐雾的环境特点。发射支持系统主体结构一般均为钢结构，在任务期及非任务贮存期，钢结构内表面、外表面、法兰连接面，都直接或间接暴露在海洋性盐雾环境中，若不进行有效的防腐措施，存在被腐蚀的风险。此外，发射支持系统中其他典型结构，如紧固件、高强度轴承、齿轮齿条、行走装置车轮等，也同样存在腐蚀风险，需要进行防腐处理。

美国肯尼迪航天中心位于佛罗里达州中东部，靠近大西洋和咸水湖，具有高盐雾、高温、高湿强日照的环境特点。为有效维护 39A、39B 两个发射场，及发射场内的覆带运输车、移动发射平台其他地面设备等，肯尼迪航天中心在防腐材料选择、不同材料涂层选择及施工、防腐管理方式等方面开展大量工作，以提高发射支持设备的安全性和可靠性 [1] 。

国内其他行业如军用飞机[2] 、水面舰艇导弹发射装置 [3] 、电子设备 [4] 、异种金属 [5]等，在对腐蚀的控制与防护方面都进行了系统研究，并形成了行业设计规范。

本文分析了新一代运载火箭发射支持系统可能存在的腐蚀类型及腐蚀机理，并针对不同的结构采用不同的防护方法，对发射支持系统进行可靠防护。此外，设计了发射支持系统典型比试验件，开展中性盐雾试验及自然环境盐雾试验，为发射支持系统在真实海洋大气腐蚀环境中的可靠使用提供了有利支撑。

二、发射支持系统腐蚀类型

1.腐蚀环境

新一代运载火箭发射支持系统的腐蚀环境主要包括两类，即：海南发射场的自然环境、执行任务时的工作环境。海南发射场位于海南省文昌市龙楼镇海滨，典型自然特征是高温、高湿、多凝露、多降雨，这种环境极易产生大气腐蚀。此外，大气环境中含有较高浓度的Cl 离子，还含有微量的 SO 2 、H 2 S、NH 3等腐蚀性杂质气体。

火箭发射过程中，发动机喷管喷出的燃气流直接喷射到发射支持系统承载结构表面，燃气流中的气体成分将直接影响到承载结构的应力腐蚀情况。新一代运载火箭使用的发动机为 YF-77 液氢液氧发动机、YF-100 液氧煤油发动机，发动机喷口燃气流成分为气态 CO 2 、CO、H 2 、H、OH 和 H 2 O，发射燃气尾气含大量氢，氢的存在可能给发射支持系统带来氢脆腐蚀风险，特别是高强度螺栓以及高强度轴承钢。

2.腐蚀类型

新一代运载火箭发射支持系统是为火箭测试和发射提供支持服务，完成火箭的运输、转载，垂直总装与承载、配合测试、转场、推进剂加注、供配气、瞄准等功能，主要包括：发射设备、吊装设备、运输及转载设备、气液连接器、地面供气系统、发射支持远控系统、地面瞄准系统、辅助设备、发射支持系统控制软件等组成。其中，发射设备主要包括活动发射平台、大流量喷水系统、发动机排氢燃烧系统、发射平台低温管路、尾端服务塔等。

由于活动发射平台在火箭发射过程中直接受到燃气流的烧蚀和冲刷，腐蚀环境最为恶劣，因此本文重点分析发射平台的腐蚀类型。活动发射平台的腐蚀类型主要有五种，分别为：均匀腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、氢脆和电偶腐蚀，如表 1 所示。

三、发射支持系统防腐措施

基于上述分析存在的腐蚀类型，在产品设计阶段，已针对海南发射场特殊腐蚀环境制定了多重防护措施，并落实到产品上，力求将腐蚀造成的损失控制在合理范围内。

1.主体结构防护

为减少均匀腐蚀带来的风险，发射支持系统主体结构在生产过程中时效消除应力的同时，按照港口机械 C5-M 标准[6]选择涂层体系进行腐蚀介质隔绝防护，涂层体系包括三层：底漆、中层漆、面漆。所选涂层主体结构体系中的底漆具有与基体很强的结合力，面漆不但能够防止盐雾腐蚀，还能抵抗高强度的紫外线辐射。

同时在施工过程中，严格控制涂装施工工艺，包括施工前的表面处理、施工过程控制，并对涂层验收的内容及方法进行量化控制。针对涂层在使用中可能发生局部脱落，利用涂层的定期检查要求和修补工艺，及时进行检查及修补。通过上述指施有效得保证发射支持系统结构表面的防腐工艺有效性。

2.缝隙腐蚀防护

由于发射平台结构、重量和体积巨大，生产厂与发射场又不在同一处，因此必须对台体、各单机进行分块运输至发射场拼装使用，各部分拼接部位，如台体法兰连接处、台体与各单机连接面等，为了结台紧密不进行表面喷漆。这些结合面若不进行密封处理，容易发生缝隙腐蚀。

缝原腐蚀是一种很普遍的腐蚀现象，当金属与金属，或金属与非金属之间缝隙宽度为 0.025-0.1mm 时，几乎所有的腐蚀性介质（包括淡水）都能引起金属的缝隙腐蚀。其中含氯离子的溶液通常是缝隙腐蚀最敏感的介质[7] 。在海南发射场的高温高湿高盐雾环境中，缝隙腐蚀是很容易发生的。

