夏齊強(qiáng),朱 韜
(海軍研究院,上海 200235)
海水管路選材是艦船腐蝕防護(hù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。海水管路一旦出現(xiàn)腐蝕泄漏或海生物污損堵塞管道,將嚴(yán)重影響管路以及設(shè)備的正常運(yùn)行,不僅會(huì)給用戶使用維修、日常維護(hù)等帶來(lái)影響,有時(shí)甚至直接危害艦船的安全性和生命力,做好艦船海水管路選材設(shè)計(jì)對(duì)于解決艦船海水管路的腐蝕問(wèn)題意義重大。B10材料由于具有優(yōu)良的耐海水腐蝕和抗海生物污損性能,以及良好的塑性和韌性,在國(guó)外各類艦船海水管路上廣泛應(yīng)用,我國(guó)艦船海水管路也逐漸采用B10合金管代替紫銅管。由于我國(guó)對(duì)艦船海水管路用B10材料研究工作起步較晚,B10管材基本是引進(jìn)研仿后形成國(guó)產(chǎn)化,關(guān)于B10材料研究不是很充分,B10材料的性能試驗(yàn)也很少,材料標(biāo)準(zhǔn)也隨著研仿后固化下來(lái),較少考慮與國(guó)外B10材料標(biāo)準(zhǔn)的差別及存在這些差別的相關(guān)影響。本文主要對(duì)艦船海水管路用B10材料標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析與探討,旨在為艦船海水管路防腐設(shè)計(jì)提供參考。
管系材質(zhì)的耐蝕性是影響海水管系腐蝕破壞的主要因素。B10材料由于耐海水沖刷蝕性能優(yōu)良,國(guó)外早在20世紀(jì)40年代開始在大型軍船和民船上逐步推廣應(yīng)用B10管路材料。我國(guó)自20世紀(jì)60年代開始著手艦船海水管路選材設(shè)計(jì),艦船海水管路普遍釆用的TUP紫銅管。隨著B10銅鎳合金管的進(jìn)口引入和國(guó)產(chǎn)化研制,自20世紀(jì)90年代中期開始,我國(guó)艦船海水管路,包括海水冷卻管路、水消防管路、泡沫滅火管路、艙底水管路、壓載水系統(tǒng)、日用海水管路等,均采用了防流動(dòng)海水腐蝕效果較好的B10銅鎳合金管,有效提高了艦船防腐能力。同時(shí),管子附件也逐漸釆用B10銅鎳合金,B10銅鎳合合金海水管路系統(tǒng)材料配套體系在逐步完善。近年來(lái)對(duì)艦船海水管系的防腐防漏設(shè)計(jì)、施工工藝等提出了更多要求,在實(shí)際應(yīng)用中也取得了較好的效果,但是缺乏一個(gè)統(tǒng)一的B10材料海水管路系統(tǒng)防腐蝕設(shè)計(jì)的方法標(biāo)準(zhǔn)及配套產(chǎn)品規(guī)范。如閥門選取何種材料、哪些地方需要電絕緣、哪些地方需要犧牲陽(yáng)極保護(hù)及保護(hù)的形式、防污措施如何選取、海域泥沙含量較高的海域其海水流速如何限定等,缺少統(tǒng)一的認(rèn)知、方法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)支撐??傮w來(lái)說(shuō),我國(guó)在海水管路選材配套體系建設(shè)和防腐蝕設(shè)計(jì)方法方面還存在一定不足,由于海水管系選材不當(dāng)、流速控制不準(zhǔn)、異種金屬材料匹配不佳等原因,造成管系中設(shè)備、閥附件、接頭等的腐蝕問(wèn)題還是無(wú)法避免,影響了先進(jìn)材料應(yīng)用的總體效果,對(duì)海水管路系統(tǒng)防腐蝕設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了較大的困擾。
國(guó)內(nèi)關(guān)于艦船海水管路材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要有GJB 4000—2000《艦船通用規(guī)范》[1]和GJB 5908—2006《艦船用白銅管材規(guī)范》[2]。
