HDR雙相不銹鋼海水管路防腐技術(shù)研究

曾凡其，李子清，華小軍

(1.海軍92823部隊，海南 三亞 572021;2.海軍91367部隊，海南 ?？?570311)

0 前言

船舶上有多種海水管路系統(tǒng)，如消防系統(tǒng)、疏排水系統(tǒng)、艙底水系統(tǒng)、生活污水系統(tǒng)及各種海水冷卻系統(tǒng)等。海水管路的流速一般較高，常對管路造成湍流腐蝕、沖蝕及空泡腐蝕。

上世紀90年代后期，我國新造船舶的海水管路開始使用HDR雙相不銹鋼材料。應(yīng)用初期，由于配套材料不完善 (如沒有配套的雙相不銹鋼專用焊條、管附件、法蘭等)，維修廠對HDR雙相不銹鋼的使用及施工工藝掌握不熟練，致使海水管路系統(tǒng)中的連接法蘭和彎管焊接處易出現(xiàn)嚴重的腐蝕泄漏，而管路中HDR材料本身并沒有腐蝕。管路系統(tǒng)的腐蝕嚴重影響了船舶的正常使用，許多維修廠對HDR不銹鋼材料仍然較陌生，對腐蝕的原因不清楚，缺乏相關(guān)的焊接經(jīng)驗，給維修帶來了很大困難。

目前，我國在船舶防腐蝕技術(shù)方面已經(jīng)有了很大的進步，從設(shè)計、建造上已經(jīng)有了防腐蝕技術(shù)措施和要求，HDR雙相不銹鋼管材的配套已基本完善。采用正確的焊接加工工藝及先進的防止異種金屬接觸腐蝕措施是完全可以解決HDR雙相不銹鋼海水系統(tǒng)的腐蝕問題。

本文主要深入地研究HDR雙相不銹鋼與其它金屬材料的電偶腐蝕特性及解決電偶腐蝕的技術(shù)，使部隊及工廠掌握HDR雙相不銹鋼管路系統(tǒng)的維修技術(shù)，保障船舶的正常運行。

1 HDR雙相不銹鋼成分組織及耐蝕性研究

1.1 HDR雙相不銹鋼的成分和金相組織觀察

HDR雙相不銹鋼與紫銅、白銅及一般不銹鋼的化學成分如表1所示。

從HDR雙相不銹鋼板材的金相組織觀察可知，雙相不銹鋼中夾雜物主要呈球形 (角塊狀，顆粒狀)，夾雜物量較少，且較細小。一般來說，管材和板材均為鐵素體和奧氏體的雙相組織，在其鐵素體和奧氏體的含量相差不大時，它的耐蝕性最好。實際應(yīng)用中的雙相不銹鋼應(yīng)嚴格控制其成分和熱處理制度，使材料中鐵素體和奧氏體的含量比符合要求是很關(guān)鍵的。焊接對材料的組織影響較大，未經(jīng)固溶處理的其組織形態(tài)基本上為鑄態(tài)結(jié)晶組織。經(jīng)金相分析其組織也為鐵素體和奧氏體。

表1 海水管路系統(tǒng)常用材料化學成分 wt%

1.2 HDR雙相不銹鋼及管路系統(tǒng)常用材料的自腐蝕電位測定

1)試驗材料。

HDR雙相不銹鋼鋼板及焊縫材料，HDR雙相不銹鋼管材，1Cr18Ni9Ti板材及 B10、B30、A3、TUP管、鎳鋁青銅、鋁黃銅等。

2)試驗方法。

將試驗材料按金相樣品要求加工成試樣，用石蠟涂封非工作面后，在人工海水中浸泡，試驗溫度為室溫。試驗時間為120 d，在第一天每小時測量一次電位，以后每12 h測量一次。參比電極為飽和甘汞電極，測量儀器為VC98數(shù)字式萬用電表。

3)試驗結(jié)果。

HDR板材及焊縫自腐蝕電位隨時間的變化關(guān)系與管材基本相同。雙相不銹鋼電位在7 d左右達到穩(wěn)定，且穩(wěn)定自腐蝕電位變化較小。而銅合金材料在海水中的電位存在較大漂移，其電位很難穩(wěn)定，電位較穩(wěn)定的時間都在60 d以后，且電位穩(wěn)定后存在30～40 mV的電位漂移，試驗監(jiān)測的穩(wěn)定自腐蝕電位從高到低的電位序列為:HDR管材、板材→HDR焊縫→鎳鋁青銅、B30→鋁黃銅→紫銅→B10、鋁青銅→錫青銅→A3鋼。如表2所示。

