淺析艦船海水管系環(huán)境與青銅閥門的腐蝕

姚 磊 徐 雄 傅 剛 田志定

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011；2.上海世盛科技發(fā)展有限公司 上海200081）

引 言

艦船上有多種海水管路系統(tǒng)，如消防系統(tǒng)、疏排水系統(tǒng)、艙底水系統(tǒng)及各種海水冷卻系統(tǒng)等。海水管系在艦船推進裝置冷卻及消防安全等方面處于重要地位。海水管系在艦船各部位分布廣、種類多、維修保養(yǎng)困難，且大多處于易腐蝕的惡劣環(huán)境中，因此艦船海水管系的腐蝕問題在國內(nèi)外艦船中均大量存在［1］。

海水管系是由多種材料和設(shè)備組成的復(fù)雜系統(tǒng)。不同材料間腐蝕電位的差異、陰極和陽極的面積比、材料的自身極化行為的改變和差異，以及海水的物理和化學(xué)性質(zhì)、流動狀態(tài)等因素對艦船海水管系的環(huán)境腐蝕研究，是在艦船設(shè)計、建造過程中，必須予以十分關(guān)注的問題。

1 海水管系材料

海水管系材料的種類繁多。近二十多年來，隨著先進材料的發(fā)展和艦船事業(yè)的拓展需要，海水管路開始采用具有優(yōu)良耐腐蝕和抗污損能力的新型有色金屬和雙相不銹鋼材料制造。

B10（BFe10-1.6-1）銅鎳合金在海洋環(huán)境中具有良好的防污性能和耐蝕性能，在國外的軍船和民船上都獲得廣泛的應(yīng)用。我國從20 世紀60 年代開始試制B10 銅鎳合金管，用于制造船用換熱器等部件，到80 年代在艦船海水管路上逐步開始大規(guī)模應(yīng)用［2］。長期使用情況表明，B10 是一種可靠的海水管路系統(tǒng)用材料。目前艦船海水管路系統(tǒng)海水流速一般較高，甚至超過B10 管3.6 m/s 的允許設(shè)計流速，常會對管路造成湍流腐蝕、沖蝕及空泡腐蝕等［3］。

HDR（00Cr25Ni6Mo2NA）超低碳雙相不銹鋼具有良好的耐腐蝕性能、較好的抗拉強度以及塑性和韌性，兼有鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的優(yōu)點，在艦船和海洋工程中有越來越廣泛的應(yīng)用趨勢［4］。20 世紀90 年代后期，我國新造艦船的海水管路開始使用HDR 雙相不銹鋼材料。應(yīng)用初期，由于配套材料不完善、使用方法和施工工藝掌握不熟練等原因?qū)е潞Ｋ苈废到y(tǒng)中的連接法蘭和彎管焊接等處易出現(xiàn)嚴重的腐蝕泄漏，而HDR 管路材料本身并沒有腐蝕［5］。目前，我國在艦船防腐蝕技術(shù)方面取得了很大進步，采用正確的焊接加工工藝和先進的防腐蝕措施完全可以解決HDR 雙相不銹鋼海水系統(tǒng)的腐蝕問題。

2 閥 門

閥門是流體管路的控制裝置，其基本功能是接通或切斷管路介質(zhì)的流通，改變介質(zhì)的流動方向，調(diào)節(jié)介質(zhì)的壓力和流量，保護管路設(shè)備的正常運行。閥門是艦船管路系統(tǒng)中必不可少的控制元件，常用的閥門有截止閥、止回閥、截止止回閥、閘閥、蝶閥、減壓閥和安全閥等。艦船用閥門的腐蝕機理主要有電化學(xué)腐蝕、濃差電池腐蝕，流速、溫度和微生物等對閥門腐蝕也有影響［6］。

長期以來，我國艦船閥門的“三漏”現(xiàn)象相對比較嚴重，也一直是艦船設(shè)計者和管理部門十分關(guān)注的問題，至今尚未得到有效解決。就艦船平臺而言，閥門屬于很小甚至有些不起眼的零部件，但閥門因腐蝕破損導(dǎo)致關(guān)閉不嚴，繼而又因關(guān)閉不嚴加劇腐蝕破損，會形成惡性循環(huán)破壞。與陸用工業(yè)部門使用的閥門相比，艦船用閥門由于獨特的工作條件，在外形、質(zhì)量、選材配套、連接方式、可維性等方面都體現(xiàn)了自身的特點，形成一個獨立的體系。

