鈦合金在鋁合金艦船海水管路系統(tǒng)的應用

黎理勝 徐文珊 陳萬宏 何秦珊

（廣州船舶及海洋工程設計研究院 廣州510250）

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鈦合金在鋁合金艦船海水管路系統(tǒng)的應用

黎理勝 徐文珊 陳萬宏 何秦珊

（廣州船舶及海洋工程設計研究院 廣州510250）

［摘 要］鈦合金具有質(zhì)量輕、強度高、耐海水腐蝕、無磁性等特點，在軍用艦船上具有廣泛的應用前景，尤其適用于對重量控制和防腐蝕要求較高的高速艦船、鋁合金艦船。某型鋁合金艇采用鈦合金海水管系，經(jīng)過十多年的使用表明具有良好的效果。該文詳細介紹該艇鈦合金管系選材、設計、施工、應用效果及存在問題，并提出鈦合金材料在艦船上應用的建議。

［關鍵詞］鈦合金；鋁合金船；海水管系；腐蝕與防護

徐文珊（1965 -），女，研究員，研究方向：艦船總體舾裝設計。

陳萬宏（1973 -），男，碩士，高級工程師，研究方向：艦船輪機設計。

何秦珊（1966 -），女，高級工程師，研究方向：艦船輪機設計。

引 言

鈦合金具有質(zhì)量輕、強度高、耐海水腐蝕、無磁性等特點，在艦船上應用有相當廣泛的空間［1］。過去由于鈦合金價格偏高且加工及施工工藝困難，因此除了造價較高的鋁質(zhì)快艇外，一般艦船唯有望洋興嘆、不敢涉足其中。近年隨著國內(nèi)鈦合金價格明顯下降以及應用工藝日趨成熟，鈦合金在艦船上的推廣應用也如火如荼。然而，業(yè)內(nèi)專家對鈦合金能否在艦船上使用及如何使用，也持不同觀點或表示擔心。

眾所周知，鋁合金具有質(zhì)輕、無磁、優(yōu)良的工藝性能和較好的耐海水腐蝕性能，這對于降低空船質(zhì)量、提高載貨能力和航速有顯著優(yōu)勢。相對于鋼質(zhì)船來說，鋁合金船具有高速、節(jié)能的特點，因此鋁合金已經(jīng)發(fā)展成為用于造船的主要船體材料之一，采用鋁合金取代原來鋼鐵作為高速船的基本造船材料已成為一種主流［2］，國內(nèi)外大多數(shù)高速民用客船、部分軍用快艇均采用鋁合金船體材料。

鋁合金材料本身具有較好的耐海水腐蝕性能。在氧化膜完整、涂層完整的情況下，具有不遜于鋼材的耐腐蝕性能。但是，鋁合金在海水中的電位比其他艦船制造中應用的金屬低，船體材料的使用帶來的突出問題是電化學腐蝕問題。船上配置的大量異種金屬的系統(tǒng)設備通過基座等安裝在船體上，需要采取各種絕緣措施進行防腐蝕處理。如海水管系，在鋼質(zhì)船上為解決腐蝕問題，通常采用耐腐蝕性能優(yōu)良的銅管。但是由于銅與鋁之間的電位差較大，鋁質(zhì)船上嚴禁采用銅質(zhì)管系。過去的普遍做法是采用不銹鋼管及附件，隨著鈦合金技術成熟及價格降低，鈦合金管因其質(zhì)量輕、耐腐蝕性能優(yōu)越，在對質(zhì)量控制非常嚴格的高速船或軍用艦船上逐漸具備了代替不銹鋼管的可能性。但是目前鈦合金材料在造船上的應用遠不如鋼鐵，在設備配套、管路配套方面尚不完善，也沒有相應的設計規(guī)范或標準。

廣州船舶及海洋工程設計研究院（以下簡稱“廣船院”）在鋁合金船舶及艦船的長期設計研究中，在鈦合金管系的使用上積累了較多經(jīng)驗，尤其通過21世紀初期研制的某型快艇的大批量應用和長期保障跟蹤，對鈦合金管路和附件設計、配套和使用效果均有了較清晰的認識。本文將以此為案例，在海水管系選材決策、設計原則、防腐防污措施、施工情況以及存在問題等方面作系統(tǒng)介紹，相信對于鈦合金在艦船上的推廣應用有一定的借鑒作用。

