船用B10海水管腐蝕仿真及防腐優(yōu)化研究

孫 啟 馬云飛 戴明城

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

艦船海水管系擔負著冷卻設備、消防、壓載、排水、沖洗等保障安全運行和人員日常生活的重任［1-2］。因輸送介質為腐蝕性的海水，海水管路的腐蝕與防腐蝕問題，是船舶系統(tǒng)管路日常維護中一個常見的問題，也是在管系設計及施工時需要著重考慮的問題之一［3-5］。

當前船用海水管系主要使用B10銅鎳合金材質（下文簡稱B10）。B10海水腐蝕的機理復雜，難以完全控制，因此加強B10海水腐蝕機理研究，并對B10海水管進行防腐優(yōu)化，對延長管系壽命以及提高設備可靠性具有重要意義。

1 典型海水管系腐蝕仿真計算分析

1.1 基于COMSOL仿真計算的基本理論

管道中流動的海水可以看成粘性不可壓縮流體。研究管道流體通常涉及到質量守恒、動量定理、能量守恒定律，結合流體層流、湍流數值模型，運用有限元離散化分析方法，將這些流體力學規(guī)律進行數值計算。

B10管海水腐蝕是個多場耦合問題，涉及流體、稀溶液組份輸運和電化學，氧濃差電場及不同材質相接觸的電偶電場，使海水腐蝕的仿真變得極為復雜。COMSOL是一款適合多場耦合計算的軟件，除了流體數值計算的設置，需再關聯設置氧濃度場、偶合電場等。

1.2 B10管海水腐蝕速度計算

管道中的海水含有氧氣，當管道成分或組織不均勻時，會形成腐蝕微電池，發(fā)生如下化學反應：

其中，反應（1）進行速度很快，反應（2）受氧在海水中擴散的影響，反應比較慢，因此腐蝕速度取決于氧的擴散速度。氧的擴散速度取決于管壁和海水之間的氧濃度梯度，由于氧擴散速度較慢，可假設氧一達到管壁表面就立刻發(fā)生反應消耗掉，即管壁處氧的濃度為0，因此管壁附近海水的氧濃度分布就在一定程度上代表了腐蝕速度。另外，管路中流動的海水對管壁有一定的剪切作用，剪切力會加快海水腐蝕速度。

海水在管路中流動，管路的腐蝕速度［6］為：

式中：M為銅的原子量；U為管內流體的平均流速，m/s；CS為壁面第一節(jié)點處的氧濃度，mol/m3；CW為壁面處的氧濃度，mol/m3；rs+為壁面第一個節(jié)點的徑向無量綱位置，取100；ks為壁面第一個節(jié)點處湍動能，m2/s2；k1為常數，取0.4；E為常數，為管壁第一個節(jié)點處剪應力，Pa；ww為管壁處切應力，Pa；ρ為流體密度，kg/m3；d為管道直徑，mm。

可見，腐蝕速度與壁面剪切力、氧濃度有關。

1.3 仿真模型的建立

1.3.1 流體幾何模型

以某發(fā)電機組海水冷卻管系建立典型海水管系的仿真模型，見圖1。

圖1 典型海水管系仿真模型

為提高計算效率又要控制計算誤差，先進行較為稀疏網格化的計算，大致確定管道沖刷腐蝕的嚴重部位，然后對這些關鍵部位重新進行較密的網格劃分進行更精密的仿真計算。

1.3.2 邊界條件設置

海水在管道中流動的時候，同管壁接觸的海水由于受管壁作用處于層流狀態(tài)，而遠離管壁的海水為湍流狀態(tài)。海水在管道中流動時，從入口流入，從出口流出，同時還同管壁相接觸，形成流動層、滯留層，流速依次遞減。不同流層的存在，對電化學腐蝕中陰極的氧去極化過程起著至關重要的作用。因此，根據不同的流動情況，流體幾何模型表面被劃分為不同的邊界，并賦予不同的邊界條件。

流體邊界條件設置：

（1）設置湍流模型：設置為不可壓縮流體、模型；

（2）設置流體屬性：包括流體所在區(qū)域、流體密度、粘度等；

（3）設置進出口速度邊界條件；

（4）設置體積力。

稀溶液組份輸運設置：

（1）設置輸運方式：主要以對流為主，但在滯留層內以擴散為主，對氧的輸運暫不考慮電遷移。

（2）設置對流和擴散參數。

入口和出口濃度參數設置：入口處氧濃度為水中的最大溶解量；出口不用設置。

流體場設置：選擇多場耦合模型，包括湍流模塊和稀溶液組份輸運模塊。

求解器設置：選擇穩(wěn)態(tài)求解計算。

1.4 仿真模型的計算

以海水入口速度3 m/s為計算案例，仿真結果見圖2 -圖6。

圖2 彎管部位速度分布（最大值3.97 m/s）

由圖2 -圖6可見：氧的濃度分布和剪應力在彎管處的分布差別較為明顯，彎管往往是腐蝕較快的地方，其使用壽命決定了整個管系的壽命；入口處氧的濃度最低，管道下游側面偏內彎處氧的濃度最高，而肘部內彎處出現了氧濃度低值區(qū)，即形成了氧濃度差。

