信世堡

（海軍裝備項(xiàng)目管理中心，北京 100010）

1 海水管路的腐蝕研究

1.1 銅及銅合金海水管路

銅及銅合金由于具有良好的力學(xué)性能、焊接性能、耐腐蝕性能、換熱系數(shù)及抑制海洋生物附著等性能，被廣泛用于船舶海水管路系統(tǒng)[1-2]。雖然銅及銅合金材料在海水中具有較為優(yōu)異的耐蝕性能，但在流動(dòng)海水苛刻腐蝕環(huán)境中，仍會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕、電偶腐蝕、脫成分腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、縫隙腐蝕、沖刷腐蝕等，其中以流動(dòng)海水電化學(xué)腐蝕和電偶腐蝕最為普遍，造成的腐蝕危害最大[3-6]。當(dāng)流速超過臨界流速時(shí)，管路流動(dòng)海水電化學(xué)腐蝕速率顯著增加，若流體中還含有固體粒子，將極大地加劇沖刷腐蝕，嚴(yán)重威脅管路正常使用。

20世紀(jì)70年代前，海水管路的主要材料為紫銅，設(shè)計(jì)流速為1.2～1.8 m/s，但實(shí)際使用流速經(jīng)常高于設(shè)計(jì)流速，因此，造成很多管路泄漏事故[7]。鑒于B10、B30、鎳鋁青銅等材料優(yōu)異的耐流動(dòng)海水腐蝕性能，目前已逐步取代紫銅成為當(dāng)代艦船海水管路系統(tǒng)的主要材料。海水管路系統(tǒng)彎頭、三通、變徑等形成海水湍流部位、焊接部位、異種金屬電連接部位等腐蝕問題仍然很嚴(yán)重，其允許的設(shè)計(jì)流速仍不能滿足現(xiàn)代船舶高海水流速的要求[8-11]。

對(duì)于銅及銅合金的腐蝕行為及腐蝕機(jī)理，M.舒馬赫在《海水腐蝕手冊(cè)》中詳細(xì)地給出了銅及銅合金海水管路的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)腐蝕數(shù)據(jù)，并列舉了典型海水管路失效事故。近年來，國外對(duì)于海水管路腐蝕的研究主要集中在新型銅合金材料的腐蝕行為、腐蝕機(jī)理以及與其他管路材料偶合后的電偶腐蝕行為研究。如英美等國家開展了大量試驗(yàn)研究銅鎳合金海水管路在不同流速海水中的腐蝕行為以及與其配套的鋁青銅、錫青銅電偶腐蝕行為[12]。1995年美軍水面防務(wù)中心發(fā)布美軍艦船海水管路材料在海水中的極化曲線圖集，介紹了靜態(tài)和流動(dòng)海水試驗(yàn)裝置及方法， 90/10、90/30銅鎳合金、Ni-Al青銅、海軍M青銅在靜止和2.4 m/s流動(dòng)海水中的電化學(xué)極化行為。英國輪機(jī)規(guī)范針對(duì)90/10銅鎳合金海水管路，制定了不同管徑下允許的流速，以此來控制海水管路的腐蝕。Syrett[13]從縫隙腐蝕、點(diǎn)蝕、沖刷腐蝕、硫化物腐蝕、脫成分腐蝕、電偶腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂等方面分析了銅合金等冷凝器管腐蝕破損原因和防護(hù)措施。

近年來，國內(nèi)通過實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)以及實(shí)海環(huán)境試驗(yàn)，開展了大量銅合金海水管系材料流動(dòng)海水環(huán)境適應(yīng)性研究，分析其腐蝕機(jī)理[14]。北京有色金屬研究總院分析了銅合金在海水環(huán)境中的腐蝕規(guī)律和腐蝕的主要影響因素。林樂耘等[15]研究了銅鎳合金在海水中的腐蝕規(guī)律，對(duì)腐蝕產(chǎn)物膜的形成及腐蝕機(jī)理進(jìn)行了分析。韓忠等研究了鋁青銅管道的腐蝕行為，分析了鋁青銅在使用過程中的脫成分腐蝕機(jī)理[16]。吳真光等針對(duì)某船紫銅海水管道的腐蝕泄漏，研究了流速、流態(tài)和時(shí)間等因素對(duì)海水管路腐蝕的影響[17]。

實(shí)船調(diào)研發(fā)現(xiàn)，船舶海水管路的主要損傷失效是由沖刷腐蝕和電偶腐蝕導(dǎo)致的。多家科研院校對(duì)紫銅和 B10銅鎳合金等海水管材在流動(dòng)海水中的沖刷腐蝕行為和電偶腐蝕行為進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。研究結(jié)果表明，紫銅在海水流速大于0.9 m/s時(shí)腐蝕質(zhì)量損失顯著增大；B10銅鎳合金在海水流速大于等于3.6 m/s時(shí)腐蝕質(zhì)量損失顯著增大；B30銅鎳合金在海水流速低于 5 m/s時(shí)耐蝕性能明顯優(yōu)于紫銅和 B10銅鎳合金，但海水流速大于5 m/s時(shí)腐蝕質(zhì)量損失速率顯著增大；B30銅鎳合金與不銹鋼和 TA2鈦合金偶合時(shí)腐蝕速率顯著增大[18-19]。

