張 挺，楊 鋒，羅寧昭，隋 波

(1. 海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430033；2. 海軍駐大連地區(qū)軍事代表室，遼寧 大連 116021)

0 引 言

海水管路是船舶推進(jìn)保障系統(tǒng)、動(dòng)力保障系統(tǒng)和相關(guān)配套系統(tǒng)中不可或缺的部分[1]。通常情況下，海水管路處于高鹽、高濕并伴隨高溫的惡劣環(huán)境中[2]，腐蝕都如影隨形地制約著海水管路的功效發(fā)揮，同時(shí)也成為船舶多系統(tǒng)不可忽視的隱患。因此，厘清海水中的金屬腐蝕機(jī)理及其影響因素，對(duì)于探索合理的海水管路腐蝕控制策略，精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)船舶海水管路腐蝕部位，并以此來(lái)指導(dǎo)船舶管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)，減緩金屬在海水中的腐蝕速率，延長(zhǎng)船舶海水管路系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備運(yùn)行的壽命，增加船舶服役時(shí)間，降低船舶的維護(hù)保養(yǎng)成本，已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者共同關(guān)心的課題。

1 海水管路腐蝕原因及現(xiàn)狀

腐蝕是指金屬與附近介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而使金屬損壞的現(xiàn)象[3]。從熱力學(xué)觀點(diǎn)看，除少數(shù)貴金屬外，大部分金屬都存在與附近介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成離子的可能性，也就是說(shuō)，金屬腐蝕是自然趨勢(shì)，即這種現(xiàn)象是普遍存在的。

造成海水管路腐蝕的原因[4-7]有多個(gè)方面，主要有接觸腐蝕、晶間腐蝕、雜散電流腐蝕、沖擊腐蝕（沖蝕）、空泡腐蝕、應(yīng)力腐蝕、縫隙腐蝕、生物腐蝕。總的來(lái)說(shuō)，可以歸納為傳統(tǒng)意義上的電偶腐蝕和由雜散電流引起的雜散電流腐蝕。

文獻(xiàn)[8]表明，僅有一小部分的海水管路腐蝕破損發(fā)生在直管部分，剩下的絕大部分都發(fā)生在“易腐蝕”部位（如管路的分流及匯流處、變徑管附近等），這些部位極易產(chǎn)生紊流，也是腐蝕所“青睞”的地方。

2 海水管路腐蝕的重要因素

2.1 管路材質(zhì)

管路材料在海水中的耐腐蝕性取決于其自身的化學(xué)組分、材料表面物理及化學(xué)特性、工藝流程等。船舶制造行業(yè)所用的海水管路材料大多數(shù)為鍍鋅鋼、紫銅、銅鎳合金，鈦及鈦合金等也占據(jù)一定比例。文獻(xiàn)[1, 5, 9]列舉了部分金屬材料在靜止海水及淡水中的腐蝕速率（見(jiàn)表1）。

表 1 金屬材料在靜止海水及淡水中的腐蝕速率（ μm·a-1）Tab. 1 Corrosion rate of metallic materials in still seawater andfreshwater（μm·a-1）

長(zhǎng)期以來(lái)，船舶海水管路大量應(yīng)用紫銅材料，主要是因?yàn)樽香~材料對(duì)海水的耐腐蝕性比較好。然而，紫銅材料也存在一定的局限性（強(qiáng)度不高、韌性不足、耐沖蝕性較弱等）。紫銅材料對(duì)海水流速比較敏感，由于焊料含有鋅的成分，所以在焊接時(shí)極易發(fā)生脫鋅腐蝕，導(dǎo)致船舶管路中的彎頭、接頭普遍出現(xiàn)爛穿的現(xiàn)象。隨著管路材料的升級(jí)換代，紫銅材料已逐漸被銅鎳合金（B10，B30）等代替，但文獻(xiàn)[10]和實(shí)船應(yīng)用表明，采用B10 銅鎳合金的海水管路也大面積出現(xiàn)腐蝕情況，亟待開展相關(guān)腐蝕研究。

