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        艦船海水管路系統(tǒng)電偶腐蝕控制技術(shù)

        2020-10-29 08:05:20羅雯軍蔡淑艷
        艦船科學(xué)技術(shù) 2020年8期

        羅雯軍,彭 戈,蔡淑艷

        (中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心,上海201108)

        0 引 言

        海水管路系統(tǒng)遍布全船,包括各種管路、泵、閥、冷卻設(shè)備及其他附屬設(shè)備,承擔(dān)著主/輔機(jī)和其他動(dòng)力、機(jī)電、空調(diào)等系統(tǒng)的冷卻以及艦船消防、海水淡化等任務(wù),是維持艦船正常運(yùn)行的重要組成部分。鑒于海水管路系統(tǒng)組成及材料的復(fù)雜多樣性,其腐蝕控制也是海軍艦船維護(hù)的重點(diǎn)所在。20世紀(jì)70年代,美國(guó)、歐洲、俄羅斯等國(guó)外海軍艦船海水管路系統(tǒng)主干材料開(kāi)始逐步由紫銅向耐腐蝕性能更好的銅鎳合金材料過(guò)渡。20世紀(jì)90年代后,隨著鎳基合金和鈦合金管路加工、焊接技術(shù)水平的提升以及成本的下降,具有良好耐蝕性、耐沖刷性的鎳基合金和鈦合金材料開(kāi)始逐步在美國(guó)海軍艦船上獲得大量應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)后,耐腐蝕性更高的鈦及鈦合金材料在海水管路系統(tǒng)中更是得到了大量應(yīng)用。

        從總體趨勢(shì)來(lái)看,管路材料向耐海水腐蝕性能尤其是耐沖刷腐蝕性能越來(lái)越高的方向發(fā)展,但鑒于成型焊接工藝等問(wèn)題,泵、閥、設(shè)備等附件材料仍大量使用鑄造青銅合金,導(dǎo)致高電位管路與低電位附件之間的電偶腐蝕等腐蝕風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)提高。由此,從20世紀(jì)90年代,美國(guó)等國(guó)外海軍開(kāi)始逐步將海水管路系統(tǒng)腐蝕控制的研究重心轉(zhuǎn)入電偶腐蝕等方面[1–3]。

        1 電偶腐蝕控制技術(shù)研究重點(diǎn)

        電偶腐蝕驅(qū)動(dòng)力是2種或更多金屬或合金之間在傳導(dǎo)介質(zhì)中電位不同,形成陰陽(yáng)極間的電偶電流。2種或多種異種金屬電偶腐蝕程度影響因素包括:陰陽(yáng)極面積比、溶液電導(dǎo)率、離子遷移速率、溶液流動(dòng)特征、溫度、部件幾何形狀、鈍化膜穩(wěn)定性、金屬間電位差、溶液氧含量、陰極效能或合金的極化特征等。

        浸入到既定電解液中和到達(dá)穩(wěn)態(tài)的金屬或合金有不同的電位。當(dāng)2種不同合金被連接在一起時(shí),更負(fù)電位的合金發(fā)生陽(yáng)極溶解。陽(yáng)極氧化過(guò)程導(dǎo)致過(guò)量電子通過(guò)金屬流動(dòng)到更正電位的合金表面上,并通過(guò)陰極反應(yīng)被消耗,在海水中通常是氧的還原。電位序是不同合金和金屬在特征既定電解液條件下腐蝕電位的列表(見(jiàn)圖1)。它可預(yù)測(cè)電偶腐蝕趨勢(shì),并作為潛在的電偶腐蝕驅(qū)動(dòng)力,當(dāng)2種或多種合金被連接在相同回路中時(shí),電位序可有效地預(yù)測(cè)哪種金屬或合金將是陽(yáng)極或陰極。

        圖1 海水管路系統(tǒng)材料體系在靜態(tài)海水中的電位序Fig.1 Potential of seawater piping system materials in still seawater

        減緩電偶腐蝕的基本思路包括:1)盡量選擇電位差接近的材料;2)改變環(huán)境介質(zhì);3)隔斷電連接的傳導(dǎo)路徑;4)設(shè)計(jì)中盡量將異種金屬的連接縫隙做到最小化,并考慮更合理的幾何形狀和陰陽(yáng)極面積比;5)通過(guò)涂層或陰極保護(hù)改變電偶對(duì)的陰極或陽(yáng)極反應(yīng)。

