孫 啟 馬云飛 戴明城

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

艦船海水管系擔(dān)負(fù)著冷卻設(shè)備、消防、壓載、排水、沖洗等保障安全運(yùn)行和人員日常生活的重任［1-2］。因輸送介質(zhì)為腐蝕性的海水，海水管路的腐蝕與防腐蝕問題，是船舶系統(tǒng)管路日常維護(hù)中一個(gè)常見的問題，也是在管系設(shè)計(jì)及施工時(shí)需要著重考慮的問題之一［3-5］。

當(dāng)前船用海水管系主要使用B10銅鎳合金材質(zhì)（下文簡(jiǎn)稱B10）。B10海水腐蝕的機(jī)理復(fù)雜，難以完全控制，因此加強(qiáng)B10海水腐蝕機(jī)理研究，并對(duì)B10海水管進(jìn)行防腐優(yōu)化，對(duì)延長(zhǎng)管系壽命以及提高設(shè)備可靠性具有重要意義。

1 典型海水管系腐蝕仿真計(jì)算分析

1.1 基于COMSOL仿真計(jì)算的基本理論

管道中流動(dòng)的海水可以看成粘性不可壓縮流體。研究管道流體通常涉及到質(zhì)量守恒、動(dòng)量定理、能量守恒定律，結(jié)合流體層流、湍流數(shù)值模型，運(yùn)用有限元離散化分析方法，將這些流體力學(xué)規(guī)律進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

B10管海水腐蝕是個(gè)多場(chǎng)耦合問題，涉及流體、稀溶液組份輸運(yùn)和電化學(xué)，氧濃差電場(chǎng)及不同材質(zhì)相接觸的電偶電場(chǎng)，使海水腐蝕的仿真變得極為復(fù)雜。COMSOL是一款適合多場(chǎng)耦合計(jì)算的軟件，除了流體數(shù)值計(jì)算的設(shè)置，需再關(guān)聯(lián)設(shè)置氧濃度場(chǎng)、偶合電場(chǎng)等。

1.2 B10管海水腐蝕速度計(jì)算

管道中的海水含有氧氣，當(dāng)管道成分或組織不均勻時(shí)，會(huì)形成腐蝕微電池，發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

其中，反應(yīng)（1）進(jìn)行速度很快，反應(yīng)（2）受氧在海水中擴(kuò)散的影響，反應(yīng)比較慢，因此腐蝕速度取決于氧的擴(kuò)散速度。氧的擴(kuò)散速度取決于管壁和海水之間的氧濃度梯度，由于氧擴(kuò)散速度較慢，可假設(shè)氧一達(dá)到管壁表面就立刻發(fā)生反應(yīng)消耗掉，即管壁處氧的濃度為0，因此管壁附近海水的氧濃度分布就在一定程度上代表了腐蝕速度。另外，管路中流動(dòng)的海水對(duì)管壁有一定的剪切作用，剪切力會(huì)加快海水腐蝕速度。

海水在管路中流動(dòng)，管路的腐蝕速度［6］為：

式中：M為銅的原子量；U為管內(nèi)流體的平均流速，m/s；CS為壁面第一節(jié)點(diǎn)處的氧濃度，mol/m3；CW為壁面處的氧濃度，mol/m3；rs+為壁面第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的徑向無量綱位置，取100；ks為壁面第一個(gè)節(jié)點(diǎn)處湍動(dòng)能，m2/s2；k1為常數(shù)，取0.4；E為常數(shù)，為管壁第一個(gè)節(jié)點(diǎn)處剪應(yīng)力，Pa；ww為管壁處切應(yīng)力，Pa；ρ為流體密度，kg/m3；d為管道直徑，mm。

可見，腐蝕速度與壁面剪切力、氧濃度有關(guān)。

1.3 仿真模型的建立

1.3.1 流體幾何模型

以某發(fā)電機(jī)組海水冷卻管系建立典型海水管系的仿真模型，見圖1。

圖1 典型海水管系仿真模型

為提高計(jì)算效率又要控制計(jì)算誤差，先進(jìn)行較為稀疏網(wǎng)格化的計(jì)算，大致確定管道沖刷腐蝕的嚴(yán)重部位，然后對(duì)這些關(guān)鍵部位重新進(jìn)行較密的網(wǎng)格劃分進(jìn)行更精密的仿真計(jì)算。