2.2 海水流速

船舶動(dòng)力系統(tǒng)管路在設(shè)計(jì)期間必須要考慮海水流速的影響，因?yàn)楹Ｋ畷?huì)通過(guò)沖蝕和氣蝕對(duì)管路產(chǎn)生影響[1-2,5-6]。值得關(guān)注的是，海水裹挾著泥沙時(shí)，固體雜質(zhì)和海水兩相疊加的沖蝕效應(yīng)使管路表面氧化膜的機(jī)械應(yīng)力變化加劇，管路表面的氧化膜就會(huì)因沖蝕而脫落，進(jìn)而直接暴露在腐蝕性環(huán)境中。同時(shí)，溶解氧的濃度會(huì)因海水流動(dòng)進(jìn)一步增強(qiáng)，氧分子聚集在管路表面從而促進(jìn)去極化效應(yīng)，使得管路的腐蝕加快。沖蝕效應(yīng)與固體雜質(zhì)的含量呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，同時(shí)也與海水粘性、管路材料的物理參數(shù)等因素有關(guān)。碳鋼的腐蝕速率與海水流速之間的關(guān)系[6]如表2 所示，管路材料的限制流速[5-6]如表3 所示。

表 2 碳鋼的腐蝕速率與海水流速之間的關(guān)系Tab. 2 Relationship between corrosion rate of carbon steel andsea-water velocity

表 3 管路材料的限制流速Tab. 3 The maximum limits for velocity of flow among pipelinematerials

氣蝕又稱空泡腐蝕，海水在管路流動(dòng)過(guò)程中因各種物理因素形成低壓區(qū)，管路與海水的交界面上會(huì)因氣泡的產(chǎn)生和隨后的破裂而帶來(lái)腐蝕的效應(yīng)。一方面，氣泡在破裂過(guò)程中會(huì)緩慢侵蝕管路表面的氧化膜。另一方面，管路由于氣泡破裂產(chǎn)生的機(jī)械波而承受瞬時(shí)疲勞載荷，這同樣也會(huì)影響到管路材料的物理性能。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

降低或延緩腐蝕離不開縝密嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。針對(duì)海水管路，不規(guī)范的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如管路橫截面的突然變化等）都會(huì)引起管路沖蝕效應(yīng)的加劇[1-2,5-6,9]，管路上的瑕疵（如凸起、凹陷、縫隙）在一定流速的海水作用下會(huì)產(chǎn)生紊流，惡化管路內(nèi)流場(chǎng)，使沖蝕效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)。

管路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮到焊接工藝對(duì)管路耐腐蝕性能的影響。焊縫按照部位一般可以劃分為母材區(qū)，焊縫區(qū)，熱影響區(qū)3 部分。焊接會(huì)帶來(lái)不小的機(jī)械應(yīng)力，增加了應(yīng)力腐蝕的可能性；焊縫區(qū)坑坑洼洼的表面容易產(chǎn)生紊流，造成管路局部氯離子濃度增大，進(jìn)一步促進(jìn)縫隙腐蝕；熱影響區(qū)會(huì)使管路材料化學(xué)成分、組織不均勻，這主要是由焊接時(shí)管路瞬時(shí)吸收大量熱量造成的，這一區(qū)域往往會(huì)出現(xiàn)晶間腐蝕。

2.4 環(huán)境條件

船舶海水管路腐蝕還受到周圍環(huán)境條件（如溫度、鹽度、溶解氧濃度、海水pH 值等）的影響和制約[1-2,6-7]。其中，氯離子和溶解氧是造成海水管路腐蝕的主要方面。海水中的金屬腐蝕是多個(gè)因素相互交織作用的結(jié)果：溶解氧促使管路表面氧化膜的生成；氯離子則促進(jìn)管路表面氧化膜的分解。

通常情況下，金屬在液體介質(zhì)中的腐蝕速率與溫度呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。然而，在研究管路腐蝕的時(shí)候還要將溶解氧和海洋微生物的影響考慮進(jìn)來(lái)。海水中溶解氧含量隨溫度升高而降低，而導(dǎo)電率卻增大了，金屬的穩(wěn)定電勢(shì)逐漸脫離正方向，引起腐蝕電流進(jìn)一步增大，管路腐蝕加劇。同樣地，在一般情況下，海水溫度上升會(huì)誘發(fā)海洋微生物數(shù)量的增加，這樣也會(huì)加快管路腐蝕。

