某型艦主機海水管路的模擬沖刷腐蝕研究

周曉光 董彩常 宋偉偉 丁繼峰

（鋼鐵研究總院 青島海洋腐蝕研究所 青島 266071）

0 引 言

艦船海水管系是艦船推進保障系統(tǒng)、發(fā)電機組保障系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)的重要組成部分［1］，在保證船舶主要設(shè)備正常運行及安全、船舶平衡等方面起著重要作用。作為海水管路用材，其抗流動海水腐蝕性能是最為重要的技術(shù)要求之一。材料在流動海水中的腐蝕速率大小，以及是否出現(xiàn)早期沖擊腐蝕破損，是決定其使用壽命的關(guān)鍵因素［2］。海水管路一旦出現(xiàn)腐蝕破損，將影響設(shè)備正常運行甚至船舶的安全性；因此，在艦船設(shè)計階段，根據(jù)海水管系的防腐設(shè)計資料，建立適合的管路試驗?zāi)Ｐ?，對于評價海水管路的腐蝕防護效果，發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)，進而提出優(yōu)化設(shè)計方案具有重要的意義。

1 試 驗

1.1 試驗材料及方法

試驗所用材料為 DN200×3 m、DN125×1 m、DN65×1 m涂塑鋼管各一段，均帶有標(biāo)準(zhǔn)異徑三通；B10管材包括彎管、對焊管段和直管段，外徑都是φ57 mm，厚度3.5 mm。其中DN 50型90°彎管兩個；DN50×0.5 m對焊管段兩段；DN50×0.5 m直管段兩段。試驗介質(zhì)為青島小麥島海域表層天然海水，實驗海水部分理化性能見表1所示。

表1 實驗海域海水理化性能

1.2 試驗儀器

試驗儀器為11 kW和22 kW功率三相交流異步電動機與相應(yīng)水泵各一套；數(shù)顯式流量計；超聲波涂層測厚儀；電子天平（精確到0.0001 g）；數(shù)碼相機；海水管路模擬試驗裝置如圖1所示。

圖1 海水管路模擬試驗裝置圖

1.3 試驗方法

如圖1所示，B10管材之間通過鋼絲軟管串接，并采用不銹鋼管卡固緊。B10管內(nèi)海水流速設(shè)計為2.9 m/s與5.8 m/s，抽取天然海水泵入管路實驗系統(tǒng)，使用截止閥調(diào)整管路內(nèi)海水流速，分別開展模擬和加速沖刷腐蝕試驗。每天海水沖刷時間為8 h，試驗時間持續(xù)為60天。采用數(shù)碼相機記錄試驗前后管路形貌；采用失重法計算試驗后B10管質(zhì)量損失及腐蝕速度；采用超聲波測厚儀測量試驗前后涂塑鋼管涂層厚度。

2 試驗結(jié)果分析與討論

2.1 涂塑鋼管沖刷腐蝕試驗分析

內(nèi)表面涂塑是常用海水管路防腐蝕措施。涂塑后管系金屬通過塑料涂層與海水介質(zhì)隔絕，從而有效地保護管路。管系涂塑防腐蝕效果好、壽命長，可明顯提高耐海水沖刷腐蝕性能［1，3-5］。由于流體阻力小和防結(jié)垢的優(yōu)點，還可提高管系效率［6］。圖2為試驗前DN200、DN125及DN65涂塑鋼管的宏觀形貌，可以看出管系經(jīng)涂塑成型后，內(nèi)外表面均非常平整、光滑，表面成型質(zhì)量很好。

根據(jù)管路模擬試驗設(shè)計，DN125涂塑鋼管內(nèi)海水流速為2 m/s，DN65涂塑鋼管內(nèi)海水流速為4 m/s。表2為三段涂塑鋼管內(nèi)涂層在沖刷腐蝕前后平均厚度的對比情況。可以看出，不同管徑涂塑鋼管內(nèi)壁涂層的平均厚度變化不明顯，可以認(rèn)為涂塑能夠?qū)w鋼材料提供有效保護。

