摘要：本文針對新一代運載火發射場持殊的周蝕環境，分析了發射支持系統可能出現的腐蝕類型，并制定了相應的防腐蝕措施。此外，設計了發射支持系統典型縮比試驗件開展鹽霧試驗，驗證了防腐措的有效性，為評估發支持系統可靠性和安全性提供了依據。

關鍵詞：發射支持系統，腐蝕，防腐，鹽試驗

    1 前言

    我國新一代運載火箭發射場位于海南省文昌市龍樓鎮海濱，該處為熱帶季風氣候，屬于典型海洋大氣環境，具有高溫、高濕、高鹽霧的環境特點。發射支持系統主體結構一般均為鋼結構，在任務期及非任務貯存期，鋼結構內表面、外表面、法蘭連接面，都直接或間接暴露在海洋性鹽霧環境中，若不進行有效的防腐措施，存在被腐蝕的風險。此外，發射支持系統中其他典型結構，如緊固件、高強度軸承、齒輪齒條、行走裝置車輪等，也同樣存在腐蝕風險，需要進行防腐處理。

    美國肯尼迪航天中心位于佛羅里達州中東部，靠近大西洋和咸水湖，具有高鹽霧、高溫、高濕強日照的環境特點。為有效維護39A、39B兩個發射場，及發射場內的覆帶運輸車、移動發射平臺其他地面設備等，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，以提高發射支持設備的安全性和可靠性[1]。

    國內其他行業如軍用飛機[2]、水面艦艇導彈發射裝置[3]、電子設備[4]、異種金屬[5]等，在對腐蝕的控制與防護方面都進行了系統研究，并形成了行業設計規范。

    本文分析了新一代運載火箭發射支持系統可能存在的腐蝕類型及腐蝕機理，并針對不同的結構采用不同的防護方法，對發射支持系統進行可靠防護。此外，設計了發射支持系統典型比試驗件，開展中性鹽霧試驗及自然環境鹽霧試驗，為發射支持系統在真實海洋大氣腐蝕環境中的可靠使用提供了有利支撐。

    2 發射支持系統腐蝕類型

    2.1腐蝕環境

    新一代運載火箭發射支持系統的腐蝕環境主要包括兩類，即：海南發射場的自然環境、執行任務時的工作環境。海南發射場位于海南省文昌市龍樓鎮海濱，典型自然特征是高溫、高濕、多凝露、多降雨，這種環境極易產生大氣腐蝕。此外，大氣環境中含有較高濃度的C1離子，還含有微量的SO2、H2S、NH3等腐蝕性雜質氣體。

    火箭發射過程中，發動機噴管噴出的燃氣流直接噴射到發射支持系統承載結構表面，燃氣流中的氣體成分將直接影響到承載結構的應力腐蝕情況。新一代運載火箭使用的發動機為YF-77液氫液氧發動機、YF-100液氧煤油發動機，發動機噴口燃氣流成分為氣態CO2、CO、H2、H、OH和H2O，發射燃氣尾氣含大量氫，氫的存在可能給發射支持系統帶來氫脆腐蝕風險，特別是高強度螺栓以及高強度軸承鋼。

    2.2腐蝕類型

    新一代運載火箭發射支持系統是為火箭測試和發射提供支持服務，完成火箭的運輸、轉載，垂直總裝與承載、配合測試、轉場、推進劑加注、供配氣、瞄準等功能，主要包括：發射設備、吊裝設備、運輸及轉載設備、氣液連接器、地面供氣系統、發射支持遠控系統、地面瞄準系統、輔助設備、發射支持系統控制軟件等組成。其中，發射設備主要包括活動發射平臺、大流量噴水系統、發動機排氫燃燒系統、發射平臺低溫管路、尾端服務塔等。

    由于活動發射平臺在火箭發射過程中直接受到燃氣流的燒蝕和沖刷，腐蝕環境最為惡劣，因此本文重點分析發射平臺的腐蝕類型。活動發射平臺的腐蝕類型主要有五種，分別為：均勻腐蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕、氫脆和電偶腐蝕，如表1所示。

