艦船海水管路腐蝕狀態(tài)檢測方法研究

張魯君，賀 國，潘興隆

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

艦船海水管系是艦船推進(jìn)裝置保障系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)組保障系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)的重要組成部分，主要由海底門、過濾器、海水泵、冷卻器、氣水分離箱、金屬管路、法蘭和閥件等設(shè)備和部件組成，擔(dān)負(fù)著冷卻主副機(jī)、洗消、壓載等任務(wù)，對于保障主機(jī)和發(fā)電柴油機(jī)組的良好運(yùn)轉(zhuǎn)、艦船航行的穩(wěn)性以及其他輔助機(jī)械和設(shè)備的正常工作具有重要的作用[1]。由于艦船海水管路和海水接觸密切，常年受到海水的腐蝕作用。海水是一種天然的電解質(zhì)溶液，含鹽量在32.0%～37.5%之間，主要成分是氯化鈉、硫酸鹽和一定量的可溶性碳酸鹽，氯離子能夠破壞金屬表面的致密氧化物薄膜，阻止金屬鈍化，加速金屬的腐蝕。海水管路的工作環(huán)境大多為溫度高、濕度大的船舶機(jī)艙，管路內(nèi)壁經(jīng)常受到海水的沖刷和泥沙的磨損，腐蝕問題尤為嚴(yán)重。

艦船管系就像人體的血管一樣，負(fù)責(zé)為船舶設(shè)備輸送油、氣、水等物質(zhì)，從而保證艦船的正常運(yùn)行。海水管路是最重要的船舶管路之一，海水管路的腐蝕或者由海水管路腐蝕引起的設(shè)備故障，輕則會(huì)給船員的日常生活造成不便，重則會(huì)引起安全事故，導(dǎo)致重大經(jīng)濟(jì)損失甚至危及船員生命安全。因此，研究檢測海水管路內(nèi)壁腐蝕狀況的技術(shù)方法，對保障艦船設(shè)備的安全運(yùn)行具有重要意義。

1 艦船海水管路的主要腐蝕類型及其危害

海水的腐蝕性是導(dǎo)致艦船海水管路產(chǎn)生腐蝕的直接原因，海水溫度、海水溶氧量、海水流速、海水含沙量、海洋微生物等諸多因素都會(huì)促使腐蝕的發(fā)生，多種腐蝕因素的聯(lián)合作用使海水管路的腐蝕機(jī)理也更加復(fù)雜[2]。海水管路的腐蝕主要有海水腐蝕、沖擊腐蝕、電化學(xué)腐蝕、空泡腐蝕、應(yīng)力腐蝕、微生物腐蝕等[3-4]。海水腐蝕的機(jī)理是，管路內(nèi)壁在氧氣的作用下，與海水中的硫酸根、氯等離子發(fā)生緩慢的氧化還原反應(yīng)。沖刷腐蝕是指含有泥沙的海水在管路中高速流動(dòng)時(shí)，海水的沖擊和泥沙的磨損使管路內(nèi)壁的防腐蝕涂層和金屬氧化物薄膜等保護(hù)層破壞，加劇了海水對管路的腐蝕速度和腐蝕程度。如圖1所示，沖刷腐蝕多發(fā)生在彎管部位，造成彎管部位外側(cè)管壁腐蝕穿孔。電化學(xué)腐蝕是由于異金屬接觸和管材的不均勻性產(chǎn)生的，主要發(fā)生在法蘭處、管路附件連接處和加工缺陷處?？张莞g產(chǎn)生的機(jī)理是，海水發(fā)生湍流時(shí)會(huì)有氣泡在管路內(nèi)壁表面不斷地生成和潰滅，氣泡潰滅對管路內(nèi)壁的沖擊力足以使韌性金屬發(fā)生塑性變形或使脆性金屬開裂，從而使管路內(nèi)壁產(chǎn)生點(diǎn)蝕和表面粗化。空泡腐蝕一般發(fā)生在管徑突變處、彎管部位。應(yīng)力腐蝕一般發(fā)生在合金金屬中，從宏觀上屬于脆性斷裂。海水管路在加工制造過程中會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，并且在工作過程中也會(huì)受到外應(yīng)力的作用。在應(yīng)力的作用下，金屬管壁會(huì)發(fā)生裂紋，從而加速海水腐蝕介質(zhì)對管壁的侵蝕，造成細(xì)長狀的腐蝕缺陷。微生物腐蝕是指附著在管路內(nèi)壁上的海洋微生物釋放出的二氧化碳和死亡的海洋微生物分解出的硫化氫增加了周圍海水的酸性，促進(jìn)海水對管路內(nèi)壁的腐蝕作用。