3 艦船海水管系的腐蝕環(huán)境及形式

眾所周知，海水是含鹽濃度很高的電解質(zhì)溶液，是一種會對艦船海水管系中管子、閥件、管附件、設(shè)備、儀表等多種金屬材料產(chǎn)生各類環(huán)境腐蝕的天然腐蝕劑。海水中氯化物含量高達總鹽度的88.7%，硫酸鹽約占10.8%，碳酸鹽約占0.3%。海水的高含鹽量、含砂量，以及海水中海生物引起含氧量增加而釋放的CO2等氣體致使海水酸化，都將加劇海水管系的環(huán)境腐蝕。環(huán)境腐蝕可以理解為海水管系對其腐蝕行為產(chǎn)生影響的各種條件的總和。

艦船海水管系常見的腐蝕形式一般有以下幾種：

（1）高流速海水環(huán)境中的沖刷腐蝕

海水管系中流動海水對管系材料的沖刷腐蝕是海水管系破損的主要原因，其對材料的腐蝕程度通常隨流速增大而增加。海水流速若超過某種材料允許的臨界流速，則由于空泡及紊流引起的沖擊腐蝕破壞將會變得十分嚴重。高流速海水會沖刷掉金屬材料表面的各種保護膜，又使空氣中的氧擴散到金屬表面的速度加快，使材料內(nèi)壁處的氧供應(yīng)得到充分保證，氧的去極化作用持久處于高峰狀態(tài)，必然會加劇電化學(xué)腐蝕。

（2）氣 蝕

艦船海水管系由于海水的擴散、漩渦、流道過窄和振動，會在流體中某些部位形成低壓區(qū)。在材料內(nèi)壁與海水界面，無數(shù)氣泡不斷破裂會使材料壁面產(chǎn)生機械損傷，從而形成氣蝕，通常會產(chǎn)生馬蜂窩狀的麻孔。

（3）縫隙腐蝕

縫隙腐蝕是一種很普遍的局部腐蝕，也可看作是一種在宏觀腐蝕電池作用下的電化學(xué)腐蝕。它在設(shè)備和構(gòu)件中往往是不可避免的，通常發(fā)生在海水管系中有海水持久滯留的金屬材料之間以及金屬與非金屬之間構(gòu)成的狹窄縫隙內(nèi)。由于目前對縫隙腐蝕的預(yù)測和防護仍存在困難，海水管路連接部位一旦發(fā)生縫隙腐蝕，勢必造成海水管路整體密封性能降低乃至失效［7］。

（4）電偶腐蝕

電偶腐蝕是當(dāng)兩種不同的金屬材料位于海水這類電解質(zhì)溶液中時，會有電流從電位較低的金屬流向溶液，再經(jīng)溶液流向電位較高的金屬。在這種電極反應(yīng)過程中，低電位的陽極金屬除本身氧化還原反應(yīng)的耦合而引起的腐蝕外，還因同電位高的金屬接觸所形成的外加陽極電流作用而發(fā)生陽極溶解。陽極材料從固體的金屬狀態(tài)將變成溶液中的帶正電荷的離子狀態(tài)而造成腐蝕。只有過電位差較大的兩種或多種金屬材料在電解質(zhì)溶液中直接接觸時才會發(fā)生電偶腐蝕。電偶腐蝕導(dǎo)致的偶對陽極性材料的腐蝕加劇程度與電偶序中的自腐蝕電位高低及陰陽極材料之間自腐蝕電位差的大小并無正比關(guān)系。

兩種材料在電解質(zhì)溶液中接觸后，低電位金屬陽極反應(yīng)的過電位增大，而高電位金屬陰極溶解反應(yīng)的過電位減小，因此不能將電偶腐蝕定義為“金屬由于同電極電位高的金屬接觸而引起的腐蝕”。事實上，“同電極電位高的金屬接觸只會發(fā)生加速腐蝕”，而不是引起腐蝕的根本原因，發(fā)生電偶腐蝕（接觸腐蝕）過程的根本原因仍然是由于溶液中存在去極化劑所致［8］。

