周曉光 董彩常 宋偉偉 丁繼峰

（鋼鐵研究總院 青島海洋腐蝕研究所 青島 266071）

0 引 言

艦船海水管系是艦船推進(jìn)保障系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)組保障系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)的重要組成部分［1］，在保證船舶主要設(shè)備正常運(yùn)行及安全、船舶平衡等方面起著重要作用。作為海水管路用材，其抗流動(dòng)海水腐蝕性能是最為重要的技術(shù)要求之一。材料在流動(dòng)海水中的腐蝕速率大小，以及是否出現(xiàn)早期沖擊腐蝕破損，是決定其使用壽命的關(guān)鍵因素［2］。海水管路一旦出現(xiàn)腐蝕破損，將影響設(shè)備正常運(yùn)行甚至船舶的安全性；因此，在艦船設(shè)計(jì)階段，根據(jù)海水管系的防腐設(shè)計(jì)資料，建立適合的管路試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)于評(píng)價(jià)海水管路的腐蝕防護(hù)效果，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案具有重要的意義。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)所用材料為 DN200×3 m、DN125×1 m、DN65×1 m涂塑鋼管各一段，均帶有標(biāo)準(zhǔn)異徑三通；B10管材包括彎管、對(duì)焊管段和直管段，外徑都是φ57 mm，厚度3.5 mm。其中DN 50型90°彎管兩個(gè)；DN50×0.5 m對(duì)焊管段兩段；DN50×0.5 m直管段兩段。試驗(yàn)介質(zhì)為青島小麥島海域表層天然海水，實(shí)驗(yàn)海水部分理化性能見(jiàn)表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)海域海水理化性能

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器為11 kW和22 kW功率三相交流異步電動(dòng)機(jī)與相應(yīng)水泵各一套；數(shù)顯式流量計(jì)；超聲波涂層測(cè)厚儀；電子天平（精確到0.0001 g）；數(shù)碼相機(jī)；海水管路模擬試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 海水管路模擬試驗(yàn)裝置圖

1.3 試驗(yàn)方法

如圖1所示，B10管材之間通過(guò)鋼絲軟管串接，并采用不銹鋼管卡固緊。B10管內(nèi)海水流速設(shè)計(jì)為2.9 m/s與5.8 m/s，抽取天然海水泵入管路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使用截止閥調(diào)整管路內(nèi)海水流速，分別開(kāi)展模擬和加速?zèng)_刷腐蝕試驗(yàn)。每天海水沖刷時(shí)間為8 h，試驗(yàn)時(shí)間持續(xù)為60天。采用數(shù)碼相機(jī)記錄試驗(yàn)前后管路形貌；采用失重法計(jì)算試驗(yàn)后B10管質(zhì)量損失及腐蝕速度；采用超聲波測(cè)厚儀測(cè)量試驗(yàn)前后涂塑鋼管涂層厚度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 涂塑鋼管沖刷腐蝕試驗(yàn)分析

內(nèi)表面涂塑是常用海水管路防腐蝕措施。涂塑后管系金屬通過(guò)塑料涂層與海水介質(zhì)隔絕，從而有效地保護(hù)管路。管系涂塑防腐蝕效果好、壽命長(zhǎng)，可明顯提高耐海水沖刷腐蝕性能［1，3-5］。由于流體阻力小和防結(jié)垢的優(yōu)點(diǎn)，還可提高管系效率［6］。圖2為試驗(yàn)前DN200、DN125及DN65涂塑鋼管的宏觀形貌，可以看出管系經(jīng)涂塑成型后，內(nèi)外表面均非常平整、光滑，表面成型質(zhì)量很好。

根據(jù)管路模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)，DN125涂塑鋼管內(nèi)海水流速為2 m/s，DN65涂塑鋼管內(nèi)海水流速為4 m/s。表2為三段涂塑鋼管內(nèi)涂層在沖刷腐蝕前后平均厚度的對(duì)比情況?？梢钥闯觯煌軓酵克茕摴軆?nèi)壁涂層的平均厚度變化不明顯，可以認(rèn)為涂塑能夠?qū)w鋼材料提供有效保護(hù)。

表2 涂塑鋼管內(nèi)涂層沖刷試驗(yàn)前后厚度 μm

圖2 沖刷試驗(yàn)前涂塑鋼管的宏觀形貌

經(jīng)60天沖刷腐蝕后，涂塑鋼管不同部位的腐蝕形貌如圖3所示（照片a、b、c分別對(duì)應(yīng)于圖1中端面a、端面 b 及端面 c）。 由圖 3（a）及（b）可以看出，涂塑鋼管的連接法蘭及管道內(nèi)表面整體保持了較好的防護(hù)狀態(tài)，涂層未見(jiàn)明顯脫落現(xiàn)象；但在DN200涂塑總管的DN125（海水流速為2 m/s）三通海水出口處，出現(xiàn)涂塑層破損現(xiàn)象。其原因可認(rèn)為在三通分流處，海水容易發(fā)生紊流從而導(dǎo)致沖擊腐蝕；同時(shí)，由于三通管徑變化，會(huì)形成一定的空泡腐蝕現(xiàn)象，氣泡的突然破裂會(huì)移除基體表面的涂層，加劇沖刷腐蝕效應(yīng)。

圖3 沖刷試驗(yàn)后涂塑鋼管不同部位腐蝕形貌

試驗(yàn)分析可知，涂塑鋼管整體耐沖刷腐蝕效果較好，但在海水總管三通出口處沖刷腐蝕加劇而發(fā)生涂層剝落現(xiàn)象。因此，在現(xiàn)行涂塑標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)三通等特殊部位應(yīng)采取加大涂塑厚度等針對(duì)性措施進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)。