表2 不同材料在人造海水中的穩(wěn)定電位和時間

1.3 HDR雙相不銹鋼與其它金屬之間的電偶腐蝕特性

1)試驗方法。

試驗采用HDR雙相不銹鋼和其他幾種材料偶接的方式，面積比為1∶1和5∶1，各種材料的試驗面積均為6 cm2，試驗溶液為人造海水，溶液量5 L，各電價對分別在不同的容器中進行測試，溫度為室溫，每周更新溶液一次，并用電偶腐蝕計測量電偶電流和電位。試驗共進行了85 d。

2)試驗結(jié)果。

各電偶對的平均電偶電流如表3和表4所示。

表3 各電偶對的平均電偶電流

表4 HDR和B10與其他金屬材料偶合平均電流密度

從試驗結(jié)果可以看出，HDR雙相不銹鋼與各種材料偶接都會加速其他材料的腐蝕，其中以碳鋼腐蝕最為劇烈，而銅合金的腐蝕速度相對較小，且相差不大。從HDR雙相不銹鋼和B10與兩種船舶用鋼的電偶腐蝕結(jié)果可以看出，偶接都加速了陽極相的腐蝕，陰陽極面積比越大，電偶效應(yīng)越大，無論陰陽極面積比是1∶1還是5∶1，B10和船體材料偶接時的電偶電流都大于HDR雙相不銹鋼和船體材料偶接時的電偶電流。

不同材料溶液中形成電偶效應(yīng)時，其電偶電流的大小，不僅與偶接材料之間的電位差有關(guān)，還與材料的表面狀態(tài)和溶液的電導率有關(guān)。電位差是形成電偶腐蝕的熱力學條件，當溶液的電導率相同時，材料的表面狀態(tài)對電偶電流的影響就較大，一般說來，形成電偶效應(yīng)時，陽極發(fā)生的是金屬的溶解反應(yīng)，陰極發(fā)生的是氧的去極化反應(yīng)。由于HDR雙相不銹鋼在海水中很容易鈍化，其表面的鈍化膜較厚，因此表面的氧去極化反應(yīng)較弱，從而導致整個電偶電流較小。這正是銅合金的電偶電流比HDR雙相不銹鋼大的主要原因。

1.4 HDR雙相不銹鋼的點蝕性能研究

1)試驗方法。

試驗材料有HDR雙相不銹鋼板材、HDR雙相不銹鋼焊縫材料和1Cr18Ni9Ti。試樣用環(huán)氧樹脂封裝，封裝前用60℃30%硝酸鈍化2 h;試樣工作面積1 cm2。試樣用水磨砂紙磨至1 500#。試驗溶液為3%NaCl，試驗溫度為 (30±1)℃和 (50±1)℃，采用動電位掃描的方法，掃描速度20 mV/min，試驗前電解池通氫30 min除氧。

2)試驗結(jié)果。

由陽極極化曲線 (圖略)可以確定各材料的點蝕電位，結(jié)果如表5所示。

表5 2種不銹鋼材料的點蝕電位測量結(jié)果

由表5知，溫度由30℃升高至50℃時，雙相不銹鋼的點蝕電位值發(fā)生了陡降，說明溫度對HDR雙相鋼的點蝕誘發(fā)敏感性有較大影響，而對奧氏體不銹鋼 (1Cr18Ni9Ti)的點蝕電位影響不大。

2 HDR不銹鋼使用與維修中電絕緣措施研究

2.1 海水管系中的電偶腐蝕問題

1)海水管系中的常見結(jié)構(gòu)。

在以HDR為主要海水系統(tǒng)材料的管系中，除了載荷流水的管子外，還有各種結(jié)構(gòu)或附件，如:①聯(lián)結(jié)管段的法蘭;②驅(qū)動海水流動的泵;③控制海水流通的各種閥;④過濾海水的粗濾器;⑤測定海水壓力的測壓表;⑥海水冷卻系統(tǒng)中的冷卻器;⑦空調(diào)冷卻系統(tǒng)中的冷凝器。