GJB 4000—2000規(guī)定海水管、艙底疏水管、冷卻水管、液壓油管、生活污水管、冷藏管、水幕管、蒸汽加熱盤管、深度計(jì)管、計(jì)程儀管、消防水管、泡沫滅火管等管子材料采用無(wú)縫銅管;消防水管、流速較高的其他海水管采用銅鎳合金管或雙相超低碳不銹鋼管。GJB 4000作為艦船設(shè)計(jì)通用要求,從頂層上提出了管路設(shè)計(jì)的原則,主要對(duì)各種管系采用材料進(jìn)行了規(guī)定,明確指出了銅鎳合金管的應(yīng)用范圍,但GJB 4000對(duì)于B10銅鎳合金管規(guī)格、化學(xué)成分等沒(méi)有要求,對(duì)管材的設(shè)計(jì)選型缺乏指導(dǎo)。
GJB 5908—2006《艦船用白銅管材規(guī)范》規(guī)定了艦船用自銅拉制管材的要求、質(zhì)量保證規(guī)定、交貨準(zhǔn)備等,主要對(duì)管材的牌號(hào)、狀態(tài)和規(guī)格、管材的化學(xué)成分、管材的室溫力學(xué)性能、管材的工藝性能、管材的尺寸、外形及偏差提出了詳細(xì)要求,用于艦船海水管路用B10管材的設(shè)計(jì)選型和檢驗(yàn)驗(yàn)收。由于該標(biāo)準(zhǔn)頒布時(shí)間較早,部分技術(shù)要求與國(guó)外差距較大,部分要求未明確或遺漏,導(dǎo)致實(shí)際工作中B10管材會(huì)出現(xiàn)異常腐蝕的情況,不能較好地滿足艦船海水管路系統(tǒng)B10銅鎳合金管的腐蝕防護(hù)工作要求。
2.2.1 化學(xué)成分
B10管材化學(xué)成分是影響抗腐蝕能力的關(guān)鍵因素。為了取得最佳的抗腐蝕能力,應(yīng)對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行嚴(yán)格限制。GJB 5908—2006《艦船用白銅管材規(guī)范》對(duì)管材的化學(xué)成分規(guī)定如表1所示。關(guān)于B10銅鎳合金管路材料標(biāo)準(zhǔn),國(guó)外流行的主要有德國(guó)KME公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、歐標(biāo)、德標(biāo)、英標(biāo)、美標(biāo)、日標(biāo)等,其具體化學(xué)成分見(jiàn)表2。從表1中可見(jiàn),這些標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)Ni、Fe和雜質(zhì)含量范圍進(jìn)行了規(guī)定,這些材料標(biāo)準(zhǔn)主要區(qū)別在Ni含量和Pb、S等雜質(zhì)成分控制,多數(shù) B10銅鎳合金標(biāo)準(zhǔn) Ni含量在9.0%~11.0%,少數(shù)控制住10.0%~11.0%,雜質(zhì)成分規(guī)定上限越少越好。
表1 BFe10-1.6-1管材的化學(xué)成分
目前,我國(guó)艦船各型號(hào)使用的海水系統(tǒng)管路主要采用國(guó)產(chǎn)化B10管材,其化學(xué)成分設(shè)計(jì)定型主要根據(jù)GJB 5908—2006《艦船用白銅管材規(guī)范》。該規(guī)范規(guī)定Ni的含量為9.0%~11.0%,與德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、日本標(biāo)準(zhǔn)中 Ni含量要求一致,但德國(guó)KME公司B10企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)和英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Ni的含量要求為10.0%~11.0%,比我國(guó)軍標(biāo)的要求要高。理論上,鎳含量越高耐腐蝕性能越好。但是,鎳含量的提高大大增加了成本,與銅鎳合金管(B30管)相比,B10管含較少鎳,成本大大降低。而且由于海水浸泡同樣可以形成富鎳富鐵的表面膜,因而經(jīng)過(guò)一段時(shí)間,其耐蝕性可以接近B30管。