1　管系選材決策

1.1存在問題

高速快艇采用鋁質(zhì)為主體材料的優(yōu)點在于可有效減輕船體質(zhì)量，然而常規(guī)配套設備和管路材料主要是鋼質(zhì)、銅質(zhì)或不銹鋼等，如果相關配套設備和管路附件仍按常規(guī)選擇，勢必對控制船艇總體質(zhì)量和防腐帶來不利影響。這是鋁質(zhì)快艇在設計初期面臨的關鍵問題之一。

1.2選材研究

在鋁質(zhì)快艇研制初期，根據(jù)鋁合金在海水中的腐蝕特點，管系設計在滿足質(zhì)量控制和防腐蝕要求的前提下，提出采取非常規(guī)材料的設想，并協(xié)同相關單位開展了防腐蝕技術研究，對常用的不銹鋼、碳鋼、銅合金、鋁合金以及鈦合金材料開展了各項試驗。

1.2.1艇用鋁材及管系材料的腐蝕特性試驗研究

由于電位差較大的原因，鋁質(zhì)快艇海水管路材料無法使用銅類合金材料。同時，為減輕質(zhì)量也未采用不銹鋼材料，海水管系材料考慮在鋁合金、鈦合金和玻璃鋼材料中選取。而管路附件（如泵、閥、熱交換器等）的制造難度更大，可能需要采用的鑄銅、鑄鋁及不銹鋼類材料。在當時的條件下，國內(nèi)缺乏鋁、鈦合金管路材料腐蝕數(shù)據(jù)和使用經(jīng)驗，包括鑄銅、鑄鋁及不銹鋼類材料與管路材料偶接后的腐蝕形態(tài)及數(shù)據(jù)積累。此外，盡管5083船體板材和6061型材這兩種鋁合金已在國外快艇上得到廣泛應用，但國內(nèi)尚缺乏其腐蝕數(shù)據(jù)。通過課題研究以及系列試驗［3］，我們獲得了寶貴的數(shù)據(jù)，并得出以下主要結論：

（1）鈦合金質(zhì)輕，強度大。表1為鈦合金與其他幾種常用金屬的比強度［4］。

表1　鈦合金與其他幾種常用金屬比強度

（2）鈦合金耐腐蝕性好。參試金屬中，TA2鈦合金的耐蝕性最強，基本不腐蝕；其次是不銹鋼材料1Cr18Ni9Ti，即使在高流速海水中，也僅有微弱腐蝕；鋁合金5083和LF15、銅合金B(yǎng)10和QniAl在靜止海水中的耐蝕性比較好，腐蝕率較小，但隨著海水流速的增加，耐蝕性降低；20號碳鋼在試驗材料中的耐蝕性最差，在流動海水中腐蝕率迅速增加。

（3）據(jù)有關資料顯示，海水沖刷是影響管道腐蝕性的直接因素，而海水流速增加會使管道中易形成渦流的部位受到更嚴重的局部腐蝕［5］。通過對比發(fā)現(xiàn)，鈦合金耐海水沖刷腐蝕的能力較B10銅合金要強很多。另外，還需通過改善管道設計來減小水流的不均勻性。

（4）5083、LF15鋁合金在與其他常用管系金屬材料組成的電偶對中，均作為陽極受到加速腐蝕，偶合腐蝕加速顯著，流動海水中的偶合效應也遠大于靜止海水。加大5083與陰極材料的面積比，可有效降低電偶腐蝕。

（5）因銅在海水中的溶蝕產(chǎn)物會使臨近的鋁腐蝕加劇，所以在管系流道中，若銅在上游、鋁在下游，則不應同時使用銅、鋁構件。海水中銹蝕較重的碳鋼等材料也應避免在水流上游與鋁合金材料緊鄰聯(lián)結，以避免腐蝕產(chǎn)物過度沉積聚結后使兩種材料間逐漸導通。