2)海水管系結(jié)構(gòu)中主要使用的金屬材料。

①B10(白銅，銅鎳合金，含鎳10%);②鋁青銅，鎳鋁青銅，錫青銅 (主要是銅錫合金)，海軍黃銅;③馬氏體不銹鋼，奧氏體不銹鋼，碳鋼，鑄鐵。

大量的實船調(diào)研及管材之間的腐蝕特性試驗已經(jīng)表明，HDR雙相不銹鋼與這些材料發(fā)生電連接時，由于HDR不銹鋼的電位較正，HDR不銹鋼與其它材料之間會形成腐蝕電偶，HDR鋼為陰極，其它材料為陽極。尤其是HDR鋼與碳鋼、鑄鐵、黃銅等材料之間的電位相差較大，會發(fā)生強烈的電偶作用，使后者發(fā)生嚴重的腐蝕。如HDR不銹鋼管子上的碳鋼法蘭，閥門中的鑄鐵，黃銅部件都易發(fā)生嚴重的腐蝕。

2.2 海水管系中防止電偶腐蝕的措施

由于船舶上使用的HDR不銹鋼的海水管路不可避免地要與不同金屬制件連接，如碳鋼法蘭、其它金屬制造的閥、泵、壓力表頭等，從而出現(xiàn)了電偶腐蝕問題。

解決HDR不銹鋼海水系統(tǒng)的腐蝕，最關(guān)鍵的技術(shù)就是將HDR不銹鋼管與其它金屬制造的附件之間進行有效的、完全的電絕緣隔離。管子與其它附件的連接方式，多以法蘭連接為主，也有其它方式的連接。

1)異種金屬法蘭連接的電絕緣設(shè)計。

海軍裝備部最新頒布的《船舶防腐防漏系列技術(shù)要求之十六——船舶海水管系電絕緣技術(shù)要求》，對海水管系防止異種金屬接觸腐蝕提出了明確的要求，此外，國外船舶也有較先進的防止異種金屬接觸腐蝕的方法。借鑒這些規(guī)范及技術(shù)，結(jié)合HDR不銹鋼的特點，本文對修理中異種金屬法蘭連接的電絕緣結(jié)構(gòu)提出以下設(shè)計要求。

當HDR不銹鋼與其它金屬制造的附件進行法蘭連接時，應(yīng)采用絕緣套筒和絕緣墊片使HDR鋼管法蘭與其它材質(zhì)法蘭絕緣。

由于各種海水系統(tǒng)分布于全船，各管系要穿過多個艙室，其中有些艙室有空調(diào)，濕度小，可以采用上述結(jié)構(gòu)。有些艙室濕度較大，會導致海水管系表面及法蘭的表面結(jié)露;有些艙室底部常有積水，當海水管路從艙底穿過時，管路可能浸入積水中;其它泵、閥泄漏的水可能滴在異種金屬接觸的法蘭表面，從而導致絕緣法蘭的銅測量片與HDR鋼之間，或銅測量片與其它材質(zhì)之間的電偶腐蝕。積水也會導致縫隙腐蝕，因此在濕度大的艙室，或通過易積水艙底的管路，它們的絕緣法蘭建議不添加銅測量片，以免引起電偶腐蝕或縫隙腐蝕。

2)避免電偶腐蝕管路的其它絕緣措施。

海水管系在全船鋪設(shè)時，需要大量的吊、支架，這些吊、支架一般焊在船體鋼結(jié)構(gòu)上。如果管子與吊、支架間沒有絕緣，則法蘭絕緣的兩側(cè)異種金屬仍可通過吊、支架發(fā)生導電連接，電偶腐蝕仍不能避免。

因此，在HDR管系的維修中，海水管系與所有固定用吊、支架之間必須進行電絕緣。采用專用的電絕緣吊、支架，也可襯橡膠墊，吊、支架卡環(huán)與管路外壁之間所墊橡膠墊的總厚度必須大于12 mm。橡膠墊材料的邵氏硬度為55～65。

3 電絕緣狀態(tài)的監(jiān)測

經(jīng)過電絕緣措施處理的HDR雙相不銹鋼管系，應(yīng)對絕緣法蘭進行電絕緣檢查。

1)管系干燥狀態(tài)的測量方法。

在管系組裝完畢并處于干燥狀態(tài)時，用500 V兆歐表或?qū)Ｓ脙x表，采用“電阻”法對各絕緣部位進行測量以確定絕緣的可靠性，測量方法見圖1所示，分別測量點1－2、1－3、2－3間的電阻。

