曾凡其，李子清，華小軍

(1.海軍92823部隊(duì)，海南 三亞 572021;2.海軍91367部隊(duì)，海南 海口 570311)

0 前言

船舶上有多種海水管路系統(tǒng)，如消防系統(tǒng)、疏排水系統(tǒng)、艙底水系統(tǒng)、生活污水系統(tǒng)及各種海水冷卻系統(tǒng)等。海水管路的流速一般較高，常對管路造成湍流腐蝕、沖蝕及空泡腐蝕。

上世紀(jì)90年代后期，我國新造船舶的海水管路開始使用HDR雙相不銹鋼材料。應(yīng)用初期，由于配套材料不完善 (如沒有配套的雙相不銹鋼專用焊條、管附件、法蘭等)，維修廠對HDR雙相不銹鋼的使用及施工工藝掌握不熟練，致使海水管路系統(tǒng)中的連接法蘭和彎管焊接處易出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕泄漏，而管路中HDR材料本身并沒有腐蝕。管路系統(tǒng)的腐蝕嚴(yán)重影響了船舶的正常使用，許多維修廠對HDR不銹鋼材料仍然較陌生，對腐蝕的原因不清楚，缺乏相關(guān)的焊接經(jīng)驗(yàn)，給維修帶來了很大困難。

目前，我國在船舶防腐蝕技術(shù)方面已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，從設(shè)計(jì)、建造上已經(jīng)有了防腐蝕技術(shù)措施和要求，HDR雙相不銹鋼管材的配套已基本完善。采用正確的焊接加工工藝及先進(jìn)的防止異種金屬接觸腐蝕措施是完全可以解決HDR雙相不銹鋼海水系統(tǒng)的腐蝕問題。

本文主要深入地研究HDR雙相不銹鋼與其它金屬材料的電偶腐蝕特性及解決電偶腐蝕的技術(shù)，使部隊(duì)及工廠掌握HDR雙相不銹鋼管路系統(tǒng)的維修技術(shù)，保障船舶的正常運(yùn)行。

1 HDR雙相不銹鋼成分組織及耐蝕性研究

1.1 HDR雙相不銹鋼的成分和金相組織觀察

HDR雙相不銹鋼與紫銅、白銅及一般不銹鋼的化學(xué)成分如表1所示。

從HDR雙相不銹鋼板材的金相組織觀察可知，雙相不銹鋼中夾雜物主要呈球形 (角塊狀，顆粒狀)，夾雜物量較少，且較細(xì)小。一般來說，管材和板材均為鐵素體和奧氏體的雙相組織，在其鐵素體和奧氏體的含量相差不大時(shí)，它的耐蝕性最好。實(shí)際應(yīng)用中的雙相不銹鋼應(yīng)嚴(yán)格控制其成分和熱處理制度，使材料中鐵素體和奧氏體的含量比符合要求是很關(guān)鍵的。焊接對材料的組織影響較大，未經(jīng)固溶處理的其組織形態(tài)基本上為鑄態(tài)結(jié)晶組織。經(jīng)金相分析其組織也為鐵素體和奧氏體。

表1 海水管路系統(tǒng)常用材料化學(xué)成分 wt%

1.2 HDR雙相不銹鋼及管路系統(tǒng)常用材料的自腐蝕電位測定

1)試驗(yàn)材料。

HDR雙相不銹鋼鋼板及焊縫材料，HDR雙相不銹鋼管材，1Cr18Ni9Ti板材及 B10、B30、A3、TUP管、鎳鋁青銅、鋁黃銅等。

2)試驗(yàn)方法。

將試驗(yàn)材料按金相樣品要求加工成試樣，用石蠟涂封非工作面后，在人工海水中浸泡，試驗(yàn)溫度為室溫。試驗(yàn)時(shí)間為120 d，在第一天每小時(shí)測量一次電位，以后每12 h測量一次。參比電極為飽和甘汞電極，測量儀器為VC98數(shù)字式萬用電表。

3)試驗(yàn)結(jié)果。

HDR板材及焊縫自腐蝕電位隨時(shí)間的變化關(guān)系與管材基本相同。雙相不銹鋼電位在7 d左右達(dá)到穩(wěn)定，且穩(wěn)定自腐蝕電位變化較小。而銅合金材料在海水中的電位存在較大漂移，其電位很難穩(wěn)定，電位較穩(wěn)定的時(shí)間都在60 d以后，且電位穩(wěn)定后存在30～40 mV的電位漂移，試驗(yàn)監(jiān)測的穩(wěn)定自腐蝕電位從高到低的電位序列為:HDR管材、板材→HDR焊縫→鎳鋁青銅、B30→鋁黃銅→紫銅→B10、鋁青銅→錫青銅→A3鋼。如表2所示。

