艦船海水管路腐蝕與防護技術研究進展

信世堡

（海軍裝備項目管理中心，北京 100010）

1 海水管路的腐蝕研究

1.1 銅及銅合金海水管路

銅及銅合金由于具有良好的力學性能、焊接性能、耐腐蝕性能、換熱系數及抑制海洋生物附著等性能，被廣泛用于船舶海水管路系統[1-2]。雖然銅及銅合金材料在海水中具有較為優(yōu)異的耐蝕性能，但在流動海水苛刻腐蝕環(huán)境中，仍會發(fā)生電化學腐蝕、電偶腐蝕、脫成分腐蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕、縫隙腐蝕、沖刷腐蝕等，其中以流動海水電化學腐蝕和電偶腐蝕最為普遍，造成的腐蝕危害最大[3-6]。當流速超過臨界流速時，管路流動海水電化學腐蝕速率顯著增加，若流體中還含有固體粒子，將極大地加劇沖刷腐蝕，嚴重威脅管路正常使用。

20世紀70年代前，海水管路的主要材料為紫銅，設計流速為1.2～1.8 m/s，但實際使用流速經常高于設計流速，因此，造成很多管路泄漏事故[7]。鑒于B10、B30、鎳鋁青銅等材料優(yōu)異的耐流動海水腐蝕性能，目前已逐步取代紫銅成為當代艦船海水管路系統的主要材料。海水管路系統彎頭、三通、變徑等形成海水湍流部位、焊接部位、異種金屬電連接部位等腐蝕問題仍然很嚴重，其允許的設計流速仍不能滿足現代船舶高海水流速的要求[8-11]。

對于銅及銅合金的腐蝕行為及腐蝕機理，M.舒馬赫在《海水腐蝕手冊》中詳細地給出了銅及銅合金海水管路的靜態(tài)和動態(tài)腐蝕數據，并列舉了典型海水管路失效事故。近年來，國外對于海水管路腐蝕的研究主要集中在新型銅合金材料的腐蝕行為、腐蝕機理以及與其他管路材料偶合后的電偶腐蝕行為研究。如英美等國家開展了大量試驗研究銅鎳合金海水管路在不同流速海水中的腐蝕行為以及與其配套的鋁青銅、錫青銅電偶腐蝕行為[12]。1995年美軍水面防務中心發(fā)布美軍艦船海水管路材料在海水中的極化曲線圖集，介紹了靜態(tài)和流動海水試驗裝置及方法， 90/10、90/30銅鎳合金、Ni-Al青銅、海軍M青銅在靜止和2.4 m/s流動海水中的電化學極化行為。英國輪機規(guī)范針對90/10銅鎳合金海水管路，制定了不同管徑下允許的流速，以此來控制海水管路的腐蝕。Syrett[13]從縫隙腐蝕、點蝕、沖刷腐蝕、硫化物腐蝕、脫成分腐蝕、電偶腐蝕、應力腐蝕開裂等方面分析了銅合金等冷凝器管腐蝕破損原因和防護措施。

近年來，國內通過實驗室模擬試驗以及實海環(huán)境試驗，開展了大量銅合金海水管系材料流動海水環(huán)境適應性研究，分析其腐蝕機理[14]。北京有色金屬研究總院分析了銅合金在海水環(huán)境中的腐蝕規(guī)律和腐蝕的主要影響因素。林樂耘等[15]研究了銅鎳合金在海水中的腐蝕規(guī)律，對腐蝕產物膜的形成及腐蝕機理進行了分析。韓忠等研究了鋁青銅管道的腐蝕行為，分析了鋁青銅在使用過程中的脫成分腐蝕機理[16]。吳真光等針對某船紫銅海水管道的腐蝕泄漏，研究了流速、流態(tài)和時間等因素對海水管路腐蝕的影響[17]。

