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緊固件在海洋平臺和船舶上，是最常用的機械連接方式，其可靠性直接關系到平臺、系統或者設備的可靠性，也關系到總體安全性，一直受到設計者和運行人員的高度重視。不過長期以來，設計者往往比較重視緊固件的疲勞壽命、斷裂失效、應力應變狀況、沖擊負荷等，而忽視了腐蝕失效所帶來的問題［1—4］。但實際上，長期運行在海洋中的海洋平臺、船舶系統，已經凸顯出緊固件腐蝕影響總體運行的問題，尤其是嚴重威脅安全性。隨著科學技術的發展，設計者對腐蝕問題的認識越來越深入，對海洋環境下緊固件的防腐要求也越來越高。對緊固件進行腐蝕防護設計，可提高其在高溫、高濕、高鹽海洋環境中的耐腐蝕性。
1 緊固件腐蝕防護基本要求
緊固件是系統和設備連接的關鍵部件和受力部件，因此表面處理后，機械性能和物理性能應符合設計要求，從而保證其在規定使用壽命內的連接可靠性。
1.1 力學性能要求
金屬緊固件的表面處理技術，以不傷害基體金屬和與基體金屬發生有害反應，不改變基體金屬的化學成分，不降低基體金屬的力學性能為原則。如果基體金屬的化學成分和力學性能發生了改變，則應重新對緊固件的應用性能進行鑒定。
1.2 工藝性能要求
1) 輪廓尺寸。裸緊固件的輪廓尺寸會影響表面處理層的厚度，如果輪廓尺寸小于設計的標準尺寸，那么留給表面處理層的空間較大，反之亦然。但是若裸緊固件的輪廓尺寸太小，將影響到緊固件的固有強度，同時導致涂覆后的標準緊固件涂層較厚、加工費用很高，這對多種規格、數量巨大的緊固件是不適用的。目前比較通用的是，裸緊固件的螺栓、螺母的間隙為20～ 30μm。
2) 厚度。緊固件的表面處理層應根據工藝確定合適的厚度，太薄則防腐性能差，太厚又會影響到緊固螺環與螺母的旋合性能。因此各種表面處理工藝必須慎重考慮厚度，以同時滿足設計防護性能和使用性能。
3) 旋合性能。裸緊固件的輪廓尺寸和緊固件表面處理層的厚度直接決定了緊固件的旋合性能，旋合性能是衡量施工性能的尺度。
4) 耐腐蝕性。表面處理層在海水、高溫、高鹽、高濕的環境中應具有良好的耐腐蝕性，以保證緊固件的壽命。
5) 結合強度。緊固件表面處理層和基體金屬的結合強度，是衡量涂層性能的一個重要指標。緊固件的防腐不僅在螺栓的光桿部位，也在緊固件的螺紋部位，尤其螺紋部位的結合力必須滿足使用要求，否則緊固件旋合時很容易發生涂層脫落，尤其是需要較大力矩擰緊的緊固件。
6) 耐磨性。與結合強度一樣，耐磨性反映了涂層在使用過程中的性能。一般的緊固件防腐涂層較薄，在緊固件反復使用的過程中，涂層應保證完好性。
7) 硬度。緊固件涂層應有足夠的硬度，保證在旋合時的均勻性和完好性。
8) 無毒。緊固件表面處理層應不揮發氣味或者有害氣體，對使用環境無污染，這一點對密閉空間尤其重要。
1.3 環境適應性要求
緊固件應用的環境復雜多變，因此，防腐涂層必須滿足各種苛刻環境的要求，例如海水環境、油環境、冷熱交變環境、干濕交替環境、陽光輻照環境、風力環境等。
2 緊固件腐蝕防護方法
