海水冷卻管內(nèi)襯共聚物后的電偶腐蝕

楊青松，張 波，董彩常，韓東銳

（1.91872部隊湛江研究室，湛江524002；2.鋼鐵研究總院 青島海洋腐蝕研究所，青島266071）

在以海水為冷卻介質(zhì)的設(shè)備中，如濱海石油化工廠、電廠、采油平臺及艦船的動力系統(tǒng)中的各類換熱設(shè)備，脫氧銅（TUP）紫銅管是常用的冷卻水輸送管道，而相連的泵、閥、換熱器等結(jié)構(gòu)常采用不銹鋼、雙向鋼、鈦合金等高耐蝕、高電位的金屬材料［1］。若流速超出TUP紫銅的限定值，則在沖刷腐蝕和電偶腐蝕的共同作用下，紫銅管腐蝕破損的危險性大大增加。在電絕緣還不能普遍實施的條件下，研究在TUP紫銅管上能夠采取的抑制電偶腐蝕的簡便、易行、有效的方法，具有重要現(xiàn)實意義［2］。

本工作通過對TUP紫銅冷卻水管內(nèi)壁內(nèi)襯乙烯-丙烯酸共聚物（EAA）［3］和涂敷特種涂層（環(huán)氧玻璃鱗片）后的模擬對比試驗研究，得出解決TUP紫銅管與高電位金屬結(jié)構(gòu)如鈦合金法蘭連接后產(chǎn)生的電偶腐蝕問題的方法，以保證TUP紫銅管系的安全使用。

1 試驗

1.1 海水浸泡腐蝕試驗

參照GB／T 7901-1999《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》，對鈦合金、TUP、EAA涂敷TUP、環(huán)氧玻璃鱗片涂敷TUP材料在海水中的穩(wěn)定電位進(jìn)行測量，得出材料自腐蝕電位的穩(wěn)定周期和變化規(guī)律，獲取材料的穩(wěn)定電位序。

試樣尺寸為100mm×50mm×3mm，在室溫下進(jìn)行試驗。試驗溶液為青島海域的海水。試驗周期為30d，60d和90d。TUP紫銅純度為99.95%。

1.2 電偶腐蝕試驗

參照GB／T 15748-1995《船用金屬材料電偶腐蝕試驗方法》，將鈦合金分別與TUP，EAA涂敷TUP、環(huán)氧玻璃鱗片涂敷TUP按不同面積比組成偶對，選擇3種陽極陰極面積比（1∶1，3∶1和5∶1）進(jìn)行電偶腐蝕試驗，測量電偶電流和偶合電位隨時間的變化，對涂層的絕緣效果進(jìn)行比較研究。

試樣用機(jī)械加工方法制備和特定涂裝工藝涂裝，Ra最大允許值為3.2μm。試驗溶液為pH＝8的3.5%氯化鈉溶液，由分析純化學(xué)試劑和蒸餾水配制而成。試驗溫度為35℃，水浴控溫。試驗周期為15d。

1.3 模擬試驗

通過流動海水管道試驗對不同的涂層涂敷面積、距異金屬連接處的涂敷距離與絕緣保護(hù)效果的關(guān)系進(jìn)行研究，驗證EAA粉末涂層對抑制TUP冷卻水管與鈦合金法蘭間電偶腐蝕的有效性。

定制帶法蘭的TUP管和鈦合金管，對TUP管按照內(nèi)壁無涂敷和涂敷不同面積的EAA粉末涂層或環(huán)氧玻璃鱗片涂層制成可接入管路的試驗材料。運用流速可連續(xù)調(diào)節(jié)、介質(zhì)為天然海水的開路式高流速海水管路系統(tǒng)，進(jìn)行流動海水腐蝕試驗，監(jiān)測配對試驗材料間的電偶電流。每組試驗連續(xù)監(jiān)測時間為30h，試驗結(jié)束后得出穩(wěn)定電偶電流，并與靜態(tài)條件下的電偶電流作對比，得出結(jié)論。

1.4 掃描電鏡形貌分析

采用飛利浦XL30型掃描電鏡對在TUP底材上涂覆有玻璃鱗片和襯塑的樣品縱切面進(jìn)行微觀形貌的觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 浸泡試驗