    表 1 發射平臺腐蝕類型

    3   發射支持系統防腐措施

    基于上述分析存在的腐蝕類型，在產品設計階段，已針對海南發射場特殊腐蝕環境制定了多重防護措施，并落實到產品上，力求將腐蝕造成的損失控制在合理范圍內。

    3.1主體結構防護

    為減少均勻腐蝕帶來的風險，發射支持系統主體結構在生產過程中時效消除應力的同時，按照港口機械C5-M標準[6]選擇涂層體系進行腐蝕介質隔絕防護，涂層體系包括三層：底漆、中層漆、面漆。所選涂層主體結構體系中的底漆具有與基體很強的結合力，面漆不但能夠防止鹽霧腐蝕，還能抵抗高強度的紫外線輻射。

    同時在施工過程中，嚴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，并對涂層驗收的內容及方法進行量化控制。針對涂層在使用中可能發生局部脫落，利用涂層的定期檢查要求和修補工藝，及時進行檢查及修補。通過上述指施有效得保證發射支持系統結構表面的防腐工藝有效性。

    3.2縫隙腐蝕防護

    由于發射平臺結構、重量和體積巨大，生產廠與發射場又不在同一處，因此必須對臺體、各單機進行分塊運輸至發射場拼裝使用，各部分拼接部位，如臺體法蘭連接處、臺體與各單機連接面等，為了結臺緊密不進行表面噴漆。這些結合面若不進行密封處理，容易發生縫隙腐蝕。

    縫原腐蝕是一種很普遍的腐蝕現象，當金屬與金屬，或金屬與非金屬之間縫隙寬度為0.025- 0.1mm時，幾乎所有的腐蝕性介質（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[7]。在海南發射場的高溫高濕高鹽霧環境中，縫隙腐蝕是很容易發生的。

    發射平臺采取的措施為：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，隔絕腐蝕介質同時形成分子級保護膜，從而避免縫隙腐蝕的發生。

    3.3高強度螺栓防護

    發射平臺臺體由若干梁組成，各梁之間通過法蘭采用螺栓連接，并施加幾十噸的預緊力保證連接緊密。螺栓材料為高強度鋼，表面熱滲鋅處理。施加預緊力時，螺紋結合部位會產生2次磨損，同時螺栓防護層厚度不均，每年減薄速度不均等因素都將導致個別嚴重螺栓出現防護層破損，破損后螺栓金屬本體將直接暴露在大氣環境下。與此同時，螺栓與螺母間存在縫隙并有腐蝕介質由此侵入，法蘭螺柱中間段長期密封環境下，腐蝕介質進入后不易排出，將導致螺栓破損部位發生氫脆，導致斷裂。斷裂后螺栓預緊力失效，法蘭預緊力降低的同時產生多余物。通過對發射平臺螺栓定期檢查，替換受損螺栓的手段可以降低風險，但仍存在較高風險。

    為避免發射平臺臺體螺栓防護層破損引起腐蝕、螺栓與螺母及臺體連接部位的縫隙腐蝕，采取如下措施：

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

    （2） 在螺栓與螺母及臺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，密封后隔絕外界氧通路，縫隙內的氧耗盡，氧還原反應終止，不再繼續腐蝕。

    （3） 為滿足發射平臺長期使用需要，在發射場建立標準件備件庫。對關鍵部位的螺栓，根據腐蝕情況，定期替換緊固件。

    3.4 電偶腐蝕防護

    為實現火箭垂直度調整，發射平臺采用螺母螺桿螺旋傳動方式。由于螺桿螺母為兩種不同材質的金屬，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。當兩者直接接觸時，由于腐蝕電位不相等，存在電偶電流流動，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。一些在大氣環境中電偶腐蝕不明顯的設備，在海洋環境中很容易形成閉合回路，發生明顯電偶腐蝕。不同金屬接觸產生電偶腐蝕必須具備三個基本條件：一定的電位差、存在腐蝕電解液、電連接。三個條件缺一不可，因此只要設法使其中一個條件不存在，就能避免形成電偶，也就不會發生加速腐蝕。

    發射平臺為降低螺桿螺母之間的電偶腐蝕風險，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）對容納螺桿螺母的外殼各安裝法蘭面進行涂膠密封處理，隔絕腐蝕性氣氛進入外殼內部，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，定期進行螺桿螺母維護、潤滑脂更換。。

    3.5 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射平臺的工作可靠，主要包括：

    （1） 臺體焊縫防護措施

    發射平臺主體結構材料為Q345，在焊接成型過程中，臺體焊縫處（特別是連接法蘭處）會存在較高的殘余應力和總裝完成后造成的結構應力。因此，臺體加工過程中，焊接完成后使用振動時效儀整體進行時效消除殘余應力。

