海洋環(huán)境下新型長效海水過濾元件研制

李華峰，王小鋒，郁 飛

(核動力艦船蒸汽動力系統(tǒng)國防科技實驗室，湖北 武漢 430064)

0 引言

海水濾器的主要作用是過濾海水中較大的雜質(zhì)，防止損傷冷卻水泵葉輪、換熱設備及堵塞流道，保證系統(tǒng)及動力裝置的正常安全運行。目前船用耐壓海水濾器選用CB1039－1995《耐壓海水濾器》，過濾精度10目/英寸，但在實船應用中暴露出濾筒短期內(nèi)就因腐蝕致功能失效，通常3個月內(nèi)即完全破損，如圖1所示。

鑒于上述情況，海水濾器的濾筒短期內(nèi)便功能失效，其任務剖面與實船使用需求嚴重不匹配，核心矛盾是濾筒在海洋環(huán)境下的可靠性，因此有必要提高其使用壽命。

1 功能失效原因分析

1.1 海水沖刷致材料腐蝕嚴重

圖1 原濾器失效形貌Fig.1 The disabled appearance of quondam filte

海水系統(tǒng)的海水泵由于動力裝置工況變化大，實際工作點可能偏離額定工作點。經(jīng)初步估算海水泵吸入口流速經(jīng)常達到2.8 m/s，甚至更大。如果按照濾網(wǎng)通流面積與公稱通徑面積比為3進行計算，海水通過濾網(wǎng)流速已超過濾網(wǎng)選用材料(H68)所允許的最大流速0.9 m/s，其對應的沖刷腐蝕速率已處高位?？紤]到海水中有一定的含砂量，尤其是近碼頭處運行時，更會加劇這一沖刷腐蝕過程。此外，H68是銅鋅二元合金，在海水中會發(fā)生脫鋅腐蝕生成白色腐蝕產(chǎn)物，加速縮短濾網(wǎng)有效工作時間。

1.2 濾網(wǎng)絲徑細，與海洋環(huán)境下材料腐蝕速率失配

海水濾器濾網(wǎng)的銅絲網(wǎng)的絲線直徑為0.5 mm，黃銅H68在靜止海水中的腐蝕速率為0.014 mm/a，但在流動海水中的腐蝕速率可達0.33 mm/a，銅絲網(wǎng)浸在海水中雙面沖刷腐蝕，所以短期內(nèi)就可將銅絲網(wǎng)腐蝕掉。

圖2 H68合金含鋅量與材料強度關(guān)系Fig.2 The relation between the material intensity and the H68

1.3 濾筒結(jié)構(gòu)剛度弱

濾網(wǎng)材料H68是銅鋅二元合金，組分中約含30%～33%的鋅。資料表明含鋅量與材料強度有著密切關(guān)系，如圖2所示。從中可以看出，如果銅合金中含有不大于15%的鋅，則因脫鋅作用而導致材料強度降低不明顯。對于H68，如果長期浸泡在海水中，強度降低可達20% ～60%。此外，海水濾器濾網(wǎng)采用銅絲編織而成，并焊接固定在濾筒的構(gòu)架上，對于每根銅絲來說是兩端固定的結(jié)構(gòu)，當其中1根腐蝕破壞時，就會變成2根單端固定的懸臂結(jié)構(gòu)，剛度明顯減弱，在來流海水沖刷作用下與此根銅絲相關(guān)的所有孔隙通流面積發(fā)生變化，海水從孔隙小的孔眼高速流過，進一步加大了濾網(wǎng)的沖刷腐蝕，最終導致濾網(wǎng)破損。

2 濾筒改進設計

2.1 濾筒材料選型

H68在流動海水中耐腐蝕能力差，對脫鋅腐蝕敏感而導致材料強度顯著降低，不適用于海水濾器選型。目前較好適用于海水系統(tǒng)的常用材料有TUP、BFe30-1-1、超低碳雙相不銹鋼HDR以及鈦合金Ti-75等，幾種材料的特性見表1及圖3所示。

表1 材料特性對比表Tab.1 The contrast of the material characterisc

圖3 流速對紫銅腐蝕速率的影響、HDR與2種銅鎳合金的腐蝕速率對比、與鈦合金偶合面積比對其他材料腐蝕速率影響圖Fig.3 The relation about the speed of sea-water excert an influence on the rate of copper corrosion，the contrast of corrosion rate between the HDR and two albate(B10，B30)，the relation about the defferent aera ratio contact to Titanium alloy excert an influence on other materail concern with the corrosion rate

綜合各材料腐蝕速率、拐點特性、腐蝕匹配性等方面分析，確定濾器濾筒材料選用BFe30-1-1。

圖4 濾筒流場分析結(jié)果Fig.4 The result of the analysis about the filter flow-filed

2.2 濾筒結(jié)構(gòu)設計

基于對濾筒剛度、過濾精度、生產(chǎn)工藝等方面要求，并考慮到絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)整體剛度若等固有不足，提出圓柱和倒圓臺2種高剛度板孔濾筒結(jié)構(gòu)，并針對開孔尺寸、空間距、開孔布局等方面參數(shù)進行了優(yōu)化設計，并針對2種相對較優(yōu)方案采用Fluent進行流場分析，如圖4所示。

表2 流阻估算結(jié)果Tab.2 The estimated result of the flow resistance

綜合流阻、流場分布均勻性等方面分析，倒圓臺濾筒結(jié)構(gòu)優(yōu)勢更為突出，此外倒圓臺結(jié)構(gòu)存在水力向下切力，有利于使過濾物沉積到濾器下部收集器中。因此選用倒圓臺板孔濾筒結(jié)構(gòu)。

2.3 樣機設計及試驗

根據(jù)上述分析并結(jié)合具體結(jié)構(gòu)設計參數(shù)，生產(chǎn)了1套新型濾筒，如圖5所示。

為了驗證新型濾筒在海洋環(huán)境下使用壽命，將樣機進行實船試用3個月，結(jié)果表明新型濾筒使用壽命較原濾筒大大提高，試用期內(nèi)腐蝕量較小，實測數(shù)據(jù)換算，預計使用壽命可達5年。

圖5 新型海水濾器樣機三維設計及實物圖Fig.5 The picture of the three-dimensional design and practicality about the new sea-water filter

3 結(jié)語

本文針對導致原濾筒短期內(nèi)過濾功能失效的主要因素，如材料在海洋環(huán)境下匹配性差、整體結(jié)構(gòu)剛度弱等問題，有針對性的采取了措施，同時深入論證分析，最終選用BFe30-1-1倒圓臺板孔狀過濾結(jié)構(gòu)，并經(jīng)實船試用，表明新型濾筒的使用壽命大大提高。目前該結(jié)構(gòu)濾筒已取得實用新型專利。

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