試驗30d后四種試驗材料的自腐蝕電位趨于穩(wěn)定，初始電位和穩(wěn)定電位如表1所示。EAA涂塑TUP涂層密封保護(hù)良好，與介質(zhì)完全絕緣，測不出電位。玻璃鱗片涂敷TUP的穩(wěn)定電位明顯高于TUP裸板的電位。

表1 室內(nèi)浸泡試驗材料的初始電位和穩(wěn)定電位

2.2 電偶試驗

Ti-TUP，Ti-EAA涂敷TUP，Ti-玻璃鱗片加強(qiáng)環(huán)氧漆涂敷TUP等3對材料試樣按1∶1，1∶3，1∶5，3∶1和5∶1五種面積比進(jìn)行電偶試驗，測得的偶合電位隨時間變化如圖1～圖3所示。

結(jié)果表明，Ti-TUP（涂塑）、Ti-TUP（玻璃鱗片）兩種偶合在試驗過程中檢測不到偶合電流，也就是說，由于涂層對TUP的保護(hù)，使TUP基本上完全與介質(zhì)隔開，因此并未與Ti形成明顯的偶合效應(yīng)。試驗所測的偶合電位與電偶瞬間斷開后所測的鈦的開路電位完全相同，而將電偶瞬間斷開后測不到TUP（涂塑）和TUP（玻璃鱗片）的電位。

從圖1的Ti-TUP偶合電位曲線可以看出，五種面積比下的初始偶合電位基本接近，在-0.2V左右，隨著時間延長，面積比為3∶1和5∶1的兩組偶對偶合電位正移，大于-0.1V。從圖2和圖3的比較來看，盡管都測不到電偶電流，但Ti-TUP（玻璃鱗片）偶合電位穩(wěn)定值與Ti-TUP偶對的面積比關(guān)系更明顯，3∶1和5∶1偶對的偶合電位明顯高于1∶1，1∶3，1∶5偶對的偶合電位，1∶5偶對的偶合電位值最低，符合電偶腐蝕的基本規(guī)律特征。這表明玻璃鱗片涂層對TUP表面的封閉效果低于EAA涂塑的封閉效果，仍存在可透過介質(zhì)的微觀孔隙。

2.3 高流速海水管路模擬試驗

（1）管路制備 分別在鈦管、涂塑（玻璃鱗片）銅管、未涂塑（玻璃鱗片）銅管部位安裝Ag／AgCl參比電極，監(jiān)測這些測量點處的電位變化，以及Ti-TUP之間的偶合電流變化，據(jù)此判斷偶合狀態(tài)。

偶合管路上鎳管內(nèi)徑70mm，管長250mm，兩端焊接鈦法蘭，管上鉆孔后安裝參比電極。銅管內(nèi)徑97mm，管長為500mm，1 000mm和1 500mm，管兩頭裝有銅法蘭。500mm銅管內(nèi)部和兩端法蘭面全部涂塑或玻璃鱗片；1 000mm銅，1 500mm銅管與鈦法蘭連接的一端均內(nèi)襯涂層，另一端則保留一段原始未襯狀態(tài)，未襯管長均為200mm，襯里為襯塑和玻璃鱗片兩種涂層。另外做500mm銅裸管做對比試驗。在管路上，一組鈦管和銅管通過法蘭連接后，與其他管段通過工程塑料管連接，以保證各組試驗管段間彼此絕緣。

（2）參比電極的制備 該試驗采用Ag／AgCl參比電極，電極在3.5%NaCl（AR）的溶液中，活化六天，然后用蒸餾水浸泡備用，每次試驗前用標(biāo)準(zhǔn)電極進(jìn)行電位校準(zhǔn)，記錄數(shù)據(jù)。

試驗管路接入高流速海水試驗裝置后，開啟海水泵，通過調(diào)節(jié)海水流量控制海水流速為7m·s-1，分別測各參比電極處的電位、Ti-TUP偶合電流，初始15min計數(shù)一次，2h后30min計數(shù)一次，4h后1h計數(shù)一次。將各組管段上測得的電流對時間作圖，見圖4。