（6）鈦合金在海水中的耐蝕性是常用金屬材料中最好的，基本沒有腐蝕，與艇體同壽命。由于鈦的陰極極化、陽極極化性均很強，雖然在海水中的穩(wěn)定電位比較高，但與其他材料發(fā)生耦合時，耦合效應小于同樣電位差的其他金屬偶對，如對鋁合金的電偶腐蝕顯著低于不銹鋼、銅合金的影響。在一定的面積比范圍內(nèi)，鈦合金與不銹鋼、青銅之間的電連接不會使后者的腐蝕速度明顯增加。

總而言之，基于研究成果和鋁質(zhì)快艇減重防腐的特殊要求，海水系統(tǒng)選用鈦合金作為管路，可充分發(fā)揮鈦合金耐海水沖蝕性強、電偶腐蝕輕、對艇體腐蝕少等優(yōu)點。在一定的面積比范圍內(nèi)，鈦合金與不銹鋼、青銅之間的電連接不會使后者的腐蝕速度明顯增加，且鈦合金的比重較鋼、銅的比重低，可滿足艇總體分配的質(zhì)量指標要求。

1.2.2海水管系及內(nèi)艙艙底陰極保護研究

船尾軸和設備的泄漏，會造成艦船艙底不可避免存在積水。艦船艙底內(nèi)底板積水會含有大量油污和細菌，其腐蝕性比普通海水大得多，艙底的腐蝕已成為艦船腐蝕最突出的問題之一。對于鋁質(zhì)快艇，由于5083、6061鋁合金的自腐蝕電位較低，與銅、鋼接觸將會造成鋁材首先發(fā)生腐蝕。盡管鋁質(zhì)快艇內(nèi)艙艙底有涂料保護，但其防腐壽命往往難以達到一個中修期。艙底積水是造成內(nèi)板腐蝕的直接因素，特別是在艙底留有銅質(zhì)或鋼質(zhì)螺母、螺釘、焊條、工具等時，會加速底板的局部腐蝕穿孔。如在流速控制和三通、變徑、彎頭等處的防空泡設計或施工出現(xiàn)差錯時，會造成海水管系的嚴重腐蝕。因此，研究艙底和管系犧牲陽極材料，是保護艙底底板和管系免遭異常腐蝕的重要手段。

通過鋁質(zhì)快艇艙底板及鋁質(zhì)管道的專用犧牲陽極的研制篩選以及對鋁質(zhì)艙底犧牲陽極、管道犧牲陽極的方案及安裝形式優(yōu)化設計研究，得出以下結論：

（1）經(jīng)篩選研究得到的三種犧牲陽極配方，即鋁-鋅-銦-硅（AZIS）、鋁-鋅-銦-錫-鈦-鎵（AZISnTG）、鋁-鋅-銦-鎂-鈦-鎵（AZIMTG），可解決犧牲陽極在油污水環(huán)境下陽極表面鈍化、溶解差、電流效率低的缺陷，其中AZISnTG電流效率最高。

（2）通過犧牲陽極的熔煉澆鑄，研究澆鑄時陽極材料對5083鋁“鐵”芯的熔化矛盾，解決了鋁質(zhì)“鐵”芯鋁合金犧牲陽極的制造難題，同時其接觸電阻及外觀均符合適裝性要求。

（3）艙底犧牲陽極安裝結構、保護方案、安裝布置考慮了多方面的因素，設計合理，保護壽命達到相應等級修理要求。

1.2.3異種金屬及非鋁質(zhì)設備和部件與鋁艇體相接的防腐措施

當兩種不同的金屬浸在腐蝕性或?qū)щ娦缘娜芤褐袝r，兩種金屬之間通常存在著電位差。如果這些金屬互相接觸（或?qū)Ь€連通），該電位差將促使電子在它們之間流動。與不發(fā)生接觸時比較，這時耐蝕性較差的金屬在接觸后腐蝕通常會增加，而較耐蝕的金屬腐蝕性則下降。耐蝕性較差的金屬變?yōu)殛枠O，耐蝕性較好的金屬則變?yōu)殛帢O。

在海水中不同金屬材料在距離150 mm以內(nèi)均易發(fā)生電化腐蝕，電位低的金屬被電位高的金屬腐蝕。解決這種不同金屬的電化學腐蝕（電偶腐蝕）最簡單有效的辦法就是絕緣連接、隔離腐蝕介質(zhì)或采用過渡的復合材料。