表2 涂塑鋼管內(nèi)涂層沖刷試驗前后厚度 μm

圖2 沖刷試驗前涂塑鋼管的宏觀形貌

經(jīng)60天沖刷腐蝕后，涂塑鋼管不同部位的腐蝕形貌如圖3所示（照片a、b、c分別對應(yīng)于圖1中端面a、端面 b 及端面 c）。 由圖 3（a）及（b）可以看出，涂塑鋼管的連接法蘭及管道內(nèi)表面整體保持了較好的防護狀態(tài)，涂層未見明顯脫落現(xiàn)象；但在DN200涂塑總管的DN125（海水流速為2 m/s）三通海水出口處，出現(xiàn)涂塑層破損現(xiàn)象。其原因可認(rèn)為在三通分流處，海水容易發(fā)生紊流從而導(dǎo)致沖擊腐蝕；同時，由于三通管徑變化，會形成一定的空泡腐蝕現(xiàn)象，氣泡的突然破裂會移除基體表面的涂層，加劇沖刷腐蝕效應(yīng)。

圖3 沖刷試驗后涂塑鋼管不同部位腐蝕形貌

試驗分析可知，涂塑鋼管整體耐沖刷腐蝕效果較好，但在海水總管三通出口處沖刷腐蝕加劇而發(fā)生涂層剝落現(xiàn)象。因此，在現(xiàn)行涂塑標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對三通等特殊部位應(yīng)采取加大涂塑厚度等針對性措施進行重點防護。

2.2 B10直管段、對焊管段和彎管沖刷腐蝕分析

銅鎳合金具有良好的耐海水腐蝕性能，廣泛用于艦船冷凝器、海水熱交換器及海水淡化處理設(shè)備管路中［7-8］。表3為B10管材不同管段在模擬/加速沖刷腐蝕試驗下的腐蝕速率。對比結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在同一流速下，B10管材腐蝕速率由大到小依次為彎管、對焊管段和直管段。彎管腐蝕速率要遠大于后兩者，這是由于彎管處湍流和空化加劇了沖蝕效應(yīng)。在加速沖刷情況下，隨著流速的增加，B10直管段、對焊管段和彎管腐蝕速率急劇增大。一般認(rèn)為銅合金在含氯離子介質(zhì)中，表面可形成一層氧化膜［9］。隨著流速的增加，B10材料表面剪切應(yīng)力增加，對表面氧化膜的破壞作用增強，故腐蝕速率增大［10-11］。

表3 B10直管段、對焊管段和彎管的腐蝕速率

圖4為模擬沖刷腐蝕流速下，各B10管段剖切后所示內(nèi)表面腐蝕形貌。

圖4 模擬沖刷腐蝕后B10管內(nèi)表面腐蝕形貌

如圖4（a）所示，經(jīng)長期沖刷腐蝕后，管材內(nèi)表面材料出現(xiàn)斑狀剝離，形成很淺的蝕斑。在管材對焊部位，焊縫及附近的熱影響區(qū)的腐蝕要比B10本體嚴(yán)重，呈現(xiàn)潰瘍狀腐蝕形貌，點蝕坑深度也大于直管部分，如4（b）所示。這可能是焊縫區(qū)內(nèi)凹凸不平的表面易造成紊流，加劇了沖蝕效應(yīng)；而熱影響區(qū)材料冶金及化學(xué)成分上的差異，使材料成分、組織不均勻［2］，都會增加管材的腐蝕速度。彎管部分內(nèi)部出現(xiàn)成片蝕斑，表明彎管部位發(fā)生了空泡腐蝕。腐蝕產(chǎn)生的破損表面又進一步加劇紊流、渦流的產(chǎn)生，從而形成惡性循環(huán)，加劇彎管部分的腐蝕［12］。

3 結(jié) 論

（1）涂塑鋼管在沖刷腐蝕情況下，內(nèi)壁涂層厚度變化很小，可以認(rèn)為采用涂塑能夠?qū)w鋼材料提供有效保護；但在海水總管三通出口處，由于紊流及空泡腐蝕作用，涂層出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，這些位置應(yīng)適當(dāng)采用加大涂塑厚度的措施進行重點防護，增加厚度可根據(jù)后續(xù)實驗進行探索。

（2）同一流速條件下，B10管材中彎管腐蝕速度最大，直管腐蝕速度最??；直管及對焊段個別部位發(fā)現(xiàn)蝕斑，但彎管部位腐蝕較嚴(yán)重，蝕斑成片出現(xiàn)；海水流速增大1倍時，三段管材腐蝕速率明顯增大。

（3）B10焊縫部位由于紊流及熱影響區(qū)材料成分、組織不均勻因素增加管材的腐蝕速度；而彎管部位由于空泡腐蝕效應(yīng)，造成管材內(nèi)壁出現(xiàn)成片蝕斑。

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