銅鎳合金管在艦船海水管系中的應(yīng)用

黃璐瓊（江蘇科技大學材料與工程學院 江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

武興偉（七○八研究所 上海 200011）

銅鎳合金管在艦船海水管系中的應(yīng)用

黃璐瓊（江蘇科技大學材料與工程學院 江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

武興偉（七○八研究所 上海 200011）

銅鎳合金管;海水管系;應(yīng)用

銅鎳合金管（B10）耐海水沖刷腐蝕性能優(yōu)良,腐蝕的溫度敏感性較低,且具備優(yōu)良的抗污性能，已在艦船海水管系中大量應(yīng)用。在收集了銅鎳合金管在艦船海水管系中的應(yīng)用情況的基礎(chǔ)上，對存在的問題作了分析，并對今后的海水管路設(shè)計提出了建議。

0 引言

海水管系是艦船推進系統(tǒng)、電力系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)的重要組成部分。海水管系一旦因腐蝕而引發(fā)漏水問題，不僅會給使用部隊的戰(zhàn)備、訓練、日常維護等帶來影響，有時甚至直接危害艦船的安全性和生命力。近幾年相關(guān)部門制定的《艦船防腐防漏系列技術(shù)要求》中對艦船海水管系的防腐防漏設(shè)計、施工工藝等方面都作了較全面的規(guī)定，為艦船海水管系的防腐防漏設(shè)計提供了依據(jù)，在實際應(yīng)用中也取得了較好的效果。但即便如此，艦船海水管系的腐蝕問題還是時有發(fā)生。目前銅鎳合金管已在艦船海水管系大量應(yīng)用，雖然初步解決了海水管系中直管段的腐蝕問題，但由于選材不當、流速控制不準、異種金屬材料匹配不佳等原因，造成管系中設(shè)備、閥附件、接頭等的腐蝕問題還是無法避免。下面針對這些問題作如下總結(jié)，提供一些銅鎳合金海水管路設(shè)計的建議，供設(shè)計人員參考。

1 銅鎳合金管海水管系腐蝕的影響因素

銅鎳合金管是國際上公認的耐海水腐蝕性能優(yōu)良的銅合金，銅鎳合金管（B10管）的耐海水沖擊腐蝕性能優(yōu)良，腐蝕的溫度敏感性較低，且具備優(yōu)良的抗污性能。與銅鎳合金管（B30管）相比，B10管含較少鎳［1］，成本大大降低，但由于海水浸泡同樣可以形成富鎳富鐵的表面膜，因而經(jīng)過一段時間，其耐蝕性可以接近B30管。

1.1 銅鎳合金海水管系流速限制和流量平衡

流動的海水在合金表面產(chǎn)生剪切應(yīng)力，隨流速的增加，剪切應(yīng)力增加，剪切力超過一定值使得合金表面腐蝕產(chǎn)物膜機械分離，所以銅及銅鎳合金等這類耐沖刷腐蝕性能與表面膜完整度相關(guān)性高的材料，一般其在海水中使用存在一個臨界流速值，超過臨界流速值，材料沖刷腐蝕率大而失效。

海水冷卻系統(tǒng)是艦船設(shè)計中重要的一個系統(tǒng)，許多動力設(shè)備運行中都需要海水冷卻來保證其性能。在海水冷卻系統(tǒng)的設(shè)計中，為使所選用的銅鎳合金管流速不超過限定值，一般都在設(shè)計之初按照系統(tǒng)的設(shè)計流量和銅鎳合金管的流速限定值來選定管路通徑。B10管允許設(shè)計最大流速與管內(nèi)徑的關(guān)系如下表1：