鋁質(zhì)船配備的大部分設備、管系和舾裝件等都由非鋁質(zhì)金屬構成，而異種金屬間存在電位差，故應特別注意該處的電偶腐蝕。預防電偶腐蝕的基本原則是：盡量選用同一種材料，避免異種金屬直接接觸；無法避免時，應采取有效的保護措施。

針對海水冷卻系統(tǒng)及艙底消防系統(tǒng)中的異種金屬是在腐蝕性的海水中應采取相應的防腐連接，如管路法蘭中的鋁/鈦部位采用尼龍材料進行絕緣。

1.3防腐技術要求

通過開展鋁質(zhì)快艇防腐蝕技術項目的系列研究，在研究成果的基礎上形成《鋁質(zhì)快艇防腐、防漏、防污技術要求》，將其作為鋁質(zhì)快艇防腐設計的頂層技術文件，對設計、建造全過程、各專業(yè)的防腐設計提出要求，其中明確提出海水管系相關技術要求。

1.4研討決策

廣船院基于以上研究成果對該艇眾多管路系統(tǒng)選材、附件及設備配套管系質(zhì)量分析、管系安裝工藝等問題進行了詳細論證分析，并通過與國內(nèi)防腐界專家共同研討，最終明確了海水管路系統(tǒng)采用鈦合金材料。

2　應用情況

2.1應用范圍及牌號

考慮到鈦合金管用于該型艇海水管系的主要技術特性和配套要求，消防系統(tǒng)、主輔機海水冷卻系統(tǒng)、空調(diào)冷卻水海水系統(tǒng)及生活海水系統(tǒng)的管、閥門及附件主要采用鈦合金材料，牌號為TA2。鋁質(zhì)快艇每艘艇用鈦合金管、閥門及附件總重大約為艇總體質(zhì)量的1%。鈦合金管規(guī)格大約有如下種類：15×1.5、20×1.5、22×2.0、22×2.5、25× 1.5、28×2.5、30×1.5、36×1.5、45×1.5、55×2.0、70×2.0、108×3.5、133×4等。

2.2設計原則

管道設計路線應盡量沿最短的路線通過，盡量采用直管，少采用彎管；對分支管道的異型部分采用合理的流體力學結構，增大彎曲半徑，減少急轉(zhuǎn)彎和直徑的突然變化。這些措施都可提高管道的耐蝕性。

無論是船體還是管系，鋁合金材料與其他金屬部件連接時，都應采取絕緣措施。如果鋁合金材料與其他金屬材料無法避免電連接，或某些環(huán)境因素會導致電偶腐蝕發(fā)生時，鋁合金構件上應設計增加管道犧牲陽極，用以與其他材料連接。

一般情況下，鈦合金管系與不銹鋼、青銅部件之間連接不會產(chǎn)生嚴重的電偶腐蝕，但應盡量避免在連接零部件間形成縫隙，產(chǎn)生縫隙腐蝕。

3　防腐防污措施

3.1防腐措施

鋁質(zhì)快艇使用的金屬材料品種較多，有鋁合金、鈦合金、不銹鋼、EO不銹鋼及設備用鋼銅組合件等，尤其是海水系統(tǒng)，不僅有高電位的鈦合金，還有低電位的鋁合金，設計上大量采用異種金屬電絕緣的設計和相應技術措施。

3.1.1管路端部法蘭絕緣連接

海水系統(tǒng)鈦合金管與異種金屬管系之間采取防腐絕緣連接。管系需法蘭絕緣安裝連接的管路，包括管路法蘭、濾器、熱交換器、舷側(cè)接管、異種金屬法蘭通艙件及各種設備接口（其連接型式見圖1），個別地方根據(jù)需要還加裝管道犧牲陽極，避免低電位金屬產(chǎn)生腐蝕。

圖1　法蘭連接件絕緣圖

法蘭規(guī)格選用相應尺寸的緊固、密封及絕緣組件，螺栓和墊片使用不銹鋼材質(zhì)，法蘭密封絕緣墊片材料為外敷聚四氟乙烯芳綸橡膠合成纖維墊片，螺栓絕緣套筒材料為尼龍-11。