此外，艦船海水管系的腐蝕形式還有海洋環(huán)境中可能發(fā)生的點蝕、應(yīng)力腐蝕、雜散電流腐蝕及疲勞腐蝕等。

鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所等科研部門曾對B10 和HDR 雙相不銹鋼與其他海水管系材料在實驗室條件下，進行了長期的自然腐蝕行為和電偶腐蝕特性試驗，獲得以下共識：將HDR 與其他10 種材料（316L、QNiAl、1Cr18Ni9Ti、KB10［德國］、B10、QSu、QAl、HSi、20 號鋼、紫銅）及KB10 與 其 他6 種 材 料（QNiAl、QSu、QAl、HSi、20 號鋼、紫銅）按面積比1 ： 1 和5 ： 1 分別配對進行電偶試驗，試驗結(jié)束后，樣片酸洗、干燥、稱重。從不同電偶對的腐蝕失重結(jié)果可知：HDR 和KB10都為得電子，成為陰極得到保護；而其他配對的材料都為失電子，成為陽極而被加速腐蝕［4］。

4 實海模擬實驗

為了較全面摸清HDR 雙相不銹鋼和B10 銅鎳合金兩種電位高、耐海水腐蝕性能優(yōu)良的管子材料在實海流動海水的工況下長期運行對管系中青銅閥門的腐蝕影響，同時對比青銅閥門在使用和不使用犧牲陽極鐵環(huán)保護的狀態(tài)下的腐蝕差別，在青島海洋腐蝕研究所搭建了實海試驗平臺，進行為期半年的專項平臺模擬試驗，試驗實際海水流速為3 m/s。

試驗平臺由三相電機、海水泵、變頻器、PVC管、電磁流量計、B10 管、HDR 管、青銅閥門、管道式鐵陽極等設(shè)施組成。試驗平臺包含4 套試驗管段：1 號管段為HDR 與青銅閥門（不加犧牲陽極）試驗管段，2 號管段為B10 與青銅閥門（不加犧牲陽極）試驗管段，3 號管段為HDR 與青銅閥門（外加犧牲陽極保護）試驗管段，4 號管段為B10 與青銅閥門（外加犧牲陽極保護）試驗管段；與上述管段對應(yīng)的閥門分別編號為1 號、2 號、3 號和4 號閥門。為避免試驗管段之間相互影響，每套試驗管段之間使用PVC 管進行隔離連接。試驗平臺簡圖參見圖1。

圖1 實海模擬腐蝕試驗平臺設(shè)計圖

青銅閥門選用AS25050 GB/T587-2008，是艦船海水系統(tǒng)中使用較多的直通截止閥之一，其基本結(jié)構(gòu)及部件材料見圖2 及表1。犧牲陽極通過銅導(dǎo)線與被保護的青銅閥門連接，具體安裝方式見圖3。青銅閥門與鋼質(zhì)松套法蘭連接時均配置電絕緣螺栓。

圖2 青銅閥門基本結(jié)構(gòu)圖

表1 青銅截止閥部件材料表

圖3 犧牲陽極與青銅閥門連接圖

從艦船的長期使用情況可知，閥門受腐蝕因素有多種，除閥門自身各部件被海水浸蝕造成的自然腐蝕外，更多的是含泥沙的流動海水流速及紊流會造成嚴重的沖刷腐蝕和磨損，也為空泡腐蝕的發(fā)生和發(fā)展創(chuàng)造了條件。閥門有一個相對封閉的水腔，流道曲折，閥座與閥盤的開閉狀態(tài)多變，多種材料共處含鹽海水電解質(zhì)中，難免因直接接觸而發(fā)生電化學(xué)腐蝕，以及因關(guān)閉不嚴而造成縫隙腐蝕。對艦船海水管路中密封面損壞、密封失效的閥門進行修復(fù)，是艦船定期修理和進廠返修的主要項目之一，故此次試驗將測試青銅閥門閥盤的加劇腐蝕作為切入點。

試驗平臺搭建完畢后，使青銅閥門處于全開狀態(tài)，開展固定流速（3 m/s）狀態(tài)下的長期沖刷腐蝕試驗，試驗時間為6 個月（工作日白天試驗，晚上停止）。試驗前拆解各試驗閥門，拍照記錄，并對閥芯和閥桿進行稱重。

5 結(jié)果與分析

5.1 閥座和閥體流道腐蝕形貌分析

試驗結(jié)束，各閥門拆卸后閥座和閥體流道的外觀形貌見圖4 -圖7。

圖4 1號閥門試驗后的閥座及閥體流道形貌

圖5 2號閥門試驗后的閥座及閥體流道形貌

圖6 3號閥門試驗后的閥座及閥體流道形貌

圖7 4號閥門試驗后的閥座及閥體流道形貌

試驗后各閥門的外觀形貌基本無明顯區(qū)別。將各閥門拆解后，從圖4 -圖5 可以看出，未安裝犧牲陽極的1 號、2 號閥門，閥門閥座內(nèi)部和閥門流道均有不同程度銹蝕，但程度相差不大。從圖6-圖7 可以看出，安裝犧牲陽極的3 號、4 號閥門，閥門內(nèi)部的銹蝕程度明顯比未安裝犧牲陽極閥門的銹蝕程度輕微；與HDR 管路相連的1 號、3 號閥門，其閥座內(nèi)部銹蝕程度比相同環(huán)境下與B10管路相連的2 號和4 號閥門略微嚴重。