圖1 彎管部位的沖刷腐蝕

由于海水管路工作條件的復(fù)雜性，在服役過程中，管路內(nèi)壁會(huì)受到整體或局部的腐蝕、磨損、沖蝕等破壞性作用，導(dǎo)致管壁逐漸地減薄[5]。均勻腐蝕對管壁厚度的影響較小，不會(huì)對海水管路的安全運(yùn)行造成太大威脅。但是，沖刷腐蝕、空泡腐蝕、局部電化學(xué)腐蝕等非均勻腐蝕作用會(huì)使管壁厚度局部大量減小，降低了管路的強(qiáng)度。在海水壓力增大時(shí)，海水管路可能產(chǎn)生漏泄或爆破穿孔，情況嚴(yán)重者會(huì)引發(fā)輪機(jī)設(shè)備故障，對艦船的安全航行造成威脅。如圖2所示，某船海水管路彎頭部位腐蝕導(dǎo)致管壁局部減薄，在管路內(nèi)壓的作用下發(fā)生線狀的裂紋穿孔破損。經(jīng)檢修發(fā)現(xiàn)，該管段只有彎頭部位腐蝕較為嚴(yán)重，導(dǎo)致了穿孔破損。而其他部分為均勻腐蝕，且腐蝕程度較輕，管壁厚度仍然可以滿足工作強(qiáng)度的要求。艦船海水管路的腐蝕會(huì)降低管路的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減小管路的實(shí)際工作壓力，不僅增加了船舶設(shè)備日常維護(hù)的工作量，還給船舶的安全運(yùn)行造成了威脅。經(jīng)實(shí)船調(diào)研發(fā)現(xiàn)，巡檢過程中，檢查人員無法直觀地觀察海水管路內(nèi)壁的腐蝕情況，難以從外觀判斷海水管路的腐蝕程度，有些腐蝕后的海水管路會(huì)因?yàn)檠矙z不及時(shí)產(chǎn)生破損漏泄，進(jìn)而引發(fā)機(jī)艙設(shè)備故障。目前存在海水管路維護(hù)管理困難，檢修不及時(shí)等問題[6-7]，檢修工作往往在管路發(fā)生漏泄，對設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生影響后才得以展開，這樣無疑增加了對艦船安全運(yùn)行的威脅性。因此，對海水管路進(jìn)行定期檢查時(shí)需把壁厚檢測作為主要的檢查項(xiàng)目之一。

圖2 海水管路的腐蝕穿孔破損

2 海水管路腐蝕檢測方法

通過管路壁厚檢測，可估算海水管路腐蝕部位管壁可承受的最大應(yīng)力，從而確定腐蝕海水管路的剩余強(qiáng)度。目前，檢測金屬管路壁厚的常用方法有漏磁通檢測法[8]、脈沖渦流檢測法[9]、遠(yuǎn)場渦流檢測法[10]、超聲波檢測法[11-12]。表1給出了4種檢測方法的基本原理、技術(shù)特點(diǎn)和適用范圍。此外，可用于內(nèi)壁腐蝕金屬管路壁厚檢測的方法還有射線照相檢測法、錄像檢測等。雖然壁厚檢測的方法很多，但是對于金屬管路的壁厚檢測仍以超聲波檢測方法最為常用。

超聲波是頻率高于20 000 Hz的聲波，具有傳播方向性好、能量高、穿透力強(qiáng)等特點(diǎn)，當(dāng)超聲波在傳播過程中遇到異質(zhì)界面時(shí)，會(huì)在兩種不同介質(zhì)的交界處發(fā)生波的反射、折射和波形轉(zhuǎn)換[13]。因此，超聲波在均勻連續(xù)彈性介質(zhì)中傳播時(shí)，產(chǎn)生的能量損失極少，但當(dāng)材料中存在著晶界、缺陷等不連續(xù)阻隔時(shí)，將產(chǎn)生反射、折射、散射和衰減等現(xiàn)象，從而損失比較多的聲波能量，通過對超聲回波的信號(hào)特征進(jìn)行處理分析，就可以將檢測結(jié)果圖像化或數(shù)字化，從而達(dá)到探傷或測厚的目的。

