鋼尼龍復合管在艦船海水管路系統(tǒng)中的應用研究

彭蛟 張黎明

摘? ? 要：本文通過對鋼-尼龍復合管進行性能分析、試驗檢測和實船驗證，證明鋼-尼龍復合管在艦船海水管路系統(tǒng)中應用的可行性，為解決艦船海水管路腐蝕問題提供了一種新的解決思路。

關(guān)鍵詞：鋼-尼龍復合管;艦船;海水管路

中圖分類號：U664.85 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： In this paper， through the performance analysis， test and real ship verification of steel-nylon composite pipes widely used in chemical industry and petroleum industry， this paper proves the feasibility of the application of steel-nylon composite pipes in ship seawater piping system， and provides a new solution to the corrosion problem of ship seawater piping.

Key words： steel-nylon composite pipe; Ships; Seawater piping

1? ? 前言

艦船海水管路的腐蝕問題，一直是艦船設(shè)計應用中面臨的難題。近20多年來，通過應用耐腐蝕金屬管材、電化學保護和金屬管內(nèi)壁防腐涂層等技術(shù)，海水管路腐蝕問題在一定程度上得到改善。但隨著國防、海洋事業(yè)的發(fā)展和艦船使用遠洋化、高頻化，海水管路腐蝕問題面臨嚴峻形勢，上述抗腐蝕技術(shù)在應用成本、范圍及效果等方面，都呈現(xiàn)出一些局限性，因此有必要探索更經(jīng)濟有效的海水抗腐蝕技術(shù)，為海水管路抗腐蝕設(shè)計應用提供更多的可選方案。

2? ? 海水管路抗腐蝕技術(shù)應用現(xiàn)狀

2.1? 抗腐蝕金屬管材技術(shù)

抗腐蝕金屬管材技術(shù)，是通過研究應用高抗腐蝕金屬管材來解決海水管路腐蝕問題的技術(shù)。在早期使用碳鋼、純銅材質(zhì)的基礎(chǔ)上，相繼出現(xiàn)了不銹鋼管、紫銅管、銅鎳管、鈦合金管等耐腐蝕性能好的新型金屬材料。但選用耐腐蝕金屬材料，必然面臨經(jīng)濟性及工藝性的問題：金屬材料耐腐蝕性越好，成本越貴、工藝性越差。耐腐蝕性最好的鈦合金管，因其價格昂貴、制造工藝復雜、施工難度大等問題難以大范圍應用;耐腐蝕性和工藝性均較好的銅鎳管，一直以來在軍船上廣泛應用，但仍暴露出腐蝕穿孔問題。

2.2? 電化學保護技術(shù)

電化學保護技術(shù)分為：外加電流陰極保護和犧牲陽極陰極保護兩種。陰極保護是對被保護金屬進行外加陰極極化，抑制金屬電化學反應，從而避免腐蝕;陽極保護是將活潑金屬（如鋅鋁等）與被保護金屬進行電性連接，使活潑金屬作為犧牲陽極、被保護金屬成為陰極得到保護。

在實際應用中，由于電化學保護需要增加相應電化學組件，受艦船管路系統(tǒng)布置、安裝的限制，其應用部位及效果都有相當?shù)木窒扌?，而且定期更換組件等會額外增加工作量，因此電化學保護技術(shù)也僅在局部應用。

2.3? 抗腐蝕涂層技術(shù)

抗腐蝕涂層技術(shù)是將比母材抗腐蝕性更強的材料涂覆在管路內(nèi)壁，隔絕海水與母材的直接接觸從而保護管子母材的技術(shù)。根據(jù)涂覆層材料不同，分為金屬涂層（如鍍鋅管）和非金屬涂層（如涂塑管）兩類。在實際應用中，不管是金屬覆蓋層還是非金屬覆蓋層，均存在涂層較薄、附著力不夠、施工中易受破壞等問題。

以鍍鋅管和涂塑管為例：鍍鋅管在制作過程中，容易因管路表面清洗不凈造成鍍層脫落;在安裝過程中也常在管子接頭及現(xiàn)場修改部位等受力點出現(xiàn)鍍層脫落問題;涂塑管容易因管路接頭涂塑不全及涂層表面的微小缺陷造成局部腐蝕;同時由于涂塑和鋼管的膨脹系數(shù)不同，在受到形變或沖擊后很容易造成涂塑層成片剝離。

3? ? 鋼-尼龍復合管概況

鋼-尼龍復合管是將尼龍材料熱熔后澆注到鋼管內(nèi)壁，形成一種外層為鋼、內(nèi)層為尼龍材料的復合管（見圖1）。

鋼-尼龍復合管通常由尼龍內(nèi)襯層、鋼管層、外保護層（通常為油漆層）組成：內(nèi)襯材料尼龍，是一種應用廣泛的工程塑料，具有高強度、高耐磨性、耐高低溫（-36 ℃～160 ℃）、耐堿、弱酸、油、海水、無毒、無味、無臭等化學性能;同時還具有質(zhì)輕、價廉的優(yōu)點。在化工、石油行業(yè)中已應用超過20余年至今仍在正常使用。