3.1.2管路通艙件絕緣連接

當鈦合金管路穿過鋁質(zhì)艙壁時，其連接型式見圖2。在艙壁指定位置處開孔并磨光，在艙壁開孔處套裝絕緣套筒，將通艙件穿入孔中并在套筒另側(cè)依次加裝絕緣墊片、通艙件背板和螺母并緊固，為防止艙壁板與螺紋通艙件之間由于飛濺上電解質(zhì)液體而造成電化腐蝕，將處于機艙花板下或容易飛濺上液體的工作位置中每個管道絕緣安裝的螺紋通艙件，使用絕緣防水膠涂裝。

3.1.3管路與艇體的絕緣連接

鈦合金海水管系與鋁質(zhì)艇體連接處采用鋁合金管進行過渡絕緣連接。

3.2防污措施

考慮到鋁是兩性金屬，pH值偏小或過大都會導致酸性或堿性腐蝕，若電流、電壓控制不當會加速鋁質(zhì)船體的腐蝕，所以海水管路未采用電解防污系統(tǒng)。

圖2　螺紋通艙件絕緣連接圖

4　施工情況

4.1管系采購

由于船廠進行鈦合金管彎管有一定難度，所以鋁質(zhì)快艇所需鈦合金管按規(guī)格采購直管、連接彎頭，閥門附件設備廠參照鋼質(zhì)標準件進行研制，提供應用。

4.2建造施工

鈦合金管系相對于其他金屬施工工藝較困難，主要表現(xiàn)在管道現(xiàn)場彎管較難、鈦合金管道焊接質(zhì)量控制難度高，需嚴格按照鈦合金焊接工藝進行，否則返工率高。因此，船廠對鈦合金管的施工主要做兩方面工作：管路局部焊接和端部接頭的絕緣連接。

4.3維護修理

鈦合金管系維護修理預期主要以換件為主，然而到目前為止，經(jīng)過十多年的使用，這批鋁質(zhì)快艇整體上還沒發(fā)現(xiàn)有損壞和腐蝕問題，從外表觀察管內(nèi)生長海生物也不明顯，未出現(xiàn)管路堵塞情況。

5　存在問題

5.1施工困難

鈦合金材料應用存在的主要問題是相對于其他金屬而言，其施工工藝要求較高。管道現(xiàn)場彎管較難，而焊接時需嚴格按照鈦合金焊接工藝才能控制好質(zhì)量。另外，鈦合金價格相對較高，與非鈦船體連接需作特殊處理，與管系附件及閥門配套性有待提高，生產(chǎn)加工較困難。

5.2防腐蝕關聯(lián)問題

經(jīng)過十多年的使用表明，鈦合金管自身很少出現(xiàn)腐蝕問題，但在與異種金屬連接部位會出現(xiàn)局部問題。比如個別海水管路局部接口端部因異種金屬接觸發(fā)生電偶腐蝕引起泄漏，具體出現(xiàn)在齒輪箱冷卻水進出熱交換的接口部位、海底門鑄鋁海水濾器、鋁閥等處，參見圖3。

圖3　機艙空調(diào)海水濾器（端口局部腐蝕）

6　建 議

基于鈦合金耐蝕性較好、質(zhì)量較輕、價格不斷降低，國內(nèi)也有較大儲量，相信在艦船上將有較大的應用推廣空間。

結合近10多年對鋁質(zhì)快艇應用鈦合金材料和維護跟蹤情況來看，對于鈦合金在今后艦船上的應用提出以下建議：

（1）鈦合金材料可作為艦船的海水管路材料的首選。海水沖刷是影響管道腐蝕性的直接因素，而海水流速增加會使管道中易形成渦流的部位受到更嚴重的局部腐蝕。有關試驗表明銅鎳合金管路允許流速不大于2.5 m/s，而鈦質(zhì)管路則為10 m/s。銅鎳合金管路的壽命為8年，而鈦質(zhì)管路則為65年。

（2）若想充分發(fā)揮鈦合金質(zhì)輕、比強度高的優(yōu)勢，還需在后續(xù)艦船研制過程中開展相關基礎性課題的研究，制定鈦管、鈦閥和鈦附件的標準，不能簡單參照銅合金的標準確定鈦管的壁厚和制作鈦閥。