5.2 閥盤和閥桿的腐蝕分析

試驗后，各閥門閥盤和閥桿的腐蝕產(chǎn)物清除前后外觀形貌見圖8 -圖11。從圖中可以看出，4 個閥門的閥盤表面均有不同程度銹蝕。安裝犧牲陽極進行保護的3 號和4 號閥門，其閥盤上的腐蝕產(chǎn)物明顯少于另外兩個不進行保護的1 號與2 號閥門；又對1 號、2 號閥門的閥盤密封面進行局部放大觀察，均無明顯破損，仍能夠?qū)崿F(xiàn)良好的密封效果。由此可以推斷，海水沖刷使閥盤密封面加劇腐蝕不至于成為造成閥門失效、閉合不嚴的主要原因。

圖8 1號閥門閥盤和閥桿腐蝕產(chǎn)物清除前（左）與清除后（右）的外觀形貌

圖9 2號閥門閥盤和閥桿腐蝕產(chǎn)物清除前（左）與清除后（右）的外觀形貌

圖10 3號閥門閥盤和閥桿腐蝕產(chǎn)物清除前（左）與清除后（右）的外觀形貌

圖11 4號閥門閥盤和閥桿腐蝕產(chǎn)物清除前（左）與清除后（右）的外觀形貌

由于使用工具拆卸閥盤和閥桿時可能會造成閥盤損傷，為避免對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響，將閥盤和閥桿一起進行稱重，測試數(shù)據(jù)見下頁表2。從表2可以看出，無論閥門是否安裝犧牲陽極，HDR 管材對閥門的腐蝕影響均要略大于相同環(huán)境下的B10管材；安裝犧牲陽極后，可有效降低HDR 和B10管路對青銅閥門的腐蝕影響。

試驗僅僅模擬了艦船海水管系腐蝕環(huán)境中很小的一個環(huán)節(jié)，試驗結(jié)果表明：

（1）試驗平臺中串接的4 組管件中的4 個青銅截止閥均處于常開狀態(tài)，閥門密封部位的閥盤、閥桿，包括閥體的閥座部分發(fā)生的腐蝕主要為流動海水的沖刷腐蝕。試驗后，各個青銅截止閥相關(guān)部件的腐蝕失重從腐蝕狀態(tài)和腐蝕機理分析還應(yīng)包括材料的自然腐蝕失重、閥件的自身環(huán)境以及與不同材料管系相連接構(gòu)成的外部環(huán)境疊加可能形成的電偶腐蝕失重，但孰重孰輕尚無法細化測量比較。所有閥門的密封面均未見發(fā)生明顯的腐蝕破損，稍作清理，仍可正常使用。

（2）閥門和其他管系、附件、設(shè)備一樣，在艦船流動海水這個外部環(huán)境中，發(fā)生各種腐蝕是不可避免的。在通常情況下，犧牲陽極的有效保護范圍一般僅為管道內(nèi)徑的6 倍左右。雖然其保護范圍有限，但是青銅閥門串接犧牲陽極鐵環(huán)后，閥件的腐蝕失重有所減少，可有效減輕HDR、B10 這類耐蝕性管材對閥門腐蝕的影響。

表2 各閥門閥盤和閥桿試驗前后的重量變化

6 結(jié) 語

近年來，國內(nèi)外關(guān)于海水管系材料的環(huán)境腐蝕研究集中于材料的腐蝕機理研究及特種材料的腐蝕特性研究，獲得不少進展，但是針對管系閥門之類構(gòu)件的環(huán)境腐蝕研究及海水管系全系統(tǒng)的工程體系配套和腐蝕防治問題尚無統(tǒng)一的環(huán)境適應(yīng)性研究試驗評價方法及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。艦船海水管系不僅要選用好材料，更要把好材料用好，方能有效提升整個使用壽命周期內(nèi)效費比。我們相信，通過艦船科研設(shè)計、船廠建造和部隊使用三方的共同努力，這是完全可以實現(xiàn)的。