從表2中可以看出,含10%Ni用作耐蝕材料的銅鎳合金,實(shí)際都含有1.0%~2.0%的鐵及適量的錳,對(duì)不同 Fe含量的銅鎳合金在靜態(tài)和高流速海水中進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),F(xiàn)e含量低的合金形成的腐蝕產(chǎn)物中氧含量高;Fe含量高的合金所形成的腐蝕產(chǎn)物中富Ni,氧含量低。在B10合金中,由于鐵的存在,大大提高了保護(hù)膜的耐腐蝕能力,但隨著鐵含量的增加,B10點(diǎn)蝕敏感性也增加了,其中改性元素Fe含量對(duì)B10合金的耐海水腐蝕性能有較顯著的改善,特別是抗流動(dòng)海水沖刷腐蝕性能。雜質(zhì)Pb和S對(duì)材料的腐蝕性能也有一定的影響,它們會(huì)與其他元素一起形成低熔混合物,由于熔點(diǎn)非常低,從而導(dǎo)致一些不良的效果,比如在焊接和熱成型時(shí)會(huì)出現(xiàn)熱裂和熱脆問(wèn)題[3-6]。
表2 不同標(biāo)準(zhǔn)B10材料化學(xué)成分
國(guó)內(nèi)B10管材成分Ni、Fe、Mn、Cu主要參照國(guó)際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行確定,但在S、Pb等雜質(zhì)含量上略有不同,這些雜質(zhì)元素成分主要是在參照國(guó)際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí),根據(jù)當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)實(shí)際制造能力和技術(shù)水平進(jìn)行確定的??偟膩?lái)說(shuō),合金的成分以及雜質(zhì)的影響是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題。含Ni量及其雜質(zhì)成分肯定影響材料的耐蝕性、耐沖刷性及壽命,但是之間的相關(guān)性研究不多,基本是研仿后形成國(guó)產(chǎn)化,材料標(biāo)準(zhǔn)也是在研仿后固化下來(lái)的,較少考慮如何改進(jìn)和如何創(chuàng)新發(fā)展。
2.2.2 工藝性能
目前,GB/T 8890—2015《熱交換器用銅合金無(wú)縫管》[7]、GB/T 1527—2006《銅及銅合金拉制管》[8]、GB/T 31977—2015《核電冷凝器用銅合金無(wú)縫管》[9]、CB 1133—1985《BFe30-1-1管材技術(shù)條件》[10]等規(guī)范均對(duì)管件工藝性能進(jìn)行了規(guī)定,主要包括擴(kuò)口試驗(yàn)和壓扁試驗(yàn),這對(duì)于保證艦船海水B10管質(zhì)量也十分重要,可為艦船海水管路用管材出廠檢驗(yàn)驗(yàn)收要求提供有力依據(jù)。
2.2.3 金相組織
材料的金相組織是影響其耐腐蝕性能的一個(gè)因素。目前國(guó)內(nèi)部分管材標(biāo)準(zhǔn),如GB/T 1527—2006《銅及銅合金拉制管》、GB/T 31977—2015《核電冷凝器用銅合金無(wú)縫管》等標(biāo)準(zhǔn)提出了材料金相組織的要求,明確了平均晶粒度范圍。但由于管材用途要求不一、制造水平及檢驗(yàn)方法手段有限,目前還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于艦船用B10管材更是如此。
2.2.4 無(wú)損檢驗(yàn)
檢驗(yàn)方法及要求是確保B10管材產(chǎn)品質(zhì)量的重要保證。GJB 5908—2006《艦船用白銅管材規(guī)范》僅對(duì)渦流探傷進(jìn)行了規(guī)定,沒(méi)有涉及超聲波檢測(cè)。渦流檢測(cè)和超聲檢測(cè)是從不同的角度檢測(cè)管材性能的,渦流檢測(cè)對(duì)材料表面、近表面存在缺陷,但是較難檢驗(yàn)測(cè)出厚壁管埋藏的缺陷,理論上都應(yīng)該檢驗(yàn),但目前沒(méi)有合適的超聲波探傷方法和要求,無(wú)法指導(dǎo)實(shí)際檢驗(yàn)操作。