3 船舶海水管路腐蝕防護(hù)方法

海水管路腐蝕的防護(hù)是一項(xiàng)復(fù)雜的工程。綜合前面對(duì)海水管路腐蝕的分析，不難發(fā)現(xiàn)，多重因素造成管路腐蝕，而削弱某一方面僅僅能有限地改善管路腐蝕狀況而無(wú)法從根本上治理腐蝕。因此，海水管路的腐蝕防護(hù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程?？偟膩?lái)說(shuō)，可以從幾個(gè)方面著手防腐。

3.1 合理選材

管路選材，應(yīng)考慮輸送介質(zhì)流速的要求、腐蝕性的不同、安裝位置的不同等因素。

從流速角度考慮，應(yīng)根據(jù)不同系統(tǒng)對(duì)不同流速的要求選用相應(yīng)的管材，要關(guān)注不同管材的最高限制流速。某些管材對(duì)海水流動(dòng)并不敏感，可以視情況提高海水流速，例如90-10 銅鎳合金管材及鍍鋅鋼管材可以達(dá)到4 m/s[1,9]。

3.2 合理設(shè)計(jì)

在管路設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡可能避免由于設(shè)計(jì)和布置導(dǎo)致腐蝕發(fā)生的因素，最好采用直管和標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，盡量減少采用套管方式連接[1,5,9]?？偟膩?lái)說(shuō)，以下幾個(gè)方面需要格外注意：

1）管路設(shè)計(jì)宜取最小路徑，盡可能避免使用彎管。如果非要使用彎管，那么彎管的外徑最好保持一致。彎管段之間使用直管段延伸，其延伸長(zhǎng)度應(yīng)確保大于1.5～2 倍的管徑[1,5]，以緩解海水對(duì)彎頭處的沖擊。

2）控制管路接頭數(shù)量，尤其是可重復(fù)拆卸接頭，盡可能減輕對(duì)流動(dòng)海水的擾動(dòng)，將管路腐蝕程度降到最低。

3）規(guī)避不同材質(zhì)管路構(gòu)件的聯(lián)結(jié)，如果遇到特殊情況，則應(yīng)補(bǔ)充配套工藝（如增加電絕緣隔離或應(yīng)用犧牲陽(yáng)極保護(hù)）來(lái)遲滯接觸腐蝕。

3.3 表面涂層保護(hù)技術(shù)

管路腐蝕的防護(hù)有一個(gè)分支便是表面涂層保護(hù)技術(shù)[1-2,6]。涂層承擔(dān)著過(guò)濾離子的作用，憑借其較高的阻抗特性，可以使電子在陰、陽(yáng)極之間的轉(zhuǎn)移被遲滯。此外，涂層可以有效減緩氧分子的侵入，使金屬腐蝕延緩。目前，表面涂層和改性技術(shù)的工藝主要是在管路材料表面涂覆上耐腐蝕的金屬，同時(shí)對(duì)管路材料作磷化、氧化處理，確保管路材料表面與海水介質(zhì)物理隔離以削弱金屬腐蝕。目前，鋼質(zhì)材料普遍采用鍍鋅、滲鋅作為管路表面防腐的手段[2]。

從安裝位置角度考慮，船內(nèi)某些地方更換備用管材十分不便，也可以考慮使用內(nèi)壁涂塑的無(wú)縫鋼管，但不建議使用不銹鋼管，因?yàn)椴讳P鋼管容易發(fā)生點(diǎn)蝕。所謂涂塑，就是按照特定的工藝流程，使用特殊的輔助設(shè)備將某種防腐蝕有機(jī)材料以粉末的形式均勻地熔接在管路內(nèi)壁，再歷經(jīng)配套工藝處理后，這樣管路的內(nèi)壁就構(gòu)筑了1 層光滑的保護(hù)層。這種涂層將管材金屬與海水介質(zhì)隔離，能夠充分地保護(hù)管路，進(jìn)一步延長(zhǎng)其服役時(shí)間。

需要指出的是，管路涂塑工藝也存在一定的局限性：一是環(huán)境溫度不能過(guò)高（一般不得超過(guò)70 ℃）[2]；二是涂層完好性較差，如果局部出現(xiàn)破損將造成大范圍的管路腐蝕，涂層的防護(hù)能力將大打折扣，這就要求必須以更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓に嚇?biāo)準(zhǔn)執(zhí)行涂層的涂覆及管路的安裝調(diào)試。