表1

但上述的設(shè)計方法對于設(shè)計中經(jīng)常遇到具有多泵并用、多個支管的情況時就會出現(xiàn)問題。

例如，某艦船的設(shè)備冷卻水系統(tǒng)中設(shè)有1臺流量為120m3/h的設(shè)備冷卻泵，分別向4臺柜式空調(diào)器、2個舵機冷卻器、4個減搖鰭、1個大氣冷凝器供水，按照額定工況理論流量計算時，各管段的流速都未超過B10管允許的流速限制；但實際使用過程中，還是發(fā)生了至柜式空調(diào)器的B10管出現(xiàn)異常腐蝕的現(xiàn)象。分析其原因，設(shè)備運行工況變化而導致部分海水管內(nèi)流速過高是造成管系出現(xiàn)異常腐蝕的主要因素。

如果航行時4臺減搖鰭不開，則會導致其他管系流量驟然增大，特別當船停航期間，減搖鰭、大氣冷凝器、舵冷卻器均不使用時，如僅起動4臺柜式空調(diào)器，則流速將會超過10m/s，遠遠超過2.56m/s的限值，而實際上這些工況又往往是艦船上經(jīng)常使用的工況。因此，一臺海水冷卻泵向多設(shè)備供水的設(shè)計方法將無法控制變工況條件下各分支系統(tǒng)的管內(nèi)流速。這是目前艦船設(shè)計中普遍存在的問題。

為此，在海水管路設(shè)計中需特別重視多支管流量控制設(shè)計：

·對于工況差異性較大設(shè)備，則不應(yīng)接入同一系統(tǒng)中，從而避免由于使用工況的變化而造成某些設(shè)備冷卻水支管流速超過限定值；

·對于工況相近的設(shè)備，則應(yīng)考慮由于多支管流量分配不均而可能引起的個別設(shè)備海水流速過大，從而造成海水冷卻管路腐蝕加速的問題。

例如，某艦船機艙輔助設(shè)備冷卻水系統(tǒng)如下：1臺流量90 m3/h的輔助設(shè)備冷卻水泵分別用于冷卻齒輪箱冷卻器、調(diào)距槳液壓泵站、主機噴油器冷卻單元、中間軸承、空壓機冷卻器、舵冷卻器等。雖然這些設(shè)備使用工況相近（航行時開、停航時關(guān)），但由于每個設(shè)備的支管流量不均，引起個別設(shè)備海水流速過大而產(chǎn)生了腐蝕嚴重的現(xiàn)象。為此，在海水管路設(shè)計中需特別重視多支管流量平衡設(shè)計，即對海水冷卻管路系統(tǒng)進行阻力平衡計算，以滿足在設(shè)計的總流量和總揚程時，保證各支管所需的海水流速和流量。

目前為達到流量平衡的目的，解決方案主要有：在某些海水支管上加節(jié)流孔板，或加流量調(diào)節(jié)閥等手段。

1.2 銅鎳合金管海水管系的材料選用

除了流速以外，還有很多因素影響銅鎳合金管在海水中的沖刷腐蝕行為，主要為兩類。一類是環(huán)境因素，如海水溶氧量、硫化物、含砂量、海水的pH值、海水溫度等，不易受人為因素、設(shè)計等控制；另一類是材料因素，包括材料的成分、表面膜完整度、硬度、表面粗糙度、晶體顯微組織結(jié)構(gòu)等，應(yīng)該在海水管路設(shè)計中加以重視。

現(xiàn)在國內(nèi)艦船常用的B10管有兩種：一種為CuNi10Fe1.6Mn，另一種為CuNi10Fe1.0Mn。表2為兩種B10管的化學成分對比。

由表中可以看出，含10%Ni用作耐蝕材料的銅鎳合金，實際都含有1.0%~2.0%的鐵及適量的錳，其中改性元素鐵含量對B10合金的耐海水腐蝕性能有顯著改善，特別是抗流動海水沖刷腐蝕性能。對不同F(xiàn)e含量的銅鎳合金在靜態(tài)和高流速海水中進行腐蝕試驗后發(fā)現(xiàn)［2］，F(xiàn)e含量低的合金形成的腐蝕產(chǎn)物中氧含量高；Fe含量高的合金所形成的腐蝕產(chǎn)物中富Ni，氧含量低。固溶態(tài)鐵的作用在于形成含水氧化鐵的腐蝕產(chǎn)物膜，這種化合物充當陽極抑制劑，并且Fe能夠摻雜到缺陷的Cu2O點陣中，因此增加腐蝕產(chǎn)物膜的陽極（離子）和陰極（電子）阻力。