圖4 襯塑銅管與鈦法蘭偶合電流-時間曲線

當(dāng)管路上Ti-Cu間有電偶電流時，鈦的電位將由于極化作用而負(fù)向移動。從高流速管路試驗結(jié)果來看，銅管內(nèi)襯塑或玻璃鱗片涂層后，均能起到有效的絕緣隔離效果。由圖4可見，當(dāng)管內(nèi)壁完全為襯塑涂層覆蓋時（0.5m銅管），測不出電偶電流。由圖5可見，0.5m銅管全部內(nèi)襯環(huán)氧玻璃鱗片時，測出的電偶電流值也很?。ㄐ∮?μA），表明當(dāng)銅管和法蘭連接面全部涂塑或玻璃鱗片后，電偶腐蝕被抑制，幾乎沒有電偶電流產(chǎn)生，鈦管維持自腐蝕電位。

圖5 內(nèi)襯環(huán)氧玻璃鱗片銅管與鈦法蘭偶合電流-時間曲線

當(dāng)內(nèi)襯銅管上有裸管時，管路上有電偶電流產(chǎn)生，鈦管電位負(fù)移。由圖4、圖5可見，當(dāng)內(nèi)襯銅管上有裸管時電偶電流較被涂層完全覆蓋的管路大得多，平均15～30μA。分析圖中的數(shù)據(jù)，在試驗管路中，內(nèi)襯涂層的有限長度變化對其后連接的裸管電偶腐蝕的影響不明顯。在本試驗的管路長度范圍內(nèi)，延長涂敷區(qū)長度（1.5m比1m管涂敷區(qū)長500mm），未見對電偶腐蝕的抑制效果，可見只有當(dāng)內(nèi)襯涂層足夠長時，才能由于電化學(xué)原電池內(nèi)阻增加而減小電偶效應(yīng)。另外，同一流速下，襯塑管的電偶電流小于內(nèi)襯玻璃鱗片管。

內(nèi)襯涂層涂敷在與鈦管直接相連的銅法蘭和管段上后，抑制了該處的電偶腐蝕，將電偶電流分散到遠(yuǎn)離連接處的后續(xù)管道上。若能在管路上對銅管進(jìn)行盡可能長的內(nèi)襯處理，則不僅電偶腐蝕可以被抑制甚或完全消除，銅管的自腐蝕也會得到有效抑制，尤其在變徑、彎頭等受流速影響敏感的部位，均可有效提高耐蝕性，延長使用壽命。

2.4 微觀形貌

圖6，圖7分別為EAA襯塑涂層、玻璃鱗片涂層與TUP底材的交界面的微觀形貌。

圖6 襯塑與TUP底材成型面界面

圖7 玻璃鱗片與TUP底材界面

由圖6，圖7可見，玻璃鱗片涂料與襯塑涂層在TUP底材上結(jié)合良好，覆蓋致密，能夠成為一體。玻璃鱗片涂料表面光滑，顆粒度小，質(zhì)地細(xì)膩；襯塑涂層表面雖有凹凸，但涂布均勻，覆蓋性好，涂層與底材之間保持致密的結(jié)合。

3 結(jié)論

（1）TUP銅管內(nèi)壁內(nèi)襯乙烯-丙烯酸共聚物（EAA）或涂敷環(huán)氧玻璃鱗片，能夠抑制與鈦法蘭等高電位金屬連接處的電偶腐蝕。

（2）EAA涂塑TUP涂層密封保護(hù)良好，與介質(zhì)完全絕緣，在海水浸泡試驗中測不出自腐蝕電位。Ti-TUP（涂塑）、Ti-TUP（玻璃鱗片）兩種偶合檢測不到偶合電流，表明兩種涂層對TUP保護(hù)效果良好。

（3）管道內(nèi)襯涂層后可將電偶電流分散到遠(yuǎn)離連接處的后續(xù)管道上，雖然電流因電連接仍能維持，但局部電偶腐蝕效應(yīng)已變得不明顯，能夠達(dá)到抑制電偶腐蝕的目的。

［1］王曰義.海水冷卻系統(tǒng)的腐蝕及其控制［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006，56-59.

［2］尹建平，謝禮波.艦船長效防腐保護(hù)涂層［J］.環(huán)境技術(shù)，2001，18（6）：39-41.

［3］孫勝，趙三元，柏永清，等.涂塑鋼管常用的塑料粉末涂料［J］.鋼管，2000，29（1）：58-60.

［4］陳仁慈，周寶茂.塑覆銅水管的制造技術(shù)［J］.化學(xué)建材，2006，22（5）：22-23.