3.4 電化學(xué)保護(hù)

外加電流陰極保護(hù)法、犧牲陽(yáng)極保護(hù)法這2 種方法是目前普遍應(yīng)用的電化學(xué)保護(hù)方法[1,2,6]。但是，在船舶海水管路系統(tǒng)中主要是采用外加電流陰極保護(hù)法。也就是，將電源陰極與被保護(hù)管路本體相連接并通電，陽(yáng)極作為回路的一部分具有不溶的特性。被保護(hù)管路本體在電偶腐蝕電流及外加陰極電流的共同作用下，陰、陽(yáng)極電位保持一致，陽(yáng)極反應(yīng)因電流減小到零而消失，電偶腐蝕中止。此時(shí)，管路外壁產(chǎn)生與管路內(nèi)部氣泡方向相反的氣泡，二者起到相互制衡的作用，這樣就極大地降低了氣蝕、空泡腐蝕的影響。犧牲陽(yáng)極保護(hù)法雖也有應(yīng)用，但應(yīng)用較少。相對(duì)于犧牲陽(yáng)極保護(hù)法，外加電流陰極保護(hù)法的優(yōu)勢(shì)更加明顯（陽(yáng)極設(shè)置數(shù)量較少、性能穩(wěn)定可靠）。

3.5 電絕緣隔離

所謂電絕緣隔離，通常是應(yīng)用相關(guān)絕緣材料，對(duì)電氣連接的機(jī)械緊固件進(jìn)行物理隔離，使得離子導(dǎo)電回路被迫阻斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低電偶腐蝕的目的[1-2,7]。一般情況下，電絕緣隔離主要應(yīng)用到法蘭上。其電絕緣隔離的部位主要有2 個(gè)方面：一方面是螺栓處，主要由電絕緣套筒組成，針對(duì)特殊的法蘭（如銅-鋼法蘭），有時(shí)會(huì)作簡(jiǎn)化處理，在電位較高的銅法蘭處安裝電絕緣套筒；另一方面是凹凸法蘭密封處，目前通常采用包覆墊和電絕緣內(nèi)、外層套筒組合構(gòu)成。

4 腐蝕監(jiān)測(cè)與電流監(jiān)測(cè)

通過(guò)上述分析，可知腐蝕過(guò)程伴隨著電流的產(chǎn)生。一部分是傳統(tǒng)意義上的電偶腐蝕電流，另一部分則是雜散電流。雜散電流，顧名思義，是指偏離設(shè)計(jì)回路而流動(dòng)的電流。這一部分電流所引起的腐蝕一般稱為雜散電流腐蝕，為了與傳統(tǒng)意義上的電偶腐蝕相區(qū)別，雜散電流腐蝕也簡(jiǎn)稱為電蝕。雜散電流腐蝕屬于電解腐蝕的范疇[11]，其具有腐蝕劇烈、危害更為嚴(yán)重等特點(diǎn)。

4.1 腐蝕監(jiān)測(cè)概述

國(guó)內(nèi)方面，楊專釗團(tuán)隊(duì)[12]提出了電偶腐蝕試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模型，并開發(fā)研制出MCD01 電偶腐蝕計(jì)這一微電流探測(cè)器，該微電流探測(cè)器可以準(zhǔn)確測(cè)量微小的電偶腐蝕電流，測(cè)量效果明顯優(yōu)于所選用的現(xiàn)成設(shè)備。張承典等[13]利用FC-4 電偶腐蝕計(jì)作為零電阻電流計(jì)測(cè)量電偶腐蝕電流，零電阻電流計(jì)利用運(yùn)算放大器在閉環(huán)工作時(shí)正反相輸入端電位十分接近的特性，自動(dòng)補(bǔ)償了電流表的電壓降。任厚珉[14]得出重要結(jié)論，在電焊機(jī)等相關(guān)電氣設(shè)備停機(jī)時(shí)，因?yàn)殡娕几g的作用，船尾電位略高于船首。由于船體雜散電流的作用較小，整個(gè)船體自然電位分布均勻；在電焊機(jī)等相關(guān)電氣設(shè)備開機(jī)運(yùn)行后，雜散電流分量會(huì)急劇增大，進(jìn)一步加劇雜散電流腐蝕。從電力線分布來(lái)看，船體靠近碼頭一側(cè)密于另一側(cè)，船尾要密于船首，也就不難得出靠近碼頭船尾處腐蝕狀況十分嚴(yán)峻。盧新城[15]、梁成浩[16]分別通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出了軸頻電場(chǎng)與船殼和螺旋槳之間腐蝕電流的關(guān)系。金児等[17]研制出基于微機(jī)控制的用于測(cè)定全浸在電解液中平板試樣上電流分布的裝置，通過(guò)2 根魯金管探頭掃描測(cè)定溶液內(nèi)靠近并平行于試樣表面上水平和垂直方向的電位變化來(lái)分析腐蝕電流的分布，查明腐蝕位置。