表2 不同材料在人造海水中的穩(wěn)定電位和時(shí)間

1.3 HDR雙相不銹鋼與其它金屬之間的電偶腐蝕特性

1)試驗(yàn)方法。

試驗(yàn)采用HDR雙相不銹鋼和其他幾種材料偶接的方式，面積比為1∶1和5∶1，各種材料的試驗(yàn)面積均為6 cm2，試驗(yàn)溶液為人造海水，溶液量5 L，各電價(jià)對分別在不同的容器中進(jìn)行測試，溫度為室溫，每周更新溶液一次，并用電偶腐蝕計(jì)測量電偶電流和電位。試驗(yàn)共進(jìn)行了85 d。

2)試驗(yàn)結(jié)果。

各電偶對的平均電偶電流如表3和表4所示。

表3 各電偶對的平均電偶電流

表4 HDR和B10與其他金屬材料偶合平均電流密度

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，HDR雙相不銹鋼與各種材料偶接都會加速其他材料的腐蝕，其中以碳鋼腐蝕最為劇烈，而銅合金的腐蝕速度相對較小，且相差不大。從HDR雙相不銹鋼和B10與兩種船舶用鋼的電偶腐蝕結(jié)果可以看出，偶接都加速了陽極相的腐蝕，陰陽極面積比越大，電偶效應(yīng)越大，無論陰陽極面積比是1∶1還是5∶1，B10和船體材料偶接時(shí)的電偶電流都大于HDR雙相不銹鋼和船體材料偶接時(shí)的電偶電流。

不同材料溶液中形成電偶效應(yīng)時(shí)，其電偶電流的大小，不僅與偶接材料之間的電位差有關(guān)，還與材料的表面狀態(tài)和溶液的電導(dǎo)率有關(guān)。電位差是形成電偶腐蝕的熱力學(xué)條件，當(dāng)溶液的電導(dǎo)率相同時(shí)，材料的表面狀態(tài)對電偶電流的影響就較大，一般說來，形成電偶效應(yīng)時(shí)，陽極發(fā)生的是金屬的溶解反應(yīng)，陰極發(fā)生的是氧的去極化反應(yīng)。由于HDR雙相不銹鋼在海水中很容易鈍化，其表面的鈍化膜較厚，因此表面的氧去極化反應(yīng)較弱，從而導(dǎo)致整個(gè)電偶電流較小。這正是銅合金的電偶電流比HDR雙相不銹鋼大的主要原因。

1.4 HDR雙相不銹鋼的點(diǎn)蝕性能研究

1)試驗(yàn)方法。

試驗(yàn)材料有HDR雙相不銹鋼板材、HDR雙相不銹鋼焊縫材料和1Cr18Ni9Ti。試樣用環(huán)氧樹脂封裝，封裝前用60℃30%硝酸鈍化2 h;試樣工作面積1 cm2。試樣用水磨砂紙磨至1 500#。試驗(yàn)溶液為3%NaCl，試驗(yàn)溫度為 (30±1)℃和 (50±1)℃，采用動(dòng)電位掃描的方法，掃描速度20 mV/min，試驗(yàn)前電解池通氫30 min除氧。

2)試驗(yàn)結(jié)果。

由陽極極化曲線 (圖略)可以確定各材料的點(diǎn)蝕電位，結(jié)果如表5所示。

表5 2種不銹鋼材料的點(diǎn)蝕電位測量結(jié)果

由表5知，溫度由30℃升高至50℃時(shí)，雙相不銹鋼的點(diǎn)蝕電位值發(fā)生了陡降，說明溫度對HDR雙相鋼的點(diǎn)蝕誘發(fā)敏感性有較大影響，而對奧氏體不銹鋼 (1Cr18Ni9Ti)的點(diǎn)蝕電位影響不大。

2 HDR不銹鋼使用與維修中電絕緣措施研究

2.1 海水管系中的電偶腐蝕問題

1)海水管系中的常見結(jié)構(gòu)。

在以HDR為主要海水系統(tǒng)材料的管系中，除了載荷流水的管子外，還有各種結(jié)構(gòu)或附件，如:①聯(lián)結(jié)管段的法蘭;②驅(qū)動(dòng)海水流動(dòng)的泵;③控制海水流通的各種閥;④過濾海水的粗濾器;⑤測定海水壓力的測壓表;⑥海水冷卻系統(tǒng)中的冷卻器;⑦空調(diào)冷卻系統(tǒng)中的冷凝器。