    臺體焊縫的防護方式，與主體結構相同，按照沿海港口機械C5-M標準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，達到規定等級之后再進行與主體結構相同的涂層體系的防護。

    （2） 軸承防護措施

    發射平臺某些重要機構使用軸承傳動和承載，所選軸承材料為高強度軸承鋼。這種軸承鋼除會發生均勻腐蝕外，在海南高濕度、多凝露、多雨的環境，及火箭發射時高溫、高壓、含氫環境還存在發生氫脆的風險。因此在裝配軸承時，在軸承表面均勻涂抹高溫潤滑脂，潤滑的同時能夠隔絕空氣、水等含氫介質與鋼的接觸，避免氫脆發生。

    （3） 行走裝置車輪防腐指施

    發射臺行走裝置共有4組，對稱布置在發射平臺的四個角上，行走裝置車輪及車輪軸均為鋼件，其主要腐蝕機理為在海南大氣環境中的電化學腐蝕。

    行走機構車輪、車輪軸等暴露在腐蝕氣氛中的部位，采用跟發射平臺主體結構一致的防腐方案，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，閑置存放時，表面涂清油隔絕腐蝕介質。使用前除去表面油脂，并檢查車輪表面是否存在裂紋等。

    （4） 相對密封部位防護措施

    發射平臺上相對密封部位、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個或幾個分子厚的保護膜，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反應的發生，從而達到防銹目的。根據緩蝕劑的防銹期，進行緩蝕劑的檢查、更換，達到氣相防腐的作用。

    4 防腐措施有效性驗證

    為驗證發射支持系統腐蝕防護措施的效果，設計發射平臺典型縮比試驗件進行中性鹽霧試驗和自然環境鹽霧試驗。試驗在海南發射場與北京鹽霧試驗箱同時進行。每個試驗地點都放置2套縮比臺體法蘭試驗件，2套均按技術條件要求施加相同的預緊力。腐蝕防護方式為：1#不進行任何防護，2#按照發射平臺防護方式在法蘭表面噴涂底漆、中層漆后，連接螺栓并施加預緊力后，在螺母縫隙涂膠密封并噴涂面漆防護。

    依據鹽霧試驗標準[9]，在鹽霧試驗箱干濕交替1000h后，對試驗件進行分解檢查。海南發射場的縮比試驗件經過自然環境考核180天后，對試驗件進行分解，檢查腐蝕情況，測量螺栓殘余預緊力。從檢查結果可以得出：

    （1） 無論是中性鹽霧試驗還是自然環境鹽霧試驗，1#試驗件也就是無防護試驗件，試驗件表面可見明顯腐蝕。分解后檢查，法蘭接觸面腐蝕嚴重，幾乎無未腐蝕區域。以上描述情況2#試驗件因表面涂膠密封保護，未明顯出現。

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

    （3） 分解螺栓時，記錄的預緊力數據表明：1#試驗件預緊力下降最大約14％，2#試驗件預緊力基本未下降。

    5 結束語

    本文分析了新一代運載火箭發射支持系統可能存在的腐蝕類型及腐蝕機理，針對不同的結構形式采用不同的防護方法，對發射支持系統進行可靠防護。此外，設計了發射支持系統典型縮比試驗件，進行中性鹽霧試驗及自然環境鹽霧試驗，試驗結果表明：發射支持系統的腐蝕防護方式有效可靠，能夠滿足其使用需求。

    參考文獻

    [1] 郭薇。 肯尼迪航天中心防腐設計研究[J]，中國工程科學， 2006, 8（1）： 25-28.

    [2] GJB 2635A-2008，軍用飛機腐蝕防護設計和控制要求[S].

    [3] QJ 3226-2005，水面艦艇導彈發射裝置腐蝕防護設計和控制要求[S].

    [4] GJB/Z 80-96，電子設備生物、應力腐蝕防護結構設計指南[S].

    [5] GJB 1720-1993，異種金屬的腐蝕與防護[S].

    [6] JT/T 733-2008，港口機械鋼結構表面防腐涂層技術條件[S].

    [7] 褚武揚，喬利杰。 氫脆和應力腐蝕：基礎部分[M]，北京，科學出版社， 2013.

    [8] GB/T 8923-1988，涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級[S].

    [9] GJB 150.11A-2009，軍用設備實驗室環境試驗方法第11部分：鹽霧試驗[S].