（3）由于鈦合金具有超強的防腐蝕能力可能會導致下游設備如海水泵、濾器等引發(fā)腐蝕而導致整個系統(tǒng)癱瘓。若想提高全海水系統(tǒng)的防腐性能，還需開展適合于艦用環(huán)境的鈦質(zhì)泵的研制工作，盡早實現(xiàn)海水系統(tǒng)的全鈦質(zhì)化。

（4）目前鈦合金海水管系在鋁質(zhì)快艇表面上未發(fā)現(xiàn)明顯海生物污損。國內(nèi)防腐界認為“鈦合金與海生物有良好的相容性”，但是發(fā)現(xiàn)實際與理論存在差異。為避免鈦合金海水管系大面積出現(xiàn)海生物污損，還需對現(xiàn)有鈦合金海水管系作進一步的跟蹤驗證及鈦合金管系預防海生物污損措施研究。

（5）在鋁質(zhì)快艇建造過程中，為解決鈦合金管路穿過鋁質(zhì)艙壁問題，參照相關標準重新設計通艙管件，在建造過程中對成型的彎頭和三通等進行現(xiàn)場焊接，還需對通艙管件及現(xiàn)場焊接的彎頭和三通進行跟蹤驗證，以便為后續(xù)艦船設計、制造提供試驗數(shù)據(jù)支撐。

（6）艦船的腐蝕防護是一個系統(tǒng)工程，包含防腐蝕論證、設計、建造、使用、維護和修理等環(huán)節(jié)，環(huán)環(huán)相扣，缺一不可，否則腐蝕問題將會以多種形式暴露出來。為此，建議在后續(xù)艦船研制過程中，從方案論證時就確定艦船的防腐蝕目標，對艦船腐蝕特性和防護方法進行研究。設計階段根據(jù)前期的研究結果制定防腐蝕措施，設計合理的防腐蝕體系；艦船建造階段需準確落實防腐蝕措施，從材料采購、加工工藝和檢測檢驗等方面嚴格要求；后期維護保養(yǎng)階段需對易產(chǎn)生腐蝕的部位及死角進行重點關注，定期檢查防腐蝕措施是否落實到位。

（7）建議涉鈦企業(yè)多開發(fā)適合艦船應用的鈦合金設備和管材，定期與承造船廠、艦船總體設計院所進行溝通交流，發(fā)揮自身的優(yōu)勢編制涉鈦行業(yè)標準，向承造船廠提供鈦焊工培訓服務；為滿足鈦合金在艦船上應用的需求，艦船研制單位（含承造船廠及艦船總體設計院所）應針對自身短板，采取相關措施，如開展人員設計能力培訓，健全船廠鈦合金施工設備配置、工藝流程和人員資質(zhì)等方面措施?？偠灾粝朐谂灤洗罅客茝V應用鈦合金材料，應從頂層、系統(tǒng)、多部門、多工種進行考慮，特別應在材料加工和施工的可操作性方面加大普及力度。此外，在實際應用時還應特別做好與異種金屬的絕緣處理，防止引起局部非鈦金屬的腐蝕。

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Application of titanium alloy in seawater piping of aluminum alloy warship

LI Li-sheng XU Wen-shan CHEN Wan-hong HE Qin-shan
（Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250， China）

Abstract：Titanium alloy can be characterized of light weight， high strength， resistance to seawater corrosion， and non-magnetism. It is widely applied on warships， especially suitable for high speed vessels and aluminum alloy ships with the strict requirements of weight control and corrosion resistance. The titanium alloy seawater piping has been applied on an aluminum alloy ship with great effect over ten years. This study introduces the material selection， design， construction， application effect and existing problems of the titanium alloy seawater piping in detail with the practical suggestions for the application of the titanium alloys on warships.

Keywords：titanium alloys； aluminum alloy ship； seawater piping； corrosion and protection

［中圖分類號］U661.5

［文獻標志碼］A

［文章編號］1001-9855（2016）03-0027-07

［收稿日期］2016-03-04；［修回日期］2016-03-16

［作者簡介］黎理勝（1972 -），男，高級工程師，研究方向：艦船總體舾裝設計。