1.2 鈦合金管路

鈦及其合金表面自然形成一層致密氧化膜，可起到隔絕腐蝕介質(zhì)的作用，因此鈦及其合金具有良好的耐海水腐蝕性。同時(shí)鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，有助于船舶輕量化，極其適合作為船舶海水管路材料，是下一代艦船管路系統(tǒng)首選材料[20]。最近幾年，隨著基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展，鈦合金管路開始被應(yīng)用于船舶海水管路系統(tǒng)，并獲得了良好的使用效果，迄今為止沒有發(fā)生腐蝕泄漏事故[21-22]。

1.3 不銹鋼管路

不銹鋼是指在大氣、水蒸氣、淡水等弱腐蝕介質(zhì)中耐腐蝕或具有不銹性的鋼種。不銹鋼耐蝕的主要原因是其表面能夠形成一層致密的鉻氧化膜，隔絕腐蝕介質(zhì)。常規(guī)不銹鋼在海水中的耐蝕性能較差，特別是對(duì)應(yīng)力腐蝕和縫隙腐蝕非常敏感。其主要原因是海水中含有大量的氯離子，而氯離子通過一系列復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)，能夠?qū)е虏牧媳砻嫜趸g化膜的局部破裂，形成點(diǎn)蝕，因此僅有少量牌號(hào)的不銹鋼材料被應(yīng)用于海水管路系統(tǒng)，如雙相不銹鋼等[23]。

雙相不銹鋼是指鉻、鎳當(dāng)量相圖在 A+F區(qū)內(nèi)的一類不銹鋼，通常含18%～26%鉻和4%～7%鎳，并根據(jù)不同用途分別加入Mn、Mo、Cu、Ti、W、N等合金元素。雙相不銹鋼在海水中具有較好的耐蝕性能，因此在20世紀(jì)90年代末被嘗試應(yīng)用在了部分船舶的海水管路系統(tǒng)中。應(yīng)用結(jié)果表明，雙相不銹鋼管路在管道連接處極易發(fā)生腐蝕，部分管道系統(tǒng)使用不到半年便多處發(fā)生漏水。研究表明，其主要原因是不銹鋼材料極易發(fā)生縫隙腐蝕，不銹鋼鈍化膜在氯離子和沖刷腐蝕的雙重作用下發(fā)生局部失效。

2 海水管路的腐蝕防護(hù)與控制

海水管路的腐蝕防護(hù)方法主要有以下幾種。

1）合理選材。根據(jù)服役環(huán)境合理選材，可有效降低設(shè)備損壞率。

2）合理設(shè)計(jì)設(shè)備結(jié)構(gòu)，在海水管路系統(tǒng)中，沖刷腐蝕、電偶腐蝕、縫隙腐蝕等都是普遍存在的腐蝕行為，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低湍流、實(shí)現(xiàn)管路電絕緣、降低縫隙腐蝕等都能夠提高海水管路的耐蝕性能。

3）電化學(xué)保護(hù)。通過外加電流或犧牲陽極陰極保護(hù)技術(shù)，抑制或者消除管路海水腐蝕。

4）表面改性處理。在管路表面涂鍍耐腐蝕防護(hù)層，使管路表面的抗沖刷和腐蝕性能大幅度提高。

海水管路的材料選用受到技術(shù)發(fā)展和成本的制約，沒有很大的選擇余地?，F(xiàn)有船舶海水管路一般采用以銅合金為主的材料體系，關(guān)鍵部位采用鈦合金管路。海水管路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則受到設(shè)備、空間和整體布局的制約，同樣沒有較大的選擇余地?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方向主要是海水管路絕緣技術(shù)。目前，國內(nèi)外主要采用電化學(xué)保護(hù)技術(shù)和表面處理技術(shù)對(duì)管路進(jìn)行腐蝕防護(hù)。

2.1 電化學(xué)保護(hù)技術(shù)

電化學(xué)保護(hù)廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境中各種金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)，主要分為外加電流陰極保護(hù)技術(shù)和犧牲陽極陰極保護(hù)技術(shù)。外加電流陰極保護(hù)技術(shù)是通過外部電源強(qiáng)制將被保護(hù)的材料變成陰極，使被保護(hù)的材料不會(huì)失去電子發(fā)生腐蝕。犧牲陽極陰極保護(hù)技術(shù)是基于電偶腐蝕原理，將電負(fù)性的犧牲陽極材料與被保護(hù)材料進(jìn)行電連接，通過犧牲電負(fù)性材料保護(hù)管路免受腐蝕的一種保護(hù)技術(shù)[24-25]。