1.3.2 邊界條件設(shè)置

海水在管道中流動(dòng)的時(shí)候，同管壁接觸的海水由于受管壁作用處于層流狀態(tài)，而遠(yuǎn)離管壁的海水為湍流狀態(tài)。海水在管道中流動(dòng)時(shí)，從入口流入，從出口流出，同時(shí)還同管壁相接觸，形成流動(dòng)層、滯留層，流速依次遞減。不同流層的存在，對(duì)電化學(xué)腐蝕中陰極的氧去極化過程起著至關(guān)重要的作用。因此，根據(jù)不同的流動(dòng)情況，流體幾何模型表面被劃分為不同的邊界，并賦予不同的邊界條件。

流體邊界條件設(shè)置：

（1）設(shè)置湍流模型：設(shè)置為不可壓縮流體、模型；

（2）設(shè)置流體屬性：包括流體所在區(qū)域、流體密度、粘度等；

（3）設(shè)置進(jìn)出口速度邊界條件；

（4）設(shè)置體積力。

稀溶液組份輸運(yùn)設(shè)置：

（1）設(shè)置輸運(yùn)方式：主要以對(duì)流為主，但在滯留層內(nèi)以擴(kuò)散為主，對(duì)氧的輸運(yùn)暫不考慮電遷移。

（2）設(shè)置對(duì)流和擴(kuò)散參數(shù)。

入口和出口濃度參數(shù)設(shè)置：入口處氧濃度為水中的最大溶解量；出口不用設(shè)置。

流體場(chǎng)設(shè)置：選擇多場(chǎng)耦合模型，包括湍流模塊和稀溶液組份輸運(yùn)模塊。

求解器設(shè)置：選擇穩(wěn)態(tài)求解計(jì)算。

1.4 仿真模型的計(jì)算

以海水入口速度3 m/s為計(jì)算案例，仿真結(jié)果見圖2 -圖6。

圖2 彎管部位速度分布（最大值3.97 m/s）

由圖2 -圖6可見：氧的濃度分布和剪應(yīng)力在彎管處的分布差別較為明顯，彎管往往是腐蝕較快的地方，其使用壽命決定了整個(gè)管系的壽命；入口處氧的濃度最低，管道下游側(cè)面偏內(nèi)彎處氧的濃度最高，而肘部?jī)?nèi)彎處出現(xiàn)了氧濃度低值區(qū)，即形成了氧濃度差。

圖3 彎管部位流線分布

圖4 彎管部位壓力分布

圖5 彎管部位氧濃度分布

圖6 彎管部位腐蝕速度云圖

以管彎曲半徑R/D= 0.75為例，不同流速下彎管典型位置的腐蝕速度進(jìn)行仿真，典型部位選取如圖7所示；取6個(gè)不同的典型位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)對(duì)比，見表1。

圖7 彎管典型部位選取

表1 彎管典型部位隨流速的腐蝕速度計(jì)算

2 B10海水管防腐優(yōu)化

2.1 彎管彎曲曲率優(yōu)化

海水流速3 m/s時(shí)，不同彎曲曲率條件下最大腐蝕速度見表2。

表2 彎管不同彎曲曲率下的腐蝕速度

由表2可知：彎管彎曲曲率增大，有助于減緩海水沖擊，降低湍流強(qiáng)度，能減緩氧濃度分布不均的現(xiàn)象，但是隨著彎曲曲率的增加，其減緩腐蝕速度的優(yōu)勢(shì)將降低。因此在實(shí)船管路放樣時(shí)，應(yīng)采用相對(duì)偏大的彎曲曲率。

2.2 采用鋼質(zhì)直管段與B10管偶接以保護(hù)腐蝕嚴(yán)重部位

B10海水管內(nèi)各部位氧濃度分布不均，造成氧的平衡電位差異，存在氧濃度差腐蝕。為消除氧濃差造成的局部腐蝕，在彎管入口端設(shè)置一段易于更換的鋼制管路以改進(jìn)原設(shè)計(jì)，見圖8 -圖9。

圖8 彎管改進(jìn)后氧濃度分布

圖9 管道改進(jìn)后腐蝕電位分布圖

從圖8 -圖9可看出：與圖5相比，在彎頭上游部位安裝鋼質(zhì)直管段后，氧濃度峰值明顯下降，且分布更均勻；鋼質(zhì)直管段處電位較高，明顯消除B10彎頭處氧濃差造成的腐蝕電位不均的現(xiàn)象，有效抑制彎頭部位的嚴(yán)重局部腐蝕現(xiàn)象，形成犧牲陽極的陰極保護(hù)“裝置”，從而延長(zhǎng)B10海水管的壽命。