緊固件的腐蝕防護是一項系統工程，為了延緩、控制緊固件材料的腐蝕，防止緊固件材料的退化、惡化，確保緊固件的可靠性、安全性和使用壽命，單一防腐措施的作用和效果有限，應同時采用多項防腐措施。
2.1 選取耐腐蝕的基體材料
選擇具有良好耐海水腐蝕能力且與其它接觸部件兼容的材料作為緊固件的基材，是最直接、最簡單、最有效的方法。例如，美國海軍研發了868合金鋼作為海軍船舶緊固件用材料，868合金鋼添加了鎳、鉻、鉬等耐蝕金屬，抗拉強度達800MPa級，延伸率50%，具有優異的抗沖擊強度和韌性，耐海水性能良好，抗裂紋腐蝕和氫脆的性能也較好，在海水中不發生縫隙腐蝕，電化學的兼容性好［5］。
2.2 表面處理
目前，既滿足強度、剛度和韌性要求，又滿足耐海水腐蝕要求的材料不多，因此常對緊固件進行表面處理，即基體材料僅考慮力學性能，而將其抗腐蝕性能交付于涂層防護，這也是目前最常用的方法。
2.2.1 鍍鋅和粉末滲鋅
鍍鋅和粉末滲鋅均是在緊固件表面覆蓋一定厚度的鋅層，其作用原理是犧牲陽極保護，即表面鋅層先腐蝕，從而對基體金屬起保護作用。由于鋅層較薄，并且比銅合金等金屬的電位低，因此鋅層與銅合金、鈦合金、不銹鋼等發生異種金屬接觸腐蝕時，腐蝕速率較快。據資料介紹［6—7］，粉末滲鋅層的耐大氣腐蝕性能較好。普通碳鋼經過粉末滲鋅，其耐磨性可提高50%左右，滲鋅層的耐磨性比熱鍍鋅層高很多，還具有很好的耐熱性能。另外，滲鋅的工藝簡單，生產靈活、方便，而且滲鋅層的厚度可以控制在10 ～ 140μm之間，這一特點對要求滲鋅層很薄的緊固件非常重要。不過實踐證明，對于高溫、高濕、高鹽環境下的緊固件，這兩種表面處理方法的防腐效果是有限的。
2.2.2 鋅鎳鍍層
鋅鎳鍍層是一種合金鍍層，耐蝕性較好。Ni質量分數為10% ～ 15%的鋅鎳鍍層在工業大氣和海洋性大氣中，耐蝕性是純鋅鍍層的3 ～ 6倍。鍍層中Ni的含量對鍍層耐蝕性的影響最大，當Ni質量分數為13%時，鍍層的耐蝕性最好。在5%( 質量分數) 的NaCl溶液中，隨鎳含量的增加，鋅鎳合金鍍層的穩定電位向正方向移動，在最佳耐蝕區，穩定電位基本接近于鎘的電位，遠遠低于鋅的電位，當鍍層與鋼鐵基體組成微電池時，腐蝕電勢要小得多，因而腐蝕速度比鍍鋅層要慢得多［8—9］。此外，鋅鎳合金鍍層的顯微硬度也比純鍍鋅層高，且Ni含量越高，硬度越高。
2.2.3 鈦納米涂層
鈦納米涂層可通過以下方法獲得: 先用高效能粉碎機將鈦粉碎成納米級的金屬顆粒，再采用機械-化學方法制備鈦基納米金屬粉和鈦納米聚合物，然后按照一定的組分配比制備涂液，按程序涂裝在金屬基體表面，最后用鈦納米聚合物封閉。鈦納米聚合物的比表面積大且具有化學作用，抗滲透能力顯著，具備憎水性，腐蝕性介質和離子很難通過這層聚合物到達基體，因此它具有較好的封閉性能，能切斷腐蝕介質與金屬的接觸。同時，金屬粉和鈦納米聚合物呈化學鍵連接，結構致密，耐蝕性強。因此，鈦納米涂層具有較好的耐腐蝕性能。
2.2.4 達克羅涂層
達克羅( Dacromet) 涂層是美國在20世紀50年代開發的防腐技術，具有良好的性能，如極強的抗腐蝕性、無氫脆，特別適用于高強度受力件。達克羅涂層主要用于處理鋼鐵零件，提高零件的耐腐蝕性和潤滑性，其主要成分是Zn-Cr。