實船調研發(fā)現，船舶海水管路的主要損傷失效是由沖刷腐蝕和電偶腐蝕導致的。多家科研院校對紫銅和 B10銅鎳合金等海水管材在流動海水中的沖刷腐蝕行為和電偶腐蝕行為進行了系統的研究。研究結果表明，紫銅在海水流速大于0.9 m/s時腐蝕質量損失顯著增大；B10銅鎳合金在海水流速大于等于3.6 m/s時腐蝕質量損失顯著增大；B30銅鎳合金在海水流速低于 5 m/s時耐蝕性能明顯優(yōu)于紫銅和 B10銅鎳合金，但海水流速大于5 m/s時腐蝕質量損失速率顯著增大；B30銅鎳合金與不銹鋼和 TA2鈦合金偶合時腐蝕速率顯著增大[18-19]。

1.2 鈦合金管路

鈦及其合金表面自然形成一層致密氧化膜，可起到隔絕腐蝕介質的作用，因此鈦及其合金具有良好的耐海水腐蝕性。同時鈦合金具有密度小、比強度高的優(yōu)點，有助于船舶輕量化，極其適合作為船舶海水管路材料，是下一代艦船管路系統首選材料[20]。最近幾年，隨著基礎工業(yè)的發(fā)展，鈦合金管路開始被應用于船舶海水管路系統，并獲得了良好的使用效果，迄今為止沒有發(fā)生腐蝕泄漏事故[21-22]。

1.3 不銹鋼管路

不銹鋼是指在大氣、水蒸氣、淡水等弱腐蝕介質中耐腐蝕或具有不銹性的鋼種。不銹鋼耐蝕的主要原因是其表面能夠形成一層致密的鉻氧化膜，隔絕腐蝕介質。常規(guī)不銹鋼在海水中的耐蝕性能較差，特別是對應力腐蝕和縫隙腐蝕非常敏感。其主要原因是海水中含有大量的氯離子，而氯離子通過一系列復雜的電化學反應，能夠導致材料表面氧化鈍化膜的局部破裂，形成點蝕，因此僅有少量牌號的不銹鋼材料被應用于海水管路系統，如雙相不銹鋼等[23]。

雙相不銹鋼是指鉻、鎳當量相圖在 A+F區(qū)內的一類不銹鋼，通常含18%～26%鉻和4%～7%鎳，并根據不同用途分別加入Mn、Mo、Cu、Ti、W、N等合金元素。雙相不銹鋼在海水中具有較好的耐蝕性能，因此在20世紀90年代末被嘗試應用在了部分船舶的海水管路系統中。應用結果表明，雙相不銹鋼管路在管道連接處極易發(fā)生腐蝕，部分管道系統使用不到半年便多處發(fā)生漏水。研究表明，其主要原因是不銹鋼材料極易發(fā)生縫隙腐蝕，不銹鋼鈍化膜在氯離子和沖刷腐蝕的雙重作用下發(fā)生局部失效。

2 海水管路的腐蝕防護與控制

海水管路的腐蝕防護方法主要有以下幾種。

1）合理選材。根據服役環(huán)境合理選材，可有效降低設備損壞率。

2）合理設計設備結構，在海水管路系統中，沖刷腐蝕、電偶腐蝕、縫隙腐蝕等都是普遍存在的腐蝕行為，通過結構設計，降低湍流、實現管路電絕緣、降低縫隙腐蝕等都能夠提高海水管路的耐蝕性能。

3）電化學保護。通過外加電流或犧牲陽極陰極保護技術，抑制或者消除管路海水腐蝕。

4）表面改性處理。在管路表面涂鍍耐腐蝕防護層，使管路表面的抗沖刷和腐蝕性能大幅度提高。

海水管路的材料選用受到技術發(fā)展和成本的制約，沒有很大的選擇余地?，F有船舶海水管路一般采用以銅合金為主的材料體系，關鍵部位采用鈦合金管路。海水管路的結構設計則受到設備、空間和整體布局的制約，同樣沒有較大的選擇余地?，F有結構設計優(yōu)化方向主要是海水管路絕緣技術。目前，國內外主要采用電化學保護技術和表面處理技術對管路進行腐蝕防護。

2.1 電化學保護技術

電化學保護廣泛應用于海洋環(huán)境中各種金屬結構的腐蝕防護，主要分為外加電流陰極保護技術和犧牲陽極陰極保護技術。外加電流陰極保護技術是通過外部電源強制將被保護的材料變成陰極，使被保護的材料不會失去電子發(fā)生腐蝕。犧牲陽極陰極保護技術是基于電偶腐蝕原理，將電負性的犧牲陽極材料與被保護材料進行電連接，通過犧牲電負性材料保護管路免受腐蝕的一種保護技術[24-25]。

