(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心,武漢 430064)

銅及銅合金材料由于耐海水腐蝕而在海洋事業(yè)中具有非常重要的應(yīng)用。常作為沖刷管道的銅鎳合金B(yǎng)10，在海水管系中應(yīng)用最為廣泛。近年來船舶的海水管系多數(shù)已經(jīng)采用耐蝕性能較好的B10，取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果，但在東海海域含沙量高的環(huán)境中也發(fā)生較嚴(yán)重的腐蝕。海水管路的頻繁泄漏，會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備的正常使用，便得船舶在航率降低，事故隱患增長[1]。對(duì)于銅鎳合金在海水中的腐蝕機(jī)理[2]，由于涉及因素錯(cuò)綜復(fù)雜，其腐蝕規(guī)律并不完全清楚。

B10管的耐海水腐性能是因其與海水接觸生成了致密氧化保護(hù)膜，從而隔絕了海水與B10管電化學(xué)反應(yīng)。在潔凈流動(dòng)海水環(huán)境下B10材料表面會(huì)形成內(nèi)、外雙層的腐蝕產(chǎn)物膜。內(nèi)層氧化膜致密與基體結(jié)合強(qiáng)，對(duì)材料的耐蝕性起主要作用，外層腐蝕產(chǎn)物膜疏松多孔，流動(dòng)海水沖刷條件下被沖刷去，對(duì)基體的保護(hù)作用不強(qiáng)[3]。潔凈海水中穩(wěn)定致密的膜層對(duì)材料起到較好的保護(hù)作用，但在含沙條件下穩(wěn)定致密的膜層在高流速條件下的保護(hù)作用不明顯，B10在使用之前需要在表面形成鈍化膜，B10在海水中的表面腐蝕產(chǎn)物膜主要是Cu2O[4]。

當(dāng)B10管表面的保護(hù)膜被破壞，其腐蝕主要表現(xiàn)為機(jī)械和電化學(xué)耦合，在海水環(huán)境中，B10銅合金所處的腐蝕是介質(zhì)腐蝕與機(jī)械沖刷二者協(xié)同作用的結(jié)果，二者往往是相互促進(jìn)的，并非簡單疊加的結(jié)果。電化學(xué)作用取決于電位差，從宏觀上講來自于管路上不同部件，如B10材質(zhì)的管路、青銅材質(zhì)的截止閥、B30材質(zhì)的冷凝換熱器之間的連接，從微觀上則表現(xiàn)在當(dāng)表面的保護(hù)膜被破壞后，基體發(fā)生脫鎳腐蝕，而各晶界內(nèi)形成微小的原電池加速微小“陽極區(qū)域”的腐蝕，合金表面的氧化膜破壞由點(diǎn)蝕開始，點(diǎn)蝕進(jìn)一步發(fā)展為晶間腐蝕，最后發(fā)展為剝蝕[5]。而機(jī)械作用取決于管路中海水流態(tài)、流速[6-7]，在腐蝕介質(zhì)中懸浮顆粒物的硬度、形狀大小[8]和數(shù)量等。一般情況下，顆粒的硬度越高，沖刷腐蝕情況就越嚴(yán)重；粒徑越大，動(dòng)能越大；多角顆粒的切削作用要大于球形顆粒的切削作用[9]。

含沙量高的海域，機(jī)械作用會(huì)明顯增強(qiáng)，我國舟山海域懸浮泥沙含量403.2 mg/L，泥沙平均粒徑為6.202 um，最大粒徑為64.791 um，最小粒徑為1.288 um，是全球含沙量最高的海域之一[10]，因此在舟山海域，海水對(duì)管路腐蝕中機(jī)械作用會(huì)顯著強(qiáng)于其他海域。

而焊接對(duì)B10管耐腐蝕性能影響，有學(xué)者認(rèn)為焊縫和熱影響區(qū)成分存在較大差異，導(dǎo)致其電極電位差很大，在海水作用下，熱影響區(qū)與焊縫相鄰區(qū)域發(fā)生電偶腐蝕，電極電位低的熱影響區(qū)被腐蝕減薄[11]。

1 腐蝕原因

當(dāng)前發(fā)現(xiàn)在舟山區(qū)域發(fā)現(xiàn)的海水系統(tǒng)B10管出現(xiàn)多處漏點(diǎn)，見圖1、2。

圖1 空調(diào)出口彎頭出現(xiàn)腐蝕漏點(diǎn)

圖2 某船2號(hào)空調(diào)室空調(diào)出口三通出現(xiàn)腐蝕漏點(diǎn)