艦船海水管路系統(tǒng)包含管子、管路附件、閥門、泵、冷卻器、濾器等,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮整個(gè)管路系統(tǒng)材料的相容性和配套性。在海水管選B10管后,對(duì)管系中的海水濾器、閥門、海水泵、冷卻器、壓力表接頭等附件的材質(zhì)選取和防腐設(shè)計(jì)必須全系統(tǒng)綜合考慮,防止異種金屬間產(chǎn)生電偶腐蝕。海水管路防腐蝕設(shè)計(jì)涉及選材、流速優(yōu)化設(shè)計(jì)、管路-設(shè)備-船體三者之間的連接、防海生物方法選取以及管路、設(shè)備的防腐蝕設(shè)計(jì)等,還需要考慮制作、安裝工藝和維修維護(hù)空間等,是一個(gè)系統(tǒng)工程。較長(zhǎng)時(shí)間以來(lái),在腐蝕控制方面常常出現(xiàn)“頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳”的事情,怎么達(dá)到全系統(tǒng)的腐蝕控制最優(yōu)做得不多,出現(xiàn)高性能材料種類應(yīng)用越多、先進(jìn)方法越多、“系統(tǒng)級(jí)最優(yōu)”越難的問(wèn)題。建議設(shè)計(jì)者和相關(guān)管理部門用全局眼光、系統(tǒng)的思維來(lái)綜合考慮艦船海水管路防腐蝕設(shè)計(jì)問(wèn)題,加快配套體系產(chǎn)品設(shè)計(jì)研制。
B10管材的腐蝕性能優(yōu)劣不僅與其材料本身性能有關(guān),由于設(shè)計(jì)方法不優(yōu)、流速控制不準(zhǔn)、異種金屬材料匹配不佳、管路接頭設(shè)計(jì)選型等原因,容易造成管系中設(shè)備、閥附件、接頭等的腐蝕問(wèn)題。要有效預(yù)防海水管系腐蝕,需要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、材質(zhì)選型、管系結(jié)構(gòu)布置、施工安裝工藝、海水流速限制、經(jīng)常航行的海域海況及維護(hù)保養(yǎng)等多方面考慮海水腐蝕的影響,建議系統(tǒng)開展艦船海水管路使用B10情況調(diào)研與跟蹤,對(duì)其應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)研分析,查找問(wèn)題,總結(jié)經(jīng)驗(yàn);對(duì)比國(guó)外海軍艦船海水管路選材和防腐蝕設(shè)計(jì)方法,從系統(tǒng)角度完成基于B10材料為主的海水管路系統(tǒng)材料體系設(shè)計(jì);開展艦船海水管路系統(tǒng)防腐蝕設(shè)計(jì)方法研究和系統(tǒng)、附件、設(shè)備材料配套方法研究及實(shí)??己伺c試驗(yàn)驗(yàn)證,進(jìn)一步摸清B10管材腐蝕防護(hù)的影響因素。
艦船海水管路系統(tǒng)防腐設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程,管路系統(tǒng)要滿足使用方的方便可靠使用,不僅涉及到優(yōu)質(zhì)管路材料的供應(yīng),還與管路設(shè)計(jì)選型、加工制作、檢驗(yàn)驗(yàn)收密切相關(guān)。目前,國(guó)內(nèi)B10材料防腐研究基礎(chǔ)相對(duì)薄弱,管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法還需長(zhǎng)期試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐,與管路相關(guān)的管路附件、海水泵、閥門等配套標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范缺少。為更好指導(dǎo)和保障艦船海水管路防腐設(shè)計(jì),固化研究成果,建議加快推進(jìn)艦船海水管路系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建設(shè),以進(jìn)一步規(guī)范艦船海水管路B10材料選型和防腐蝕設(shè)計(jì)技術(shù)要求、B10海水管路系統(tǒng)配套產(chǎn)品規(guī)范、B10管材施工工藝技術(shù)要求和B10管材檢驗(yàn)驗(yàn)收技術(shù)要求。
隨著現(xiàn)代艦船使命任務(wù)越來(lái)越重、裝備質(zhì)量與可靠性要求越來(lái)越高,對(duì)艦船海水管路腐蝕防護(hù)控制也越來(lái)越迫切,急需形成一套完善的艦船海水管材防腐設(shè)計(jì)方法標(biāo)準(zhǔn),制定相應(yīng)的配套產(chǎn)品規(guī)范或技術(shù)要求,更好的指導(dǎo)和規(guī)范海水管系的設(shè)計(jì)與制造安裝。