外加電流陰極保護技術在海水管路腐蝕防護應用較少，其主要原因是海水管路內部空間比較狹小，電流屏蔽效應嚴重，保護距離有限，且輔助陽極安裝困難。目前，管路和冷卻設備陰極保護主要采用犧牲陽極保護技術，犧牲陽極材料主要有鋅合金犧牲陽極和鐵合金犧牲陽極。鋅合金塞式犧牲陽極多用于淡水環(huán)境下銅熱水管路的腐蝕防護，此前曾采用鋅合金塞式犧牲陽極對銅質海水管路進行保護，但鋅合金犧牲陽極與銅合金電位差大，消耗速度快，使用壽命不超過半年。船舶航行期間，鋅塞陽極不僅不容易更換，而且陽極底座和絲堵材料為有脫成分腐蝕敏感性的H59-1黃銅，容易腐蝕失效，受壓崩出，導致電器失火的重大事故。

雖然鐵合金犧牲陽極工作電位較正，但可滿足銅及銅合金陰極保護電位范圍要求，壽命較鋅合金長，因此國內外逐步采用鐵合金犧牲陽極取代鋅合金犧牲陽極用于銅質海水管路腐蝕防護。據文獻報道，鐵基犧牲陽極材料主要為純鐵或普通碳鋼。十一五期間，中船重工第七二五研究所針對純鐵、普通碳鋼材料溶解性能較差、電流效率較低等問題，研制出了專門應用于銅質海水管路的環(huán)式結構鐵合金犧牲陽極，成功地解決了銅質海水管路的電化學陰極保護難題，并在多艘艦船海水管路系統中安裝應用，并獲得了良好的防護效果[26-27]。

2.2 表面處理技術

適用于海水管路內表面腐蝕防護的表面處理技術主要有化學鍍和涂塑等表面處理技術[28-29]?；瘜W鍍是不依靠外部加電流，依靠溶液中的還原劑來提供電子給金屬離子，實現耐蝕性金屬在管路內表面沉積的一種工藝。與電鍍相比，化學鍍具有以下優(yōu)勢。

1）鍍層厚度均勻，化學鍍液的分散力接近100%，邊緣效應不明顯，幾乎是基材形狀的復制，特別適合形狀復雜的深孔件、腔體件、管件內壁、盲孔件等表面施鍍。電鍍法因受電力線分布不均勻，很難做到。

2）利用敏化、活化等前處理，化學鍍可在非導電材料表面進行，而電鍍法僅能在導電材料表面進行。

3）化學鍍靠基材的自催化活性起鍍，其結合力一般優(yōu)于電鍍，鍍層有光亮或半光亮的外觀、致密、晶粒細、孔隙率低，某些化學鍍層還具有特殊的物理化學性能。

目前成熟的化學鍍工藝主要有鍍銅和鍍鎳，特別是鎳磷鍍已經成為一種重要的表面處理手段，在電子工業(yè)、石油化工、機械、航天等領域都得到了較多的應用。該類涂層具有高的硬度和耐蝕性，最適用于海水管路內表面的防護處理。

涂塑表面處理技術是將高分子防腐粉末均勻地涂塑在管路內表面的一種防腐技術，通過在管路內表面形成一層均勻、致密和光滑的塑料涂層，提高管路耐海水腐蝕性能。涂塑復合管集金屬材料優(yōu)異力學性能和高分子材料卓越耐化學腐蝕性能于一體，具有良好的耐腐蝕，抗刮擦無結垢，助潤滑耐高壓等多種優(yōu)越性能，大大延長了海水管路系統壽命。

3 結語

雖然現代艦船在航率更高、服役工況更復雜、更苛刻的環(huán)境中，承受的腐蝕破壞作用更強，但是在研發(fā)、設計、建造、使用等單位多方共同努力下，通過合理設計選材、結構優(yōu)化、綜合防護等手段一定能有效解決海水管路系統流動海水電化學腐蝕和電偶腐蝕等問題，共同保障海軍艦船的戰(zhàn)斗力及可靠性。