實際應用表明，鋼-尼龍復合管具有如下特點：

（1）通過離心澆注的尼龍層與鋼管貼合緊密，同時尼龍層自身具有一定的厚度和強度，不易剝離、破壞和滲透，能有效隔離流體介質(zhì)，從根本上避免鋼管腐蝕;

（2）尼龍材料價廉、質(zhì)輕，與普通鋼管復合成的鋼-尼龍復合管，具有較好的經(jīng)濟性;

（3）尼龍層具有一定厚度和強度，在滿足同等通徑和力學性能要求的情況下可以適當減薄鋼管厚度，從而達到一定的減重效果;

（4）尼龍層內(nèi)壁光滑流體阻力小，具有較好的防污、耐磨性能，可減小管路系統(tǒng)壓力損失。

4? ?鋼-尼龍復合管艦船上應用可行性試驗驗證

4.1? 技術(shù)性能指標測定

為進一步檢測鋼-尼龍復合管的艦用可行性，以20號鋼和增強MC尼龍制作鋼-尼龍復合管樣件。并參照艦船使用要求及相關(guān)行業(yè)規(guī)范，開展了復合管壓扁試驗、沖擊試驗、水壓爆破試驗、真空剝離試驗和液體吸收性、摩擦系數(shù)、毒性、耐火性、燃燒煙氣無毒檢測等試驗檢測工作，各項指標均滿足艦船使用要求。

（1）力學性能

鋼-尼龍復合管壓扁試驗、沖擊試驗等合格：

① 沖擊試驗：錘重2.5 kg、高度2 m，試樣無斷裂和龜裂;進行2.5倍公稱壓力液壓試驗、持續(xù)1 h，管子無分層和滲漏;

② 外部負荷試驗：跨距6 m、負荷100 kg、持續(xù)5min，無破裂損壞;環(huán)剛度（平行板外載性能）實際測量值為30.5 kN/m2（DN50）、8.69 kN/m2（DN250）、7.66 kN/m2（DN700）;邵氏硬度為81.4;

③ 水壓爆破及液壓強度試驗：水壓爆破壓力大于4MPa;液壓強度試驗加壓至公稱壓力1.5倍、穩(wěn)定壓力15 min，管子不破裂、不滲漏、不變形;采用管材、90°彎頭和三通組合進行短期液壓（4.1 MPa、3 min）爆破試驗（內(nèi)壓試驗），無破裂、無滲漏。

（2）液體吸收性

經(jīng)第三方機構(gòu)檢測，鋼-尼龍復合管液體吸收性能為0.75%<0.9%，滿足要求。

（3）摩擦系數(shù)

經(jīng)第三方機構(gòu)檢測，增強MC尼龍內(nèi)壁摩擦系數(shù)小于0.3，滿足GB/T3960要求。

（4）熱變形溫度

經(jīng)第三方機構(gòu)檢測，增強MC尼龍熱變形溫度80.1℃>80 ℃，滿足海水管路使用要求。

（5）毒性

鋼-尼龍材料無毒性、無二次污染，經(jīng)廣東省疾病預防控制中心檢驗，符合生活飲用水衛(wèi)生標準。

（6）抗老化性

經(jīng)第三方機構(gòu)檢測，在150 ℃條件下加熱60 min后，實際熱變形溫度變化為1.9 ℃<5 ℃，符合GB/T1634等標準要求。

（7）抗疲勞性

委托第三方機構(gòu)開展循環(huán)壓力沖擊試驗，在23℃±2 ℃條件下，在1.0 MPa～1.5 MPa間每1min交替變化至少30次、持續(xù)10 000次后，熱變形溫度變化為4 ℃<5 ℃，符合GB/T1634、ISO 10508等標準要求。

（8）耐火性

經(jīng)第三方機構(gòu)檢測，鋼-尼龍復合管中的尼龍層具有高阻燃性，其阻燃性能為V-2級。

（9）燃燒煙氣無毒

增強MC尼龍管（DN50）試樣按照IMO 2010 FTP規(guī)則進行材料煙密度和毒氣試驗，結(jié)果表明符合IMO 2010 FTP規(guī)則有關(guān)塑料管材料煙氣及其毒性試驗要求。

（10）不易剝離性

按ASTM D2924-2012要求，對試樣管抽真空≤50kPa、維持10 min，試樣管內(nèi)襯層無剝離無脫落，符合ASTM D2924-2012要求。

（11）抗振動沖擊性

鋼-尼龍復合管外層為鋼、內(nèi)層為增強MC尼龍，兩層材料緊密嵌合在一起。由于鋼管層本身的抗沖擊性能是滿足艦船抗沖擊性要求的，故鋼-尼龍復合管的抗沖擊性能必然也滿足艦船抗沖擊性能要求。