2.2 B10直管段、對(duì)焊管段和彎管沖刷腐蝕分析

銅鎳合金具有良好的耐海水腐蝕性能，廣泛用于艦船冷凝器、海水熱交換器及海水淡化處理設(shè)備管路中［7-8］。表3為B10管材不同管段在模擬/加速?zèng)_刷腐蝕試驗(yàn)下的腐蝕速率。對(duì)比結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在同一流速下，B10管材腐蝕速率由大到小依次為彎管、對(duì)焊管段和直管段。彎管腐蝕速率要遠(yuǎn)大于后兩者，這是由于彎管處湍流和空化加劇了沖蝕效應(yīng)。在加速?zèng)_刷情況下，隨著流速的增加，B10直管段、對(duì)焊管段和彎管腐蝕速率急劇增大。一般認(rèn)為銅合金在含氯離子介質(zhì)中，表面可形成一層氧化膜［9］。隨著流速的增加，B10材料表面剪切應(yīng)力增加，對(duì)表面氧化膜的破壞作用增強(qiáng)，故腐蝕速率增大［10-11］。

表3 B10直管段、對(duì)焊管段和彎管的腐蝕速率

圖4為模擬沖刷腐蝕流速下，各B10管段剖切后所示內(nèi)表面腐蝕形貌。

圖4 模擬沖刷腐蝕后B10管內(nèi)表面腐蝕形貌

如圖4（a）所示，經(jīng)長(zhǎng)期沖刷腐蝕后，管材內(nèi)表面材料出現(xiàn)斑狀剝離，形成很淺的蝕斑。在管材對(duì)焊部位，焊縫及附近的熱影響區(qū)的腐蝕要比B10本體嚴(yán)重，呈現(xiàn)潰瘍狀腐蝕形貌，點(diǎn)蝕坑深度也大于直管部分，如4（b）所示。這可能是焊縫區(qū)內(nèi)凹凸不平的表面易造成紊流，加劇了沖蝕效應(yīng)；而熱影響區(qū)材料冶金及化學(xué)成分上的差異，使材料成分、組織不均勻［2］，都會(huì)增加管材的腐蝕速度。彎管部分內(nèi)部出現(xiàn)成片蝕斑，表明彎管部位發(fā)生了空泡腐蝕。腐蝕產(chǎn)生的破損表面又進(jìn)一步加劇紊流、渦流的產(chǎn)生，從而形成惡性循環(huán)，加劇彎管部分的腐蝕［12］。

3 結(jié) 論

（1）涂塑鋼管在沖刷腐蝕情況下，內(nèi)壁涂層厚度變化很小，可以認(rèn)為采用涂塑能夠?qū)w鋼材料提供有效保護(hù)；但在海水總管三通出口處，由于紊流及空泡腐蝕作用，涂層出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，這些位置應(yīng)適當(dāng)采用加大涂塑厚度的措施進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)，增加厚度可根據(jù)后續(xù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探索。

（2）同一流速條件下，B10管材中彎管腐蝕速度最大，直管腐蝕速度最小；直管及對(duì)焊段個(gè)別部位發(fā)現(xiàn)蝕斑，但彎管部位腐蝕較嚴(yán)重，蝕斑成片出現(xiàn)；海水流速增大1倍時(shí)，三段管材腐蝕速率明顯增大。

（3）B10焊縫部位由于紊流及熱影響區(qū)材料成分、組織不均勻因素增加管材的腐蝕速度；而彎管部位由于空泡腐蝕效應(yīng)，造成管材內(nèi)壁出現(xiàn)成片蝕斑。

［1］張敏麗.船舶海水管系的腐蝕及其防護(hù)［J］.涂裝與電鍍，2010，（1）:16-19.

［2］張永強(qiáng).國(guó)產(chǎn)B10合金耐海水沖刷腐蝕對(duì)比研究［J］.材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2007，22（6）:36-39.

［3］沈捷攀，林晨.船舶海水管系的防腐蝕探討［J］.安徽建筑，2010，1:51.

［4］曾榮輝，彭玉輝，張威.船舶海水管路防腐蝕研究［J］.中國(guó)艦船研究，2009，4（3）:74-76.

［5］王小鋒，馬俊，劉春林，等.艦船通海系統(tǒng)管路腐蝕影響因素及控制方法淺析［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2009，31（12）:54-57.

［6］沈宏，高峰，張關(guān)根，等.艦船海水管系選材及防腐對(duì)策［J］.船舶工程，2002，（4）:43-47.

［7］杜鵑，王洪仁，杜敏，等.B10銅鎳合金流動(dòng)海水沖刷腐蝕電化學(xué)行為［J］.腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2008，20（1）:12-18.

［8］黃璐瓊，武興偉.銅鎳合金管在艦船海水管系中的應(yīng)用［J］.船舶，2011（1）:40-43.

［9］徐群杰，黃詩(shī)俊.銅鎳合金耐蝕性影響的研究進(jìn)展［J］.上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，23（2）:157-162.

［10］鄭俊濤，張三平，周學(xué)杰，等.白銅B10和B30沖刷腐蝕對(duì)比研究［J］.裝備環(huán)境工程，2010，7（1）:40-43.

［11］孫婷婷，李寧，薛建軍，等.環(huán)境因素對(duì)B10銅鎳合金耐蝕性的影響［J］.裝備環(huán)境工程，2010，7（4）:25-28.

［12］邢濤，宋保維，梁慶衛(wèi)，等.艦船管路系統(tǒng)壽命的確定［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，22（5）:48-51.