发射平台采取的措施为：在各缝隙周围涂覆一定厚度的密封胶，待胶固化后涂覆一层防盐雾面漆，隔绝腐蚀介质同时形成分子级保护膜，从而避免缝隙腐蚀的发生。

3.高强度螺栓防护

发射平台台体由若干梁组成，各梁之间通过法兰采用螺栓连接，并施加几十吨的预紧力保证连接紧密。螺栓材料为高强度钢，表面热渗锌处理。施加预紧力时，螺纹结合部位会产生 2 次磨损，同时螺栓防护层厚度不均，每年减薄速度不均等因素都将导致个别严重螺栓出现防护层破损，破损后螺栓金属本体将直接暴露在大气环境下。与此同时，螺栓与螺母间存在缝隙并有腐蚀介质由此侵入，法兰螺柱中间段长期密封环境下，腐蚀介质进入后不易排出，将导致螺栓破损部位发生氢脆，导致断裂。断裂后螺栓预紧力失效，法兰预紧力降低的同时产生多余物。通过对发射平台螺栓定期检查，替换受损螺栓的手段可以降低风险，但仍存在较高风险。

为避免发射平台台体螺栓防护层破损引起腐蚀、螺栓与螺母及台体连接部位的缝隙腐蚀，采取如下措施：

（1）在所有高强度螺栓表面涂覆密封胶 + 防盐雾面漆的密封组合防护，防止渗锌层破损引起的腐蚀。

（2）在螺栓与螺母及台体连接部位的缝隙部位，涂覆密封胶 + 防盐雾面漆的密封组合防护，密封后隔绝外界氧通路，缝隙内的氧耗尽，氧还原反应终止，不再继续腐蚀。

（3）为满足发射平台长期使用需要，在发射场建立标准件备件库。对关键部位的螺栓，根据腐蚀情况，定期替换紧固件。

4.电偶腐蚀防护

为实现火箭垂直度调整，发射平台采用螺母螺杆螺旋传动方式。由于螺杆螺母为两种不同材质的金属，螺杆材料为钢，与之旋合的螺母材料为铜，两者之间存在电位差。当两者直接接触时，由于腐蚀电位不相等，存在电偶电流流动，使电位较低的金属溶解速度增加，而电位较高的金属溶解速度减小。一些在大气环境中电偶腐蚀不明显的设备，在海洋环境中很容易形成闭合回路，发生明显电偶腐蚀。不同金属接触产生电偶腐蚀必须具备三个基本条件：一定的电位差、存在腐蚀电解液、电连接。三个条件缺一不可，因此只要设法使其中一个条件不存在，就能避免形成电偶，也就不会发生加速腐蚀。

发射平台为降低螺杆螺母之间的电偶腐蚀风险，采取的措施包括：

（1）在螺杆螺母之间涂覆隔绝润脂，在两种金属之间建立绝缘层。

（2）对容纳螺杆螺母的外壳各安装法兰面进行涂胶密封处理，隔绝腐蚀性气氛进入外壳内部，防止螺杆螺母与腐蚀性气氛接触而形成电偶腐蚀。

（3）制定检修更换润滑脂的周期，定期进行螺杆螺母维护、润滑脂更换。。

5.其他防腐措施

除上述防腐措施之外，还采取了其他措施来共同保证发射平台的工作可靠，主要包括：

（1）台体焊缝防护措施

发射平台主体结构材料为 Q345，在焊接成型过程中，台体焊缝处（特别是连接法兰处）会存在较高的残余应力和总装完成后造成的结构应力。因此，台体加工过程中，焊接完成后使用振动时效仪整体进行时效消除残余应力。

台体焊缝的防护方式，与主体结构相同，按照沿海港口机械 C5-M 标准选择相同的涂层体系。在涂层施工之前，必须将粗糙焊缝表面打磨光顺，达到规定等级之后再进行与主体结构相同的涂层体系的防护。

（2）轴承防护措施

发射平台某些重要机构使用轴承传动和承载，所选轴承材料为高强度轴承钢。这种轴承钢除会发生均匀腐蚀外，在海南高湿度、多凝露、多雨的环境，及火箭发射时高温、高压、含氢环境还存在发生氢脆的风险。因此在装配轴承时，在轴承表面均匀涂抹高温润滑脂，润滑的同时能够隔绝空气、水等含氢介质与钢的接触，避免氢脆发生。

（3）行走装置车轮防腐措施

发射台行走装置共有4组，对称布置在发射平台的四个角上，行走装置车轮及车轮轴均为钢件，其主要腐蚀机理为在海南大气环境中的电化学腐蚀。

行走机构车轮、车轮轴等暴露在腐蚀气氛中的部位，采用跟发射平台主体结构一致的防腐方案，喷涂防腐涂层。

车轮与铁轨接触面由于承受压力及摩擦较大，无法防护，闲置存放时，表面涂清油隔绝腐蚀介质。使用前除去表面油脂，并检查车轮表面是否存在裂纹等。

（4）相对密封部位防护措施

发射平台上相对密封部位、不易清理部位，放置气相防锈缓蚀剂，它在常温下可以发挥出能抑制金属腐蚀的气体，在金属表面形成一层只有 1 个或几个分子厚的保护膜，阻断金属表面与水、氧气接触的可能性，抑制促使金属腐蚀的电化学反应的发生，从而达到防锈目的。根据缓蚀剂的防锈期，进行缓蚀剂的检查、更换，达到气相防腐的作用。

四、防腐措施有效性验证

为验证发射支持系统腐蚀防护措施的效果，设计发射平台典型缩比试验件进行中性盐雾试验和自然环境盐雾试验。试验在海南发射场与北京盐雾试验箱同时进行。每个试验地点都放置 2 套缩比台体法兰试验件，2 套均按技术条件要求施加相同的预紧力。腐蚀防护方式为：1# 不进行任何防护，2# 按照发射平台防护方式在法兰表面喷涂底漆、中层漆后，连接螺栓并施加预紧力后，在螺母缝隙涂胶密封并喷涂面漆防护。