（12）無石棉檢測

對己內(nèi)酰胺、氫氧化鈉、玻璃纖維等原材料進行石棉含量檢測，結(jié)果表明試樣中溫石棉、鐵石棉、青石棉、直閃石、透閃石、陽起石等均為陰性。

（13）模擬火損試驗

取一根鋼-尼龍復合管（規(guī)格：218.5*1 001 mm、鋼質(zhì)層4 mm、尼龍厚度6 mm）內(nèi)部充滿水，采用液化石油氣爐直燒，火焰溫度550 ℃～664 ℃、局部燃燒10 min，內(nèi)襯尼龍局部鼓包但無破損，用1.5 MPa水壓進行強度及密性試驗、穩(wěn)壓10 min，未見滲漏。

4.2? 維修性試驗

為驗證鋼-尼龍復合管的維修性，進行了模擬破損修復試驗：

（1）取一根鋼-尼龍復合管（規(guī)格：218.5*1001 mm、鋼質(zhì)層4 mm、尼龍厚度6 mm）用手電鉆頭（直徑12 mm）鉆穿鋼管及內(nèi)襯層，采用尼龍熱熔焊接修補。修補后用1.5 MPa水壓進行強度及密性試驗、穩(wěn)壓10min，未見滲漏;

（2）取一根鋼-尼龍復合管（規(guī)格：325*1002.5 mm、鋼質(zhì)層6 mm、尼龍厚度6 mm）用砂輪機進行切割，割穿鋼管及內(nèi)襯層，采用電焊焊接修補鋼質(zhì)層。修補后用1.5 MPa水壓進行強度及密性試驗、穩(wěn)壓10 min，未見滲漏。

采用上述臨時修補措施，無論是熱熔修補尼龍層還是直接電焊修復鋼質(zhì)層，均能滿足臨時修復需要，具有較好的維修性。

4.3? 實船安裝試驗

由于艦船管路及附件的形狀、規(guī)格與布置安裝環(huán)境均較化工、石油行業(yè)復雜，為驗證鋼-尼龍復合管的制作、安裝工藝，制作了不同規(guī)格的鋼-尼龍復合管段及通艙管接頭等樣件（見圖2），在一艘半潛船上進行實船驗證。其中，在管隧部位用2根鋼-尼龍復合管代替原有的2根鍍鋅鋼管應用于海水消防系統(tǒng);在機艙用1根鋼-尼龍復合管管段代替原有的1根B10銅鎳管用于主機海水冷卻系統(tǒng);隨后又在3艘護衛(wèi)艦上使用鋼-尼龍復合管通艙件和內(nèi)層為尼龍材料的海水濾器等。

經(jīng)過兩年多的實船試用證明，這些管路及附件使用情況良好，管路、濾器內(nèi)表面光滑如新，管路接口處未見滲漏，也未有腐蝕現(xiàn)象。

5? ?鋼-尼龍復合管艦船應用范圍

根據(jù)鋼-尼龍復合管的制作工藝，其管徑范圍為50 mm～2 000 mm。管件種類包括：直管、彎頭、等徑三通、異徑三通、等徑四通、異徑四通、異徑管等。

以某遠海救助拖船海水管路系統(tǒng)為例，經(jīng)統(tǒng)計分析：鋼-尼龍復合管在該船海水管路系統(tǒng)中應用比例超過85%;應用的系統(tǒng)包括壓載水管路、海水冷卻管路、生活污水管路、消防水管路、艙底排水管路等。

6? ? 鋼-尼龍復合管經(jīng)濟效益分析

（1）重量：同等規(guī)格的鋼-尼龍復合管和銅鎳管相比，重量較輕，對艦船減重有一定的效果;

（2）采購價格：由于尼龍和鋼管材料成本低廉，鋼-尼龍復合管的采購價格遠低于進口銅鎳管（超過10萬元/t）;

（3）全壽命周期維護費用：鋼-尼龍復合管耐腐蝕性能優(yōu)于銅鎳管等金屬管，其使用壽命有望達到與艦船相同，能較好地解決艦船管路腐蝕問題，提高艦船裝備的可靠性水平，大大降低全壽命周期維護費用。

7? ?結(jié)論

鋼-尼龍復合管是一種在化工、石油行業(yè)成功應用多年的高抗腐蝕管路，經(jīng)試驗驗證，它具備了在艦船海水管路系統(tǒng)中應用的可行性。可廣泛應用于壓載水管路、海水冷卻管路、生活污水管路、消防水管路、艙底排水管路等管路系統(tǒng)中。相比銅鎳管等耐腐蝕金屬管，鋼-尼龍復合管具有更好的耐腐蝕性、經(jīng)濟性和減重效果。