2)海水管系結(jié)構(gòu)中主要使用的金屬材料。

①B10(白銅，銅鎳合金，含鎳10%);②鋁青銅，鎳鋁青銅，錫青銅 (主要是銅錫合金)，海軍黃銅;③馬氏體不銹鋼，奧氏體不銹鋼，碳鋼，鑄鐵。

大量的實(shí)船調(diào)研及管材之間的腐蝕特性試驗(yàn)已經(jīng)表明，HDR雙相不銹鋼與這些材料發(fā)生電連接時(shí)，由于HDR不銹鋼的電位較正，HDR不銹鋼與其它材料之間會形成腐蝕電偶，HDR鋼為陰極，其它材料為陽極。尤其是HDR鋼與碳鋼、鑄鐵、黃銅等材料之間的電位相差較大，會發(fā)生強(qiáng)烈的電偶作用，使后者發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕。如HDR不銹鋼管子上的碳鋼法蘭，閥門中的鑄鐵，黃銅部件都易發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕。

2.2 海水管系中防止電偶腐蝕的措施

由于船舶上使用的HDR不銹鋼的海水管路不可避免地要與不同金屬制件連接，如碳鋼法蘭、其它金屬制造的閥、泵、壓力表頭等，從而出現(xiàn)了電偶腐蝕問題。

解決HDR不銹鋼海水系統(tǒng)的腐蝕，最關(guān)鍵的技術(shù)就是將HDR不銹鋼管與其它金屬制造的附件之間進(jìn)行有效的、完全的電絕緣隔離。管子與其它附件的連接方式，多以法蘭連接為主，也有其它方式的連接。

1)異種金屬法蘭連接的電絕緣設(shè)計(jì)。

海軍裝備部最新頒布的《船舶防腐防漏系列技術(shù)要求之十六——船舶海水管系電絕緣技術(shù)要求》，對海水管系防止異種金屬接觸腐蝕提出了明確的要求，此外，國外船舶也有較先進(jìn)的防止異種金屬接觸腐蝕的方法。借鑒這些規(guī)范及技術(shù)，結(jié)合HDR不銹鋼的特點(diǎn)，本文對修理中異種金屬法蘭連接的電絕緣結(jié)構(gòu)提出以下設(shè)計(jì)要求。

當(dāng)HDR不銹鋼與其它金屬制造的附件進(jìn)行法蘭連接時(shí)，應(yīng)采用絕緣套筒和絕緣墊片使HDR鋼管法蘭與其它材質(zhì)法蘭絕緣。

由于各種海水系統(tǒng)分布于全船，各管系要穿過多個(gè)艙室，其中有些艙室有空調(diào)，濕度小，可以采用上述結(jié)構(gòu)。有些艙室濕度較大，會導(dǎo)致海水管系表面及法蘭的表面結(jié)露;有些艙室底部常有積水，當(dāng)海水管路從艙底穿過時(shí)，管路可能浸入積水中;其它泵、閥泄漏的水可能滴在異種金屬接觸的法蘭表面，從而導(dǎo)致絕緣法蘭的銅測量片與HDR鋼之間，或銅測量片與其它材質(zhì)之間的電偶腐蝕。積水也會導(dǎo)致縫隙腐蝕，因此在濕度大的艙室，或通過易積水艙底的管路，它們的絕緣法蘭建議不添加銅測量片，以免引起電偶腐蝕或縫隙腐蝕。

2)避免電偶腐蝕管路的其它絕緣措施。

海水管系在全船鋪設(shè)時(shí)，需要大量的吊、支架，這些吊、支架一般焊在船體鋼結(jié)構(gòu)上。如果管子與吊、支架間沒有絕緣，則法蘭絕緣的兩側(cè)異種金屬仍可通過吊、支架發(fā)生導(dǎo)電連接，電偶腐蝕仍不能避免。

因此，在HDR管系的維修中，海水管系與所有固定用吊、支架之間必須進(jìn)行電絕緣。采用專用的電絕緣吊、支架，也可襯橡膠墊，吊、支架卡環(huán)與管路外壁之間所墊橡膠墊的總厚度必須大于12 mm。橡膠墊材料的邵氏硬度為55～65。

3 電絕緣狀態(tài)的監(jiān)測

經(jīng)過電絕緣措施處理的HDR雙相不銹鋼管系，應(yīng)對絕緣法蘭進(jìn)行電絕緣檢查。

1)管系干燥狀態(tài)的測量方法。

在管系組裝完畢并處于干燥狀態(tài)時(shí)，用500 V兆歐表或?qū)Ｓ脙x表，采用“電阻”法對各絕緣部位進(jìn)行測量以確定絕緣的可靠性，測量方法見圖1所示，分別測量點(diǎn)1－2、1－3、2－3間的電阻。