圖3 彎管部位流線分布

圖4 彎管部位壓力分布

圖5 彎管部位氧濃度分布

圖6 彎管部位腐蝕速度云圖

以管彎曲半徑R/D= 0.75為例，不同流速下彎管典型位置的腐蝕速度進行仿真，典型部位選取如圖7所示；取6個不同的典型位置進行監(jiān)測對比，見表1。

圖7 彎管典型部位選取

表1 彎管典型部位隨流速的腐蝕速度計算

2 B10海水管防腐優(yōu)化

2.1 彎管彎曲曲率優(yōu)化

海水流速3 m/s時，不同彎曲曲率條件下最大腐蝕速度見表2。

表2 彎管不同彎曲曲率下的腐蝕速度

由表2可知：彎管彎曲曲率增大，有助于減緩海水沖擊，降低湍流強度，能減緩氧濃度分布不均的現象，但是隨著彎曲曲率的增加，其減緩腐蝕速度的優(yōu)勢將降低。因此在實船管路放樣時，應采用相對偏大的彎曲曲率。

2.2 采用鋼質直管段與B10管偶接以保護腐蝕嚴重部位

B10海水管內各部位氧濃度分布不均，造成氧的平衡電位差異，存在氧濃度差腐蝕。為消除氧濃差造成的局部腐蝕，在彎管入口端設置一段易于更換的鋼制管路以改進原設計，見圖8 -圖9。

圖8 彎管改進后氧濃度分布

圖9 管道改進后腐蝕電位分布圖

從圖8 -圖9可看出：與圖5相比，在彎頭上游部位安裝鋼質直管段后，氧濃度峰值明顯下降，且分布更均勻；鋼質直管段處電位較高，明顯消除B10彎頭處氧濃差造成的腐蝕電位不均的現象，有效抑制彎頭部位的嚴重局部腐蝕現象，形成犧牲陽極的陰極保護“裝置”，從而延長B10海水管的壽命。

2.3 B10管與設備鋼質部件交互作用優(yōu)化

目前，船用海水管系絕大多數采用B10管，但一些設備的部件不可避免要采用鋼質或其他異種金屬材質。雖然在連接部位采用了高絕緣法蘭墊片，但事實上收效甚微。B10自身腐蝕產生的Cu2+會在下游的異種金屬表面發(fā)生置換反應而沉積下來，形成大量的微腐蝕電池。參照第2.2節(jié)優(yōu)化方法，仿真得到如下規(guī)律：在設備海水入口端設置便于更換的3～5 m長的鋼質直管段，便可將上游來的Cu2+“過濾”掉，從而延長設備壽命。

考慮到艦船設計空間有限，設備前安裝3～5 m長的鋼制管不利于初期施工及后期保養(yǎng)維護和修理等，若采用尺寸比較短的波紋鋼管來替代3～5 m長的鋼制直管，就可有效節(jié)省空間，如圖10所示。

圖10 鋼制波紋管示意圖

經仿真計算，短鋼制波紋管對Cu2+的“過濾”效果較為明顯，Cu2+濃度呈周期性下降，并使B10管海水腐蝕的速度下降。其原因在于：

（1） 雖然鋼質波紋管尺寸大幅縮減，但內壁波紋使其有效內表面積顯著增加；

（2） 與直管相比，內壁波紋的存在使內壁表面形成大量渦流，從而產生大量微射流和沖擊波，將內壁上置換出來的鋼微粒及時剝離，讓其經常保持“新鮮”的鋼鐵表面，保持置換活性，達到小尺寸高效“過濾”Cu2+的目的。

由此可見，在空間有限的場合，可使用長度短小且易于更換的鋼質波紋管來取代尺寸較長的直鋼管，從而達到減緩設備內部腐蝕，延長設備使用壽命的目的。

3 結 語

本文針對船用B10海水管系防腐研究需要，建立了基于COMSOL的典型海水管系腐蝕仿真分析模型；并從彎頭彎曲曲率，彎頭入口段改為鋼質短管，設備前加裝鋼質波紋管等方面進行防腐優(yōu)化。主要結論如下：

（1） 海水管系彎管處氧濃度分布和剪應力分布差別較大，導致彎管腐蝕較快，其使用壽命決定了整個管系的壽命；管道下游側面偏內彎處氧的濃度最高，而肘部內彎處出現了氧濃度低值區(qū)，形成局部氧濃度差電池，加劇了管道肘部偏下游的部位的腐蝕速度；隨著入口流速增加，各典型部位的腐蝕速度進一步加劇。

（2） 彎管部位彎曲曲率增大，減緩了流體對管壁的沖刷作用和氧濃度分布不均的現象，但是隨著彎曲曲率的增加，減緩腐蝕速度的優(yōu)勢將降低。

（3） 在彎管上游部位安裝鋼質直管段后，明顯降低了氧濃度峰值，且氧濃度分布更均勻，改善了B10彎管處氧濃差形成的局部腐蝕現象，延長了B10海水管的壽命。

（4） 在空間有限的場合，可用鋼制波紋管取代尺寸較長的直鋼管，內壁波紋產生的微射流和沖擊波能保持鋼鐵表面同Cu2+置換的活性。