2.3 B10管與設(shè)備鋼質(zhì)部件交互作用優(yōu)化

目前，船用海水管系絕大多數(shù)采用B10管，但一些設(shè)備的部件不可避免要采用鋼質(zhì)或其他異種金屬材質(zhì)。雖然在連接部位采用了高絕緣法蘭墊片，但事實(shí)上收效甚微。B10自身腐蝕產(chǎn)生的Cu2+會(huì)在下游的異種金屬表面發(fā)生置換反應(yīng)而沉積下來，形成大量的微腐蝕電池。參照第2.2節(jié)優(yōu)化方法，仿真得到如下規(guī)律：在設(shè)備海水入口端設(shè)置便于更換的3～5 m長(zhǎng)的鋼質(zhì)直管段，便可將上游來的Cu2+“過濾”掉，從而延長(zhǎng)設(shè)備壽命。

考慮到艦船設(shè)計(jì)空間有限，設(shè)備前安裝3～5 m長(zhǎng)的鋼制管不利于初期施工及后期保養(yǎng)維護(hù)和修理等，若采用尺寸比較短的波紋鋼管來替代3～5 m長(zhǎng)的鋼制直管，就可有效節(jié)省空間，如圖10所示。

圖10 鋼制波紋管示意圖

經(jīng)仿真計(jì)算，短鋼制波紋管對(duì)Cu2+的“過濾”效果較為明顯，Cu2+濃度呈周期性下降，并使B10管海水腐蝕的速度下降。其原因在于：

（1） 雖然鋼質(zhì)波紋管尺寸大幅縮減，但內(nèi)壁波紋使其有效內(nèi)表面積顯著增加；

（2） 與直管相比，內(nèi)壁波紋的存在使內(nèi)壁表面形成大量渦流，從而產(chǎn)生大量微射流和沖擊波，將內(nèi)壁上置換出來的鋼微粒及時(shí)剝離，讓其經(jīng)常保持“新鮮”的鋼鐵表面，保持置換活性，達(dá)到小尺寸高效“過濾”Cu2+的目的。

由此可見，在空間有限的場(chǎng)合，可使用長(zhǎng)度短小且易于更換的鋼質(zhì)波紋管來取代尺寸較長(zhǎng)的直鋼管，從而達(dá)到減緩設(shè)備內(nèi)部腐蝕，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命的目的。

3 結(jié) 語

本文針對(duì)船用B10海水管系防腐研究需要，建立了基于COMSOL的典型海水管系腐蝕仿真分析模型；并從彎頭彎曲曲率，彎頭入口段改為鋼質(zhì)短管，設(shè)備前加裝鋼質(zhì)波紋管等方面進(jìn)行防腐優(yōu)化。主要結(jié)論如下：

（1） 海水管系彎管處氧濃度分布和剪應(yīng)力分布差別較大，導(dǎo)致彎管腐蝕較快，其使用壽命決定了整個(gè)管系的壽命；管道下游側(cè)面偏內(nèi)彎處氧的濃度最高，而肘部?jī)?nèi)彎處出現(xiàn)了氧濃度低值區(qū)，形成局部氧濃度差電池，加劇了管道肘部偏下游的部位的腐蝕速度；隨著入口流速增加，各典型部位的腐蝕速度進(jìn)一步加劇。

（2） 彎管部位彎曲曲率增大，減緩了流體對(duì)管壁的沖刷作用和氧濃度分布不均的現(xiàn)象，但是隨著彎曲曲率的增加，減緩腐蝕速度的優(yōu)勢(shì)將降低。

（3） 在彎管上游部位安裝鋼質(zhì)直管段后，明顯降低了氧濃度峰值，且氧濃度分布更均勻，改善了B10彎管處氧濃差形成的局部腐蝕現(xiàn)象，延長(zhǎng)了B10海水管的壽命。

（4） 在空間有限的場(chǎng)合，可用鋼制波紋管取代尺寸較長(zhǎng)的直鋼管，內(nèi)壁波紋產(chǎn)生的微射流和沖擊波能保持鋼鐵表面同Cu2+置換的活性。