圖1 管系干燥時(shí)電絕緣狀態(tài)測量法

當(dāng)發(fā)現(xiàn)某一絕緣法蘭絕緣失效，兩側(cè)不同金屬出現(xiàn)短路，或電阻很小，此時(shí)可進(jìn)一步檢查法蘭中短路發(fā)生的具體部位，即用兆歐表檢查法蘭盤上每一個(gè)螺栓的絕緣情況。如果有某個(gè)螺栓電阻很小，說明該螺栓絕緣失效;如果所有的螺栓絕緣都很好，那么就有可能是法蘭盤間的絕緣失效。

2)管內(nèi)有海水或潮濕狀態(tài)時(shí)的絕緣測量。

當(dāng)管內(nèi)充滿海水，或者管內(nèi)相當(dāng)潮濕時(shí)，絕緣法蘭的兩側(cè)金屬通過海水導(dǎo)電，此時(shí)絕緣法蘭兩側(cè)金屬之間的電阻將很小，用電阻法不能確定絕緣效果。此時(shí)，可將絕緣法蘭兩側(cè)金屬看成是浸在海水電解質(zhì)中的兩個(gè)電極，如果絕緣法蘭的絕緣效果好，則相當(dāng)于兩電極之間是開路狀態(tài)，兩電極之間的電位差就是兩金屬在海水中的電位差;如果絕緣法蘭絕緣失效，相當(dāng)于兩側(cè)金屬發(fā)生短路，則兩側(cè)金屬的電位趨于相等，相當(dāng)于電池兩極間短路的情況。此時(shí)可用電壓表測量絕緣情況，如圖2所示。圖2中5、6段為未進(jìn)行電絕緣的管段，其余為進(jìn)行電絕緣的管段。如果被測量的管段3與相鄰的三側(cè)管或附件之間有良好絕緣，則:①管段3與船體之間的電位差應(yīng)等于HDR鋼與船體鋼之間的電位;②管段3與青銅閥之間的電位差應(yīng)等于HDR鋼與青銅閥之間的電位。

圖2 管系有海水時(shí)電絕緣狀態(tài)測量法

圖2中使用電流表也可以測量絕緣情況，如管段3為HDR雙相不銹鋼，當(dāng)絕緣情況良好時(shí)，其電位要比船殼體電位高的多，當(dāng)在管段3與船體之間加一電流表時(shí)，由于兩者之間電位差很大，則流經(jīng)電流表的電偶電流也將很大。如果電流讀數(shù)大于1 mA，則認(rèn)為絕緣滿足要求，如果電流小于1 mA，則可能絕緣情況不好，管段3已經(jīng)與船體之間有一定的電導(dǎo)通。

但是，如果HDR鋼管段與青銅閥之間的絕緣情況好，由于HDR雙相不銹鋼與青銅之間的電位差小，當(dāng)測量管段3與青銅閥之間的電流時(shí)，則所測電流值也將很小。究竟電流以多大為準(zhǔn)，還不好確定。建議，測量絕緣法蘭的每一個(gè)螺栓與兩個(gè)法蘭盤之間的絕緣電阻。

3)電絕緣狀態(tài)判據(jù)。

當(dāng)管系剛剛安裝完畢，在干燥狀態(tài)下進(jìn)行電絕緣測量，如用兆歐表測量電阻值大于0.1 MΩ，則認(rèn)為電絕緣合格，否則為不合格。

在管路工作狀態(tài)或潮濕狀態(tài)，可用安培計(jì)－歐姆計(jì)－伏特計(jì)法進(jìn)行電絕緣檢測，根據(jù)測量的數(shù)據(jù)，按表6判斷電絕緣管接頭絕緣零件是否合格。

4 結(jié)束語

1)HDR雙相鋼材料的耐蝕性相當(dāng)好，在使用中存在嚴(yán)重泄漏，主要原因是艦員和修理廠家對該鋼的認(rèn)識不足，對腐蝕的原理不明，致使管理和修理上都存在問題。

2)對HDR雙相不銹鋼的成分和金相組織分析表明，熱處理制度和成分對鋼中鐵素體和奧氏體的含量有重要影響，進(jìn)而影響鋼的力學(xué)性能和耐蝕性能。

3)HDR雙相不銹鋼與各種材料偶接都會加速其他材料的腐蝕，其中以碳鋼腐蝕最為劇烈，而銅合金的腐蝕速度相對較小，且相差不大。溫度對HDR雙相鋼的點(diǎn)蝕誘發(fā)敏感性有較大影響，而對奧氏體不銹鋼的點(diǎn)蝕電位影響不大。

4)HDR雙相不銹鋼和其他材料連接時(shí)應(yīng)采取可靠的電絕緣措施，并對電絕緣效果檢測和監(jiān)測。

表6 電絕緣零件絕緣效果判據(jù)