        同時(shí),管路系統(tǒng)的電偶腐蝕控制必須考慮如下5個(gè)問(wèn)題。一是由于不同金屬的綜合耐腐蝕性或力學(xué)性能不匹配性,使用替代合金的選擇通常是不現(xiàn)實(shí)的;二是通過(guò)添加緩蝕劑或除去海水中的氧,改變影響電偶電流回路的環(huán)境也是不現(xiàn)實(shí)的,因?yàn)樗鼈兂3P枰B續(xù)應(yīng)用導(dǎo)致較高的運(yùn)行成本;三是通過(guò)電絕緣阻斷可能存在的導(dǎo)電路徑是有效的;四是應(yīng)避免2種電位序相距甚遠(yuǎn)的異種金屬直接接觸,并保證陰極和陽(yáng)極總電流相等;五是通過(guò)對(duì)陰極施加絕緣涂層可有效提升有利的陰陽(yáng)極面積比(小陰極大陽(yáng)極),通過(guò)更小陰極面積產(chǎn)生的陰極電流被傳播在更大的陽(yáng)極面積上;陽(yáng)極絕緣涂層應(yīng)避免漏涂而導(dǎo)致小陽(yáng)極大陰極這種不良的陰陽(yáng)極面積比。含硫化物海水中會(huì)導(dǎo)致電偶對(duì)發(fā)生反轉(zhuǎn),同時(shí)未形成偶對(duì)的銅鎳合金在含硫化物的流動(dòng)海水中也會(huì)發(fā)生加速腐蝕[4–5]。

        2 電偶腐蝕控制技術(shù)陸上試驗(yàn)裝置考核

        從20世紀(jì)90年代末開(kāi)始,美國(guó)海軍研究局、海軍研究實(shí)驗(yàn)室等研究機(jī)構(gòu)對(duì)于鈦、鎳基合金管路對(duì)B30等銅鎳合金管路帶來(lái)的電偶腐蝕風(fēng)險(xiǎn)及電偶腐蝕控制技術(shù)進(jìn)行了長(zhǎng)期評(píng)估和考核試驗(yàn)研究。通過(guò)在賓夕法尼亞州的LaQue腐蝕科學(xué)研究中心等地搭建管路系統(tǒng)陸上模擬試驗(yàn)裝置,對(duì)TA2工業(yè)純鈦、625鎳基合金等陰極管路與B30銅鎳合金形成偶對(duì)時(shí)的3類(lèi)電偶腐蝕控制技術(shù)進(jìn)行了系列考核評(píng)估[6–7]。主要包括:

        1)在陰、陽(yáng)極管路之間施加PVC絕緣管段。此前,美國(guó)海軍在銅鎳合金與異種金屬連接部位曾加裝犧牲陽(yáng)極管段(如鋼質(zhì)管段),然而由于腐蝕較快需不斷更換,造成維護(hù)成本增加,因此后來(lái)逐步考慮加裝絕緣管段的方法。為此,海軍研究實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了在625/B30合金中間加裝PVC絕緣管段技術(shù)的電絕緣性能的試驗(yàn)。

        2)對(duì)TA2,625合金管路施加石灰石涂層、聚氨酯涂層及陽(yáng)極氧化涂層等3類(lèi)絕緣涂層抑制陰極反應(yīng)。其中,石灰石涂層是以鈦合金管路為陰極,鋅電極為陽(yáng)極,通過(guò)電沉積的方式使鈦合金在慢速流動(dòng)(<0.3m/s)天然海水中逐步形成石灰石(碳酸鈣)沉積物涂層。

        3)使用雙電極反向電流補(bǔ)償裝置(Bi-electrode Device,BED),對(duì)偶對(duì)中的陽(yáng)極管路施加陰極保護(hù)(見(jiàn)圖2)。

        圖2 雙電極反向電流補(bǔ)償裝置原理圖Fig.2 Schematic diagram of bi-electrode reverse current compensation device