脈沖回波式超聲波測厚法是利用脈沖超聲波進(jìn)行檢測的，脈沖波是由間歇性振動(dòng)的波源產(chǎn)生，在介質(zhì)中間歇性輻射的超聲波。根據(jù)超聲波的反射特性和聲傳播的恒速性，通過檢測脈沖超聲波在被測件上下底面之間往返一次傳播的時(shí)間求得被測件的厚度[14]。其檢測原理如圖3所示。探頭發(fā)射出的脈沖超聲波T通過探頭和被測件表面之間的耦合劑到達(dá)被測件表面，其中一部分能量被反射回來形成界面波S，另一部分能量則透射到被測件內(nèi)部，在被測件另一側(cè)表面產(chǎn)生反射，反射波B再次穿過被測件及耦合劑到達(dá)探頭。通過測量界面波S和反射波B到達(dá)探頭的時(shí)間差，可以測得厚度。計(jì)算公式如下。

式中：d為管壁厚度；v為超聲波在被測件內(nèi)的傳播速度；t為發(fā)射波和反射波之間的時(shí)間差。

圖3 脈沖式測厚法原理圖

脈沖超聲波具有能量大、精度高、速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，脈沖反射式超聲波測厚法原理簡單，可靠性高，對于大于1 mm的工件厚度檢測精度很高，主要應(yīng)用于具有晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料和非金屬材料[15]。基于脈沖式測厚原理的測厚設(shè)備造價(jià)較低、技術(shù)成熟、種類多、對人體沒有輻射傷害，且便于操作，廣泛應(yīng)于工業(yè)中的壁厚檢測。

3 超聲測厚設(shè)備的選擇

艦船機(jī)艙設(shè)備多，而機(jī)艙空間有限，海水管路往往布置在狹小的空間內(nèi)，不適于進(jìn)行復(fù)雜的管路腐蝕檢測作業(yè)，而且在艦船運(yùn)行過程中，無法對海水管路內(nèi)壁進(jìn)行拆檢。利用遠(yuǎn)場渦流檢測法進(jìn)行壁厚檢測，需要在管路內(nèi)部安裝檢測裝置，它不適用于海水管路腐蝕壁厚的在役檢測。海水管路工作環(huán)境復(fù)雜，管路附件多，漏磁通檢測法易受檢測環(huán)境干擾，檢測精度低，不能滿足壁厚檢測的要求。脈沖渦流檢測法檢測穩(wěn)定性差，對管路表面質(zhì)量要求高，而海水管路表面刷有油漆，因此使用脈沖渦流檢測法難以獲得理想的檢測結(jié)果。超聲波能量高，穿透力強(qiáng)，傳播方向性好，對人體無害。超聲波檢測設(shè)備具有便攜、容易操作、檢測精度高、檢測結(jié)果顯示直觀、檢測速度快等優(yōu)點(diǎn)，而且具有良好的人機(jī)界面，能夠顯示檢測波形，檢測人員可以根據(jù)波形的特點(diǎn)判斷腐蝕缺陷的形貌和腐蝕深度。因此，超聲波檢測法能夠適應(yīng)檢測艦船海水管路的復(fù)雜條件。

超聲無損檢測因其檢測信息豐富、分辨率高、對人體無害等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、核能、石油化工、航空航天和船舶等工業(yè)領(lǐng)域。目前市面上適用于檢測船舶海水管路壁厚信息的超聲波檢測儀有以下3種：常規(guī)超聲波測厚儀、電磁超聲波測厚儀、相控陣超聲波檢測儀。常規(guī)超聲波測厚儀技術(shù)成熟，價(jià)格低，操作簡單，檢測結(jié)果顯示直觀，通用性比較好。但是，它只能檢測某一點(diǎn)管壁的厚度信息，檢測結(jié)果價(jià)值小。電磁超聲測厚儀無需耦合劑，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，但檢測精度較低，換能效率不高。相控陣超聲檢測儀可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測，檢測效率高，檢測結(jié)果信息量大，不僅能夠直觀地讀取壁厚值，還能顯示檢測波形，根據(jù)波形的特征能夠判定腐蝕金屬管路管壁的減薄形式。

