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与海水接触的传感器

了解海水应用中的传感器腐蚀原因以及如何设计可应对此类挑战的解决方案

海水会对金属造成侵蚀,不同深度的海水具有不同的氧气浓度、温度、pH 值、盐度、生物活性、导电率和速度流量,更是加速了这种腐蚀。 传感器(包括压力和线性位移传感器)广泛应用于海上平台、海水淡化系统、系泊缆索、海底井口装置以及石油和天然气采集系统等应用中不同水深处的控制和安全功能。使用时,传感器可浸没在不同深度的海水中,具体与潮汐水平面相关,浅则水面以下十分之几英尺到数米,深则水下 1,000 英尺。要在这些环境中运行,传感器必须采用耐腐蚀性材料制造,以便这些装置可在恶劣的海水条件下提供连续的信息。随着装载系统、海底系泊缆索、控制阀、扼流圈、海水淡化装置和平台稳定性等应用对接触海水和海雾的传感器的需求增加,选择正确的传感器材料取决于采用合适的合金以适合应用和使用环境。无论腐蚀源于不同水深、电化学效应还是源于生物攻击,选择适合于应用的正确材料都是让传感器具备长期良好性能的关键。材料选择经常受系统可靠性要求、可用性、成本和可制造性影响。

海水特征导致腐蚀

海水含有高浓度的盐、溶解氧、二氧化碳和微生物,因而海水环境具有很强的腐蚀性。腐蚀速率可能由全球位置、温度和微生物活动共同决定。其他腐蚀源可能来自通常会滋生许多硫酸盐还原菌 (SRB) 的污浊的或受到污染的环境,这些细菌会影响传感器材料的性能。海水中含有阴离子的主要成分是氯化物、硫酸盐、溴和碳酸氢盐,而含有阳离子的主要成分是钠、镁、钙和钾。海水因含有溶解的氯化物和其他盐而增加了不锈钢及其他有源和无源材料的局部腐蚀。这种腐蚀可表现为点蚀、裂缝或晶粒。

由海水中的微生物造成的腐蚀

微生物引起的腐蚀 (MIC) 是一个非常严重的问题,根据不同的使用条件和传感器结构中所用的材料对传感器的运行产生不同程度的影响,在低级别的奥氏体不锈钢中尤其显著。MIC 通常发生在焊接接头处,如果未能及时检查并作相应处理,可能会导致焊缝开裂。MIC 是涉及材料性能退化的腐蚀过程。在富氧环境中,需氧菌可大量存在,而厌氧菌可存在于低氧环境中。这些细菌可以说成粘泥形成菌、产酸菌、铁氧化菌、硫酸盐还原菌、铁还原菌和硝酸盐还原菌。可以形成 MIC 的菌种有数百个。MIC 细菌的菌落通常在传感器上形成局部群集,表现为材料表面的粗糙点、内含物部位、腐蚀部位或切口。这些菌落以氧、铁和锰为食,形成黏糊糊的糊状物。这个黏糊糊的糊状物会吸引大量其他生物和非生物物种,这些物种接着会开始侵蚀传感器表面,导致裂缝、氧浓差和离子浓差电池产生,从而形成腐蚀。

如果环境条件有利于 SRB 细菌生长,使其能够将硫酸盐转化为有害的硫化物,则 SRB 细菌便会具有极高的腐蚀性和侵略性。SRB 的生长依赖产酸菌 (APB),这种菌是 MIC 的主要引发剂。APB 消耗氧气并产生低分子量有机酸和酒精。SRB 正是靠食用这种有机酸开始产生硫化氢。硫化物充当钢的阴极,在电化学腐蚀过程中侵蚀传感器的钢表面并开始消耗阳极铁。这导致传感器表面发生点蚀并形成硬壳样顶部或片状物。当海水温度在 25° 和 41°C 之间时,这个过程会加快,但受在世界上所处的位置影响。钛和镍基超合金可以更好地保护传感器抵御局部腐蚀。在某些情况下,合金 400 和合金 K 材料已成功用于温暖的浅水域,特别是在中东和非洲地区。

采用合金材料制成的 LVDT 位移传感器和 TE Seacon 海底湿插拔连接器
采用合金材料制成的 LVDT 位移传感器和 TE Seacon 海底湿插拔连接器

许多常用不锈钢,如 304 和 316,不能应用于要直接接触海水的传感器。合金含量更高且耐点蚀当量 (PREN) 系数值大于 40 的双炼钢已被用作不锈钢的替代物;不过,这种合金不能保证传感器在新的深海和北极地区应用中长久保持可靠性能。在 PREN 计算中,关键要素铬 (Cr)、钼 (Mo) 和氮 (N) 作为加权系数,与其乘数一起决定总值。使用的常见公式是 PREN = %Cr + (3.3 x %Mo) + (16 x %N)。

PREN = %Cr + (3.3 x %Mo) + (16 x %N)

镍基超合金

合金 625 和合金 C276 是镍基超合金系列中的两种主要合金,因镍、铬和钼的含量更高而具有杰出的耐腐蚀性。就可靠性和无故障运行而言,这两种材料多年来一直是传感器材料以及所有其他关键部件材料的理想之选。与不锈钢和双炼钢相比,这些合金的成本更高,但它们可以全面抵御局部腐蚀以及氧化和还原介质。