        異種金屬管路在海水中形成電連接時(shí),由于電位差的存在可引起電偶電流流動(dòng),為完成電偶回路和維持電中性,管路內(nèi)的海水必須流經(jīng)等量的離子電流。這樣,小電阻海水的流動(dòng)就可導(dǎo)致陽(yáng)極和陰極管段之間存在歐姆降,亦即電位梯度。雙電極反向電流補(bǔ)償裝置其原理是在鈦合金和B30管路之間加裝一對(duì)環(huán)形鍍鉑鈦電極,在電極上施加與電偶腐蝕電位降相反的電壓,使之形成與腐蝕電流方向相反的補(bǔ)償電流,并保持耦合電流低于5μA,以抵消異種金屬電位差,并使2種金屬的腐蝕電位維持在自身的自腐蝕電位附近。雙電極反向電流補(bǔ)償裝置最初是將2個(gè)100mm寬的鍍鉑環(huán)間隔嵌入長(zhǎng)度為250mm,DN50的PVC管段中。該裝置具有陰極保護(hù)和電流補(bǔ)償2種模式。雙電極反向電流補(bǔ)償裝置的優(yōu)勢(shì)是:1)不需要陽(yáng)陰極管段間的機(jī)械隔離或物理隔離進(jìn)行電絕緣;2)不會(huì)輸送電流到陽(yáng)極或陰極管段,因此不存在保護(hù)面積限制;3)不要求對(duì)陽(yáng)極或陰極管段本身的電連接。其不足之處一是必須置于陽(yáng)極和陰極管段之間,并需要外部電源供應(yīng);二是如果與后續(xù)裝置連接起來(lái)(如陰極保護(hù)系統(tǒng))或如果操作太高電流,將引起管路腐蝕。

        該陸上試驗(yàn)裝置(見(jiàn)圖3)每種金屬管段規(guī)格均為 DN50×3000mm。B30 銅鎳合金管選用 MIL-T-16420KΙ類(lèi)無(wú)縫管,鈦管選用 ASTM B-337TA2 無(wú)縫管,625合金管選用ASTM B705-82II級(jí)焊接管。海水總管是DN150的PVC管,共包含12支回路,每個(gè)回路支管通過(guò)DN100的PVC三通和DN50的PVC球閥與總管并聯(lián)。每個(gè)支路出口安裝轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制海水流速為1.8m/s。海水溫度范圍為7~28℃。12個(gè)支管中前6個(gè)支管的異種金屬管路電絕緣采用DN50×6mm的PVC管,以便于零阻電流計(jì)(ZRA)檢測(cè)電絕緣狀態(tài)。其他6個(gè)支路異種金屬管段采用DN50×250mm的PVC管進(jìn)行電絕緣,或安裝相同長(zhǎng)度的雙電極補(bǔ)償裝置。

        3 結(jié) 語(yǔ)

        通過(guò)電偶腐蝕控制技術(shù)陸上試驗(yàn),美國(guó)海軍主要獲得了如下結(jié)論[8]:

        圖3 海水管路系統(tǒng)陸上試驗(yàn)裝置Fig.3 Onshore test device for seawater pipeline system

        1)大部分B30銅鎳合金管路的電偶腐蝕缺陷多發(fā)生于距離海水入口端300~450mm以?xún)?nèi),鈦、鎳基合金等與銅鎳合金管路形成電偶對(duì)時(shí),電偶腐蝕特性的轉(zhuǎn)變拐點(diǎn)一般處于距離海水入口端250mm部位。

        2)電絕緣涂層是最為有效的電偶腐蝕控制技術(shù),可使異種金屬間電偶電流降低95%~99%。所驗(yàn)證的3種鈦合金管路電絕緣涂層性能排序依次是:陽(yáng)極氧化涂層>聚氨酯涂層>石灰石涂層。

        3)雙電極反向電流補(bǔ)償裝置對(duì)于電偶腐蝕控制具有良好的可行性,而且由于管路中電流的存在,還使鈦合金管路中的海生物污損生長(zhǎng)困難。然而,由于雙電極施加的電流需要依靠智能調(diào)節(jié)設(shè)備,并且通常會(huì)超過(guò)所需電流,易導(dǎo)致類(lèi)似于陰極保護(hù)電流過(guò)大引起的腐蝕加速,由于目前技術(shù)尚未成熟而限制了其實(shí)船應(yīng)用。

        4)在異種金屬管路間施加PVC等電絕緣管段是最易實(shí)施的電偶腐蝕控制技術(shù),250mm長(zhǎng)的PVC絕緣管段可使電偶電流降低20%~50%,但受設(shè)計(jì)、艙內(nèi)施工空間等因素限制,加裝電絕緣管段往往受到一定限制。

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