艦船海水管路內(nèi)壁腐蝕情況往往比較復(fù)雜，管路內(nèi)壁局部腐蝕存在凹坑，管壁減薄程度大小不一，內(nèi)壁附著銹蝕產(chǎn)物。海水管路內(nèi)壁腐蝕形貌如圖4所示。腐蝕內(nèi)壁的附著物會(huì)影響檢測精度，腐蝕凹坑使檢測結(jié)果離散性增大。腐蝕海水管路的超聲波檢測并不是簡單的檢測剩余壁厚，而是需要盡可能全面地檢測管路的腐蝕缺陷，獲得剩余壁厚、腐蝕缺陷尺寸大小、腐蝕缺陷形貌等信息。只有基于盡可能全面的檢測數(shù)據(jù)，才能準(zhǔn)確地分析計(jì)算海水管路腐蝕之后管壁的剩余強(qiáng)度。只用常規(guī)超聲波檢測儀逐點(diǎn)檢測腐蝕海水管路壁厚，可能漏掉腐蝕程度比較大的凹坑部位，當(dāng)檢測部位內(nèi)壁有附著物時(shí)，其檢測數(shù)據(jù)的離散性較大，檢測數(shù)據(jù)也變得不可靠。電磁超聲波測厚儀雖然不需要耦合劑，操作簡單，但是也存在和常規(guī)超聲波測厚儀一樣的問題，而且檢測精度較低。相控陣超聲波檢測儀可以對管路表面進(jìn)行掃查，全面檢測管路腐蝕缺陷，根據(jù)檢測波形的特征獲悉艦船海水管路的腐蝕缺陷大小、形貌和壁厚等信息，檢測結(jié)果可靠性高。其檢測結(jié)果如圖5所示。區(qū)域1是超聲波沿管道徑向傳播，顯示的是管壁腐蝕缺陷深度信息。區(qū)域2是超聲波沿管道軸向傳播，顯示的是沿管路軸線方向管壁的縱截面圖；區(qū)域3不同的顏色代表了管路的腐蝕程度，兩線相交處即為區(qū)域1、2所顯示的管道缺陷處。因此，相控陣超聲波檢測儀對海水管路內(nèi)壁腐蝕缺陷的檢測具有良好的適應(yīng)性。

圖4 海水管路內(nèi)壁腐蝕形貌

圖5 相控陣超聲波檢測儀檢測腐蝕海水管路圖

4 結(jié)束語

艦船海水管路腐蝕破損會(huì)引發(fā)艦船動(dòng)力裝置等設(shè)備的故障，造成經(jīng)濟(jì)損失和安全事故。腐蝕海水管路的剩余強(qiáng)度是海水管路健康管理的重要指標(biāo)，定期對海水管路進(jìn)行檢測，確定腐蝕缺陷的形貌、尺寸、剩余壁厚等數(shù)據(jù)，可分析計(jì)算腐蝕后管壁的剩余強(qiáng)度，從而預(yù)防事故的發(fā)生。海水管路布置空間狹小，工作環(huán)境復(fù)雜，腐蝕往往從管路內(nèi)壁開始，巡檢人員無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)。由于超聲波的能量高、穿透力強(qiáng)、傳播方向性好，超聲波檢測法與其他壁厚檢測方法相比，具有檢測精度高、速度快、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)。脈沖回波式超聲波測厚法可檢測的厚度范圍大，對于1 mm厚度以上的工件檢測精度高，適宜于檢測各種規(guī)格壁厚的海水管路。相控陣超聲波檢測儀配合相控陣探頭可對海水管路進(jìn)行掃查，獲得完可靠的海水管路內(nèi)壁腐蝕缺陷信息，能夠?yàn)榕灤Ｋ苈返慕】倒芾硖峁┛煽康臄?shù)據(jù)。