對(duì)目前發(fā)生異常腐蝕的艦船進(jìn)行調(diào)研統(tǒng)計(jì)，在航艦船海水B10管路出現(xiàn)泄漏主要有以下幾個(gè)特征：①集中在位于東海舟山海域，同樣型號(hào)艦船在北海和南海海域航行都未見類似的情況。②泄漏點(diǎn)主要集中在彎頭、三通處，直管段極少出現(xiàn)。③腐蝕泄露點(diǎn)集中于焊縫附近15 mm以內(nèi)，位于焊接熱影響區(qū)。

B10管的耐海水腐性能主要依靠其表面形成的保護(hù)膜來抵抗海水腐蝕。但是B10管形成氧化保護(hù)膜需要潔凈的海水環(huán)境和一定的接觸時(shí)間，而且泥沙環(huán)境會(huì)對(duì)B10管表面膜形成產(chǎn)生較大影響，B10管焊接的熱影響區(qū)(焊縫區(qū)域)是耐海水腐蝕的薄弱環(huán)節(jié)，在沒有氧化膜保護(hù)的條件下會(huì)加速該部位的腐蝕速度。彎頭、三通等紊流程度較高部位局部區(qū)域流速梯度大，恰好又是焊縫熱影響區(qū)，加上部分區(qū)域電絕緣隔離性能降低，各種因素的疊加和交替作用最終導(dǎo)致了B10管在此區(qū)域出現(xiàn)腐蝕泄露。

關(guān)于B10管路的腐蝕原因，已有氧化膜成膜、電化學(xué)、焊接熱影響區(qū)分析，但未見結(jié)合實(shí)際艦船特定區(qū)域的流態(tài)影響因素研究。為此，考慮利用仿真方法對(duì)某艦船在彎頭、三通等紊流區(qū)的流態(tài)結(jié)合其實(shí)際腐蝕情況進(jìn)行分析。

2 流態(tài)仿真

2.1 彎頭

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，彎頭處出現(xiàn)腐蝕是B10管海水腐蝕的常見現(xiàn)象。以圖1左側(cè)中某空調(diào)出口彎頭腐蝕為例，利用仿真對(duì)出現(xiàn)腐蝕泄漏的B10定型彎頭實(shí)際流場(chǎng)特性進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算參數(shù)如下：彎頭的管徑為38X2，通徑為DN32，設(shè)計(jì)海水入口流量為5 m3/h，平均流速為1.53 m/s。仿真結(jié)果見圖3。

圖3 彎頭處流場(chǎng)仿真結(jié)果

結(jié)果表明流體以此流速流經(jīng)90°彎頭時(shí)，管內(nèi)靠近中心區(qū)域?yàn)榉€(wěn)流區(qū)，而在管壁兩側(cè)會(huì)形成加速區(qū)和減速區(qū)，彎管內(nèi)側(cè)速度明顯增大為加速區(qū)，彎管外側(cè)速度明顯減小為減速區(qū)。這與實(shí)際B10管腐蝕多發(fā)生在彎頭處遠(yuǎn)多于直管段的結(jié)果是一致的，說明彎頭處亦是B10管抗腐蝕的薄弱點(diǎn)。而當(dāng)彎頭彎曲半徑為1倍外徑時(shí)，海水流速的極大值為2.54 m/s，出現(xiàn)在彎管內(nèi)側(cè)，相對(duì)于平均流速1.53 m/s增速66%，遠(yuǎn)超平均流速。

而更改彎頭的轉(zhuǎn)彎半徑，保持其他條件不變。當(dāng)彎頭彎曲半徑為1.5倍外徑時(shí)，海水流速的極大值為2.21 m/s，相對(duì)于平均流速1.53 m/s增速44%。當(dāng)彎頭彎曲半徑為2倍外徑時(shí)，海水流速的極大值為2.05 m/s，相對(duì)于平均流速1.53 m/s增速34%。當(dāng)彎頭彎曲半徑為3倍外徑時(shí)，海水流速的極大值為1.95 m/s，相對(duì)于平均流速1.53 m/s增速27%。

由此發(fā)現(xiàn)，將彎頭的彎曲半徑增大可以明顯降低海水流速的極大值，效果顯著。結(jié)合目前艦船在放樣過程中主要采用1倍和1.5倍彎曲半徑B10管定型彎頭的現(xiàn)狀，對(duì)B10海水系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)出口處的定型彎頭進(jìn)行改進(jìn)，將其彎曲半徑由當(dāng)前管外徑的1、1.5倍調(diào)整至3倍，可以緩解B10管海水管腐蝕問題。