國(guó) 外 方 面，P. E. Morris 與R. C. Scarberry 合 作[18]，借助恒電位儀并通過(guò)測(cè)定2 個(gè)陽(yáng)極極化曲線和3 個(gè)陰極極化曲線的方法來(lái)預(yù)測(cè)腐蝕速度。R. Baboian[19]則是依托電化學(xué)技術(shù)，即根據(jù)混合電位的測(cè)量、偶極電流的測(cè)量和極化測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電偶腐蝕的預(yù)測(cè)。

文獻(xiàn)[20-21]介紹了腐蝕監(jiān)測(cè)的方法及其特點(diǎn)（見(jiàn)表4）。

文獻(xiàn)[20]基于零電阻電流表法說(shuō)明了腐蝕原電池電流即腐蝕電流，它所反映的同樣為金屬的腐蝕量，即

只要能準(zhǔn)確測(cè)定腐蝕電流I，金屬的腐蝕量也就不難求出。

此外，楊輝等[10]針對(duì)某船B10 銅鎳合金海水管路的泄漏問(wèn)題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)、成分分析、微觀組織觀察、腐蝕性能評(píng)價(jià)等方法，分析了管路與海水泵間法蘭處腐蝕泄漏的原因。結(jié)果表明，B10 管成分、微觀組織均滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求，在海水管路中的靜態(tài)腐蝕速率和沖刷腐蝕速率均在正常范圍內(nèi)，源自船舶防污系統(tǒng)等電氣設(shè)備泄漏的雜散電流是導(dǎo)致B10 銅鎳合金海水管路與泵軟性連接處腐蝕失效的主要原因。

4.2 雜散電流監(jiān)測(cè)對(duì)腐蝕監(jiān)測(cè)的意義

鑒于雜散電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)意義上的電偶腐蝕電流，而雜散電流帶來(lái)的電解腐蝕又異常嚴(yán)重，因而準(zhǔn)確測(cè)定海水管路的雜散電流大小及其分布就顯得迫在眉睫。目前，海水管系附件及設(shè)備通常使用法蘭連接，而現(xiàn)階段船用法蘭外徑[22]最小為，而傳統(tǒng)的電流測(cè)量?jī)x器無(wú)法與之適配，因而研制一種開口型、適配大口徑管路、準(zhǔn)確測(cè)定小電流的智能檢測(cè)裝置就成為當(dāng)務(wù)之急。通過(guò)監(jiān)測(cè)腐蝕電流，便可準(zhǔn)確定位造成海水管路腐蝕的雜散電流分布與來(lái)源，這將為船舶海水管路的維護(hù)保養(yǎng)提供有力的技術(shù)支撐。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以船舶海水管路腐蝕作為切入點(diǎn)，闡述管路腐蝕的原因及現(xiàn)狀，剖析影響管路腐蝕的重要因素，從多個(gè)維度分別介紹了管路腐蝕的主要防護(hù)方法。總結(jié)國(guó)內(nèi)外針對(duì)腐蝕監(jiān)測(cè)的研究現(xiàn)狀，指明微電流測(cè)量對(duì)于海水管路的腐蝕監(jiān)測(cè)具有積極意義，提出了研制大口徑開口型小電流傳感器的思路，便于對(duì)造成海水管路腐蝕的雜散電流進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，有利于延長(zhǎng)船舶使用壽命，降低其維護(hù)保養(yǎng)成本。