外加電流陰極保護(hù)技術(shù)在海水管路腐蝕防護(hù)應(yīng)用較少，其主要原因是海水管路內(nèi)部空間比較狹小，電流屏蔽效應(yīng)嚴(yán)重，保護(hù)距離有限，且輔助陽極安裝困難。目前，管路和冷卻設(shè)備陰極保護(hù)主要采用犧牲陽極保護(hù)技術(shù)，犧牲陽極材料主要有鋅合金犧牲陽極和鐵合金犧牲陽極。鋅合金塞式犧牲陽極多用于淡水環(huán)境下銅熱水管路的腐蝕防護(hù)，此前曾采用鋅合金塞式犧牲陽極對(duì)銅質(zhì)海水管路進(jìn)行保護(hù)，但鋅合金犧牲陽極與銅合金電位差大，消耗速度快，使用壽命不超過半年。船舶航行期間，鋅塞陽極不僅不容易更換，而且陽極底座和絲堵材料為有脫成分腐蝕敏感性的H59-1黃銅，容易腐蝕失效，受壓崩出，導(dǎo)致電器失火的重大事故。

雖然鐵合金犧牲陽極工作電位較正，但可滿足銅及銅合金陰極保護(hù)電位范圍要求，壽命較鋅合金長，因此國內(nèi)外逐步采用鐵合金犧牲陽極取代鋅合金犧牲陽極用于銅質(zhì)海水管路腐蝕防護(hù)。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，鐵基犧牲陽極材料主要為純鐵或普通碳鋼。十一五期間，中船重工第七二五研究所針對(duì)純鐵、普通碳鋼材料溶解性能較差、電流效率較低等問題，研制出了專門應(yīng)用于銅質(zhì)海水管路的環(huán)式結(jié)構(gòu)鐵合金犧牲陽極，成功地解決了銅質(zhì)海水管路的電化學(xué)陰極保護(hù)難題，并在多艘艦船海水管路系統(tǒng)中安裝應(yīng)用，并獲得了良好的防護(hù)效果[26-27]。

2.2 表面處理技術(shù)

適用于海水管路內(nèi)表面腐蝕防護(hù)的表面處理技術(shù)主要有化學(xué)鍍和涂塑等表面處理技術(shù)[28-29]。化學(xué)鍍是不依靠外部加電流，依靠溶液中的還原劑來提供電子給金屬離子，實(shí)現(xiàn)耐蝕性金屬在管路內(nèi)表面沉積的一種工藝。與電鍍相比，化學(xué)鍍具有以下優(yōu)勢(shì)。

1）鍍層厚度均勻，化學(xué)鍍液的分散力接近100%，邊緣效應(yīng)不明顯，幾乎是基材形狀的復(fù)制，特別適合形狀復(fù)雜的深孔件、腔體件、管件內(nèi)壁、盲孔件等表面施鍍。電鍍法因受電力線分布不均勻，很難做到。

2）利用敏化、活化等前處理，化學(xué)鍍可在非導(dǎo)電材料表面進(jìn)行，而電鍍法僅能在導(dǎo)電材料表面進(jìn)行。

3）化學(xué)鍍靠基材的自催化活性起鍍，其結(jié)合力一般優(yōu)于電鍍，鍍層有光亮或半光亮的外觀、致密、晶粒細(xì)、孔隙率低，某些化學(xué)鍍層還具有特殊的物理化學(xué)性能。

目前成熟的化學(xué)鍍工藝主要有鍍銅和鍍鎳，特別是鎳磷鍍已經(jīng)成為一種重要的表面處理手段，在電子工業(yè)、石油化工、機(jī)械、航天等領(lǐng)域都得到了較多的應(yīng)用。該類涂層具有高的硬度和耐蝕性，最適用于海水管路內(nèi)表面的防護(hù)處理。

涂塑表面處理技術(shù)是將高分子防腐粉末均勻地涂塑在管路內(nèi)表面的一種防腐技術(shù)，通過在管路內(nèi)表面形成一層均勻、致密和光滑的塑料涂層，提高管路耐海水腐蝕性能。涂塑復(fù)合管集金屬材料優(yōu)異力學(xué)性能和高分子材料卓越耐化學(xué)腐蝕性能于一體，具有良好的耐腐蝕，抗刮擦無結(jié)垢，助潤滑耐高壓等多種優(yōu)越性能，大大延長了海水管路系統(tǒng)壽命。

3 結(jié)語

雖然現(xiàn)代艦船在航率更高、服役工況更復(fù)雜、更苛刻的環(huán)境中，承受的腐蝕破壞作用更強(qiáng)，但是在研發(fā)、設(shè)計(jì)、建造、使用等單位多方共同努力下，通過合理設(shè)計(jì)選材、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、綜合防護(hù)等手段一定能有效解決海水管路系統(tǒng)流動(dòng)海水電化學(xué)腐蝕和電偶腐蝕等問題，共同保障海軍艦船的戰(zhàn)斗力及可靠性。