表2

雖然在B10合金中，由于鐵的存在，大大提高了保護膜的耐腐蝕能力;但隨著鐵含量的增加，B10點蝕敏感性也增加了。確定改性元素Fe的最佳范圍及雜質(zhì)元素的含量控制，是提高B10合金綜合性能的關(guān)鍵。鐵含量名義成分為1.6%的CuNi10Fe1.6Mn在海水中具有相對較好的機械性能和抗沖擊腐蝕能力，目前也在艦船中使用最多。

1.3 B10管的膜保護

銅鎳合金在海水中耐點蝕能力取決于初始表面狀態(tài)或服役條件。通過出廠鈍化或者是自然氧化形成的致密表面膜，可以有效的提高B10管的抗腐蝕性能。

1.3.1 B10管的鈍化

B10管出廠前，須進行鈍化處理。B10管鈍化［3］［4］，就是通過某些化學藥劑的處理和清洗，使銅鎳合金在表面形成一層致密的表面膜。銅鎳合金經(jīng)過鈍化處理后的表面膜有可能富錳［5］，由于在表面流動過程中，錳會因腐蝕流失而導致合金中的合金元素不斷向表面擴散，這種狀態(tài)十分有利于膜層隨海水浸泡轉(zhuǎn)化成富鎳富鐵膜，從而出現(xiàn)電位負移、極化電阻增高、相對基體成為陽極性保護膜的現(xiàn)象，達到最佳的保護效果，這層保護膜也是腐蝕介質(zhì)（如氧和氯）向基體中擴散、基體中的合金元素向介質(zhì)中腐蝕流失的有效屏障。鈍化操作流程如圖1。

1.3.2 B10管使用過程中的膜保護

B10管在船上安裝結(jié)束后，根據(jù)制造廠的要求應(yīng)在管系內(nèi)注滿清潔海水或淡水保持一段時間以利B10管內(nèi)表面成膜，發(fā)揮其應(yīng)有的耐腐蝕能力，或在清潔海水中加入適量硫酸亞鐵FeSO4，將快速成膜，但B10管的缺點是不耐泥砂沖刷和硫等侵蝕。因為海水中的泥砂會破壞管壁表面已形成的保護膜，加速其腐蝕，而污染海水中的硫物質(zhì)會造成B10管點蝕。因此，對于在泥砂含量大的海區(qū)使用的艦船，控制B10管中的流速就顯得十分重要。

圖1 鈍化操作流程圖

為了使B10管內(nèi)表面形成膜，目前艦船在海底門或海水濾器上裝設(shè)帶有防腐鋁基和防污銅基的防腐防污裝置，可使遭受磨損后的B10管內(nèi)表面會很快形成新的防腐保護膜，提高了管系直管段的抗腐蝕能力。

2 銅鎳合金海水管路異種金屬腐蝕絕緣設(shè)計

在海水管路中閥門與船體，閥門與管路、設(shè)備（包括濾器、泵、熱交換器和主輔機）及儀表與管路之間連接，如存在異種金屬接觸，應(yīng)進行必要的絕緣設(shè)計，防止異種金屬間產(chǎn)生電偶腐蝕。

在海水管選定B10管后，對管系中的海水濾器、閥門、海水泵、冷卻器、壓力表接頭等附件的材質(zhì)選取和防腐設(shè)計必須全系統(tǒng)綜合考慮。所用材料在海水中的穩(wěn)定自腐蝕電位相差較大，B10管有著良好的耐海水腐蝕性，其自腐蝕穩(wěn)態(tài)電位為-110 mV左右，鎳鋁青銅（-270 mV）、鋁青銅（-276 mV）、錫青銅（-180 mV），黃銅（-230 mV），不銹鋼1Cr18Ni9Ti（-150 mV），碳鋼（-755 mV），如機械地將其組合成一個系統(tǒng)，并連接后勢必會形成多個電偶對，電位較負的材料將被加速腐蝕，而電位較正的材料則被保護。