圖1 管系干燥時電絕緣狀態(tài)測量法

當發(fā)現(xiàn)某一絕緣法蘭絕緣失效，兩側(cè)不同金屬出現(xiàn)短路，或電阻很小，此時可進一步檢查法蘭中短路發(fā)生的具體部位，即用兆歐表檢查法蘭盤上每一個螺栓的絕緣情況。如果有某個螺栓電阻很小，說明該螺栓絕緣失效;如果所有的螺栓絕緣都很好，那么就有可能是法蘭盤間的絕緣失效。

2)管內(nèi)有海水或潮濕狀態(tài)時的絕緣測量。

當管內(nèi)充滿海水，或者管內(nèi)相當潮濕時，絕緣法蘭的兩側(cè)金屬通過海水導電，此時絕緣法蘭兩側(cè)金屬之間的電阻將很小，用電阻法不能確定絕緣效果。此時，可將絕緣法蘭兩側(cè)金屬看成是浸在海水電解質(zhì)中的兩個電極，如果絕緣法蘭的絕緣效果好，則相當于兩電極之間是開路狀態(tài)，兩電極之間的電位差就是兩金屬在海水中的電位差;如果絕緣法蘭絕緣失效，相當于兩側(cè)金屬發(fā)生短路，則兩側(cè)金屬的電位趨于相等，相當于電池兩極間短路的情況。此時可用電壓表測量絕緣情況，如圖2所示。圖2中5、6段為未進行電絕緣的管段，其余為進行電絕緣的管段。如果被測量的管段3與相鄰的三側(cè)管或附件之間有良好絕緣，則:①管段3與船體之間的電位差應(yīng)等于HDR鋼與船體鋼之間的電位;②管段3與青銅閥之間的電位差應(yīng)等于HDR鋼與青銅閥之間的電位。

圖2 管系有海水時電絕緣狀態(tài)測量法

圖2中使用電流表也可以測量絕緣情況，如管段3為HDR雙相不銹鋼，當絕緣情況良好時，其電位要比船殼體電位高的多，當在管段3與船體之間加一電流表時，由于兩者之間電位差很大，則流經(jīng)電流表的電偶電流也將很大。如果電流讀數(shù)大于1 mA，則認為絕緣滿足要求，如果電流小于1 mA，則可能絕緣情況不好，管段3已經(jīng)與船體之間有一定的電導通。

但是，如果HDR鋼管段與青銅閥之間的絕緣情況好，由于HDR雙相不銹鋼與青銅之間的電位差小，當測量管段3與青銅閥之間的電流時，則所測電流值也將很小。究竟電流以多大為準，還不好確定。建議，測量絕緣法蘭的每一個螺栓與兩個法蘭盤之間的絕緣電阻。

3)電絕緣狀態(tài)判據(jù)。

當管系剛剛安裝完畢，在干燥狀態(tài)下進行電絕緣測量，如用兆歐表測量電阻值大于0.1 MΩ，則認為電絕緣合格，否則為不合格。

在管路工作狀態(tài)或潮濕狀態(tài)，可用安培計－歐姆計－伏特計法進行電絕緣檢測，根據(jù)測量的數(shù)據(jù)，按表6判斷電絕緣管接頭絕緣零件是否合格。

4 結(jié)束語

1)HDR雙相鋼材料的耐蝕性相當好，在使用中存在嚴重泄漏，主要原因是艦員和修理廠家對該鋼的認識不足，對腐蝕的原理不明，致使管理和修理上都存在問題。

2)對HDR雙相不銹鋼的成分和金相組織分析表明，熱處理制度和成分對鋼中鐵素體和奧氏體的含量有重要影響，進而影響鋼的力學性能和耐蝕性能。

3)HDR雙相不銹鋼與各種材料偶接都會加速其他材料的腐蝕，其中以碳鋼腐蝕最為劇烈，而銅合金的腐蝕速度相對較小，且相差不大。溫度對HDR雙相鋼的點蝕誘發(fā)敏感性有較大影響，而對奧氏體不銹鋼的點蝕電位影響不大。

4)HDR雙相不銹鋼和其他材料連接時應(yīng)采取可靠的電絕緣措施，并對電絕緣效果檢測和監(jiān)測。

表6 電絕緣零件絕緣效果判據(jù)