國內達克羅生產單位較多，主要處理工藝有: 1) 二涂二烘，改進型環氧樹脂封閉; 2) 滲鋅，二涂二烘，改進型環氧樹脂封閉; 3) 二涂二烘; 4) 三涂三烘。值得推薦的是改進的Zn-Al達克羅涂層，它較常規達克羅涂層具有更好的耐腐蝕性能。
2.2.5 試驗對比
針對緊固件的表面處理方法，筆者對目前船舶常用的滲鋅緊固件、改進達克羅涂層緊固件和常規達克羅涂層緊固件進行了對比試驗。
1) 鹽霧試驗。從不同表面處理的緊固件的腐蝕形貌( 見圖1) 看，改進后的Zn-Al達克羅涂層具有相對較好的耐鹽霧腐蝕性能，鹽霧腐蝕2100h后仍較完好，常規達克羅涂層的耐蝕性次之，滲鋅層的耐蝕性最差。
2) 海水全浸腐蝕試驗。在海水中全浸腐蝕2600h后的形貌如圖2所示，可見改進達克羅涂層的耐腐蝕性能較好。
3) 電化學阻抗譜評價試驗。由圖3可見，涂層試樣在海水中呈現2個時間常數，改進達克羅涂層的Rt和Rf值要大得多，說明其耐蝕性能更加優良。改進達克羅涂層的Rt值在200h內變化緩慢，說明表面膜層為保護性良好的隔絕層，腐蝕介質( 即海水) 的滲入較慢，具有較好的耐腐蝕性能。
4) 電偶腐蝕試驗。由圖4可以看出，改進達克羅涂層與紫銅、Q235鋼間的電偶腐蝕程度最輕，與管路和法蘭材料間的相容性好，滲鋅與鋼、銅的電偶腐蝕傾向均較大。
2.3 合理的防腐結構設計
緊固件結構防護主要是針對高電位金屬對它的加速腐蝕，例如鈦合金、銅合金、不銹鋼等法蘭對鋼制緊固件的加速腐蝕。電絕緣隔離技術和介質隔離技術是可行的方法，目前已經得到應用。
2.3.1 電絕緣隔離技術
由于海洋平臺上和船舶系統中所用材料較多，如鈦合金、不銹鋼等，緊固件與法蘭連接后，可能發生異種金屬接觸腐蝕。緊固件與法蘭連接的部位有兩個，即墊圈與法蘭的接觸部位和螺栓與法蘭螺栓孔的接觸部位。采用隔離套筒方式，在這兩個部位采取物理措施將其隔離開，可切斷螺栓腐蝕電流的通路。
在俄羅斯的船舶上，大量采用了電絕緣隔離措施。初期的電絕緣設計是在一對法蘭的兩端均采用電絕緣結構，但在后期設計中，俄羅斯簡化了方法，實行單邊電絕緣。緊固件電絕緣結構示意圖如圖5所示。
2.3.2 介質隔離技術
海洋平臺或者船舶上，某些部位的緊固件或浸沒于海水中，或干濕交替，或受凝露覆蓋。海水或者凝露作為電解質，連通了法蘭與緊固件兩異種金屬之間的電路。將電解液與兩種金屬隔離開，就切斷了兩種金屬之間的電路，不能形成腐蝕電流。介質隔離層的材料應耐油，耐水，為電的不良導體，具有一定的硬度，耐冷熱干濕交替，易施工。介質隔離示意圖如圖6所示。
2.4 其它應注意的問題
1) 在生產、運輸、儲存的過程中，應以不損傷緊固件固有的耐蝕性為原則。
2) 確定合理、可行的緊固件安裝工藝，實行科學施工。
3 結語
隨著科學技術的發展，對材料耐環境腐蝕的要求不斷提高，有必要發展新技術、新方法，不斷提高關鍵基礎零部件的長效保護性能。各種腐蝕防護表面處理技術均有其特點和局限性，使用時要針對具體使用環境進行設計，從防護特點及性能、服役壽命、制備成本等諸多方面進行綜合分析，并加以利用。
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