因此B10管在與用鎳鋁青銅、鋁青銅、錫青銅等制造的閥、泵管系設(shè)備連接時，它們之間必須采用電絕緣組件，在電絕緣條件下可構(gòu)成綜合腐蝕性能良好的系統(tǒng)。B10海水管與閥門、海水泵、海水濾器、冷卻器及其它設(shè)備的異種法蘭連接處須采用電絕緣法蘭連接方式，并配套采用電絕緣吊、支架，消除管系與船體之間的接地影響，確保系統(tǒng)電絕緣處理后的防腐效果發(fā)揮。

絕緣法蘭的常見結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 絕緣法蘭結(jié)構(gòu)圖

3 管路接頭設(shè)計選型

B10管在彎頭、變徑管段由于焊縫較多，有一定突體高度，高速時焊縫區(qū)極易出現(xiàn)湍流和空化，加之泥砂磨損，會使其在諸多不利因素的綜合作用下比直管段提前腐蝕破損。故應(yīng)避免管子和管接頭管徑的突變。當不可避免時，則應(yīng)采取直徑漸變過渡，使管路內(nèi)紊流減至最小。

在B10管接頭選型時，必須選用定型接頭，并盡量減小管段因熱脹冷縮產(chǎn)生的附加應(yīng)力。所采用的定型變徑管、彎頭、三通管以及焊裝在B10管上的各種管接頭均應(yīng)為與管路配套的同質(zhì)的B10材料。

B10管上安裝壓力表測壓管的支管螺紋接頭應(yīng)同樣采用B10棒材，而緊固螺帽應(yīng)采用耐海水青銅等與螺紋接頭不同材料以防咬死。管接頭與B10管焊接時，也應(yīng)采用B30焊條（鐵白銅專用的HSCuNi焊絲）及氬氣保護焊。

此外，在B10管路工況惡劣，腐蝕較為嚴重的部位，應(yīng)采取犧牲陽極保護，犧牲陽極材料為鐵。

4 結(jié)語

B10管耐海水沖刷腐蝕和抗海生物附著等方面的優(yōu)良表現(xiàn)，使其在艦船海水管系中得到大量應(yīng)用，但在設(shè)計中一定要全面控制好各個環(huán)節(jié)，考慮多方面影響因素和各防腐保護措施間的兼容性，才能確實有效地解決問題。

［1］林樂耘，徐杰.趙月紅.國產(chǎn)銅鎳合金海水腐蝕行為研究［J］.中國腐蝕與防護學報，2000，20（6）:361-367.

［2］哈軍，詹韌，馮軍.海水管系用BFel0-1.6-1合金材料技術(shù)水平和使用可靠性分析［J］.材料開發(fā)與應(yīng)用，2005，12:11-14.

［3］L.J.P.德羅萊思加等.合金成分及顯微組織對Cu-Ni合金在海水中的腐蝕性狀的影響［M］.

［4］張啟林，胡偉民等.艦船海水管系用BFel0-1-1管材及管系附件技術(shù)標準匯編［S］.2003.

［5］林樂耘，劉少峰等.銅鎳合金海水腐蝕的表面與界面特征研究［J］.腐蝕科學與防護技術(shù).1999，11（1）:37-43.

Application of the ablate pipe in the marine seawater pipe system

Huang Luqiong Wu Xingwei

ablate pipe；seawater pipe system；application

Ablate pipe（90/10 Cu-Ni alloy）is excellent in resisting against the corrosion and contamination of the seawater with low temperature sensitivity，and has been widely applied in marine water pipe system.Based on the applications of the ablate pipe in the marine water pipe system，this paper discusses the existing problems existing and gives some suggestions for the water pipe system design.

U664.5

A

1001-9855（2011）01-0040-04

2010-11-28

黃璐瓊（1992-），女，漢族，本科，主要從事材料科學研究工作。

武興偉（1987-），男，漢族，助理工程師，主要從事艦船輪機研究與設(shè)計。