2.2 三通

由圖2發(fā)現(xiàn)，其腐蝕點(diǎn)出現(xiàn)在三通接頭的上支管側(cè)，對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)如下：海水從支路A分兩支分別流至支路B和支路C，其中支路A管徑為44.5×2.5，設(shè)計(jì)海水流量為6.5 m3/h，支路B管徑為32×2，設(shè)計(jì)海水流量1.5 m3/h，支路C管徑為38×2，設(shè)計(jì)海水流量5 m3/h，經(jīng)計(jì)算可知支路A海水平均流速為1.47 m/s，支路B海水平均流速為0.67 m/s，支路C海水平均流速為1.53 m/s。仿真結(jié)果見圖4。

圖4 某船2號(hào)空調(diào)器室三通管處腐蝕漏水流體仿真

結(jié)果表明海水流經(jīng)此三通時(shí)，支管A和支管B內(nèi)海水流速較為平穩(wěn)，滿足使用要求，但在支管C的三通出口處流場(chǎng)變化劇烈。以其中心面(過中心線且垂直紙面)為分界，在接近海水入口側(cè)(圖示右側(cè))海水流速小于平均流速，在遠(yuǎn)離海水入口側(cè)(圖示左側(cè))均大于平均流速，其流速峰值出現(xiàn)在遠(yuǎn)離海水入口側(cè)達(dá)2.56 m/s，相對(duì)于平均設(shè)計(jì)流速1.53 m/s增速67%。這一仿真結(jié)果與圖1右側(cè)中實(shí)際腐蝕發(fā)生在三通出口處的結(jié)果是一致的。這說明對(duì)于三通而言，其主要液體流動(dòng)方向改變后(A到C，而非A到B)，其流出支路的管段則為主要腐蝕風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

3 改進(jìn)措施

3.1 調(diào)整彎頭半徑

對(duì)于不同角度的彎頭，將彎曲半徑由當(dāng)前管外徑的1、1.5倍調(diào)整至3倍，以管徑38×2，通徑DN32的定型彎頭為例，在不改變其進(jìn)出口方向的情況下，對(duì)彎頭及與彎頭相連接的兩個(gè)直管段進(jìn)行改進(jìn)，彎頭的彎曲半徑分別從R=38調(diào)整至R=114 mm，與其相連接的兩個(gè)直管段則相應(yīng)縮短以作適應(yīng)性調(diào)整。見圖5。

圖5 管徑38×2、通徑DN32彎頭改進(jìn)方案

參照?qǐng)D5中管徑38×2通徑DN32的彎頭改進(jìn)方法對(duì)其他各通徑的彎頭進(jìn)行改進(jìn)，見表1。

表1 彎頭改進(jìn)結(jié)果 mm

3.2 三通

艦船所使用的三通分為等徑三通和異徑三通兩種，其區(qū)別在于改變流向的支管路的管徑是否與主管徑相等或者比主管徑小。

而根據(jù)前述仿真分析結(jié)果可知，三通處出現(xiàn)腐蝕的主要原因是其主要管路海水流向發(fā)生改變后，其流出支路的管段C則為主要腐蝕風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。對(duì)于等徑三通和異徑三通分別進(jìn)行如下改進(jìn)。

3.2.1 異徑三通改進(jìn)

支路C管徑小，且主要流量都集中到了支路C中，因此應(yīng)將支路C的通徑增大，例如原始設(shè)計(jì)中支路C通徑為DN32，則在保持去支路A、B不變的前提下，將支路C通徑改為DN40，再增加一個(gè)DN40至DN32的變徑，見圖6。

圖6 異徑三通改進(jìn)方案

3.2.2 等徑三通改進(jìn)

在各用水支路用戶方向不變的前提下將海水主要流出方向調(diào)到至支路B，見圖7。改進(jìn)方案所產(chǎn)生的額外彎頭均使用3倍彎曲半徑定型彎頭。

圖7 等徑三通改進(jìn)方案

4 結(jié)論

1)B10管在沒有氧化膜保護(hù)的條件下，腐蝕將在彎頭、三通處的焊接熱影響區(qū)處的薄弱區(qū)域發(fā)生。

2)彎頭的轉(zhuǎn)彎半徑對(duì)局部區(qū)域的流速極值影響很大，彎曲半徑越大，則紊流產(chǎn)生的流速極值越小，在艦船建造的放樣過程中，盡量采用大彎曲半徑彎頭如3倍。

3)三通的連接方式選擇也對(duì)局部區(qū)域流速有較大影響，當(dāng)主要管路海水流向發(fā)生改變后，其流出支路的管段腐蝕風(fēng)險(xiǎn)大，異徑三通可采用增大出口通徑減少腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，等徑三通可采用對(duì)優(yōu)化連接方式減少腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。