艦船海水管路系統(tǒng)電偶腐蝕控制技術(shù)

羅雯軍，彭 戈，蔡淑艷

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，上海201108)

0 引 言

海水管路系統(tǒng)遍布全船，包括各種管路、泵、閥、冷卻設(shè)備及其他附屬設(shè)備，承擔(dān)著主/輔機(jī)和其他動(dòng)力、機(jī)電、空調(diào)等系統(tǒng)的冷卻以及艦船消防、海水淡化等任務(wù)，是維持艦船正常運(yùn)行的重要組成部分。鑒于海水管路系統(tǒng)組成及材料的復(fù)雜多樣性，其腐蝕控制也是海軍艦船維護(hù)的重點(diǎn)所在。20世紀(jì)70年代，美國(guó)、歐洲、俄羅斯等國(guó)外海軍艦船海水管路系統(tǒng)主干材料開始逐步由紫銅向耐腐蝕性能更好的銅鎳合金材料過渡。20世紀(jì)90年代后，隨著鎳基合金和鈦合金管路加工、焊接技術(shù)水平的提升以及成本的下降，具有良好耐蝕性、耐沖刷性的鎳基合金和鈦合金材料開始逐步在美國(guó)海軍艦船上獲得大量應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)后，耐腐蝕性更高的鈦及鈦合金材料在海水管路系統(tǒng)中更是得到了大量應(yīng)用。

從總體趨勢(shì)來看，管路材料向耐海水腐蝕性能尤其是耐沖刷腐蝕性能越來越高的方向發(fā)展，但鑒于成型焊接工藝等問題，泵、閥、設(shè)備等附件材料仍大量使用鑄造青銅合金，導(dǎo)致高電位管路與低電位附件之間的電偶腐蝕等腐蝕風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)提高。由此，從20世紀(jì)90年代，美國(guó)等國(guó)外海軍開始逐步將海水管路系統(tǒng)腐蝕控制的研究重心轉(zhuǎn)入電偶腐蝕等方面[1–3]。

1 電偶腐蝕控制技術(shù)研究重點(diǎn)

電偶腐蝕驅(qū)動(dòng)力是2種或更多金屬或合金之間在傳導(dǎo)介質(zhì)中電位不同，形成陰陽(yáng)極間的電偶電流。2種或多種異種金屬電偶腐蝕程度影響因素包括：陰陽(yáng)極面積比、溶液電導(dǎo)率、離子遷移速率、溶液流動(dòng)特征、溫度、部件幾何形狀、鈍化膜穩(wěn)定性、金屬間電位差、溶液氧含量、陰極效能或合金的極化特征等。

浸入到既定電解液中和到達(dá)穩(wěn)態(tài)的金屬或合金有不同的電位。當(dāng)2種不同合金被連接在一起時(shí)，更負(fù)電位的合金發(fā)生陽(yáng)極溶解。陽(yáng)極氧化過程導(dǎo)致過量電子通過金屬流動(dòng)到更正電位的合金表面上，并通過陰極反應(yīng)被消耗，在海水中通常是氧的還原。電位序是不同合金和金屬在特征既定電解液條件下腐蝕電位的列表（見圖1）。它可預(yù)測(cè)電偶腐蝕趨勢(shì)，并作為潛在的電偶腐蝕驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)2種或多種合金被連接在相同回路中時(shí)，電位序可有效地預(yù)測(cè)哪種金屬或合金將是陽(yáng)極或陰極。

圖1 海水管路系統(tǒng)材料體系在靜態(tài)海水中的電位序Fig.1 Potential of seawater piping system materials in still seawater

減緩電偶腐蝕的基本思路包括：1）盡量選擇電位差接近的材料；2）改變環(huán)境介質(zhì)；3）隔斷電連接的傳導(dǎo)路徑；4）設(shè)計(jì)中盡量將異種金屬的連接縫隙做到最小化，并考慮更合理的幾何形狀和陰陽(yáng)極面積比；5）通過涂層或陰極保護(hù)改變電偶對(duì)的陰極或陽(yáng)極反應(yīng)。

同時(shí)，管路系統(tǒng)的電偶腐蝕控制必須考慮如下5個(gè)問題。一是由于不同金屬的綜合耐腐蝕性或力學(xué)性能不匹配性，使用替代合金的選擇通常是不現(xiàn)實(shí)的；二是通過添加緩蝕劑或除去海水中的氧，改變影響電偶電流回路的環(huán)境也是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)樗鼈兂３Ｐ枰B續(xù)應(yīng)用導(dǎo)致較高的運(yùn)行成本；三是通過電絕緣阻斷可能存在的導(dǎo)電路徑是有效的；四是應(yīng)避免2種電位序相距甚遠(yuǎn)的異種金屬直接接觸，并保證陰極和陽(yáng)極總電流相等；五是通過對(duì)陰極施加絕緣涂層可有效提升有利的陰陽(yáng)極面積比（小陰極大陽(yáng)極），通過更小陰極面積產(chǎn)生的陰極電流被傳播在更大的陽(yáng)極面積上；陽(yáng)極絕緣涂層應(yīng)避免漏涂而導(dǎo)致小陽(yáng)極大陰極這種不良的陰陽(yáng)極面積比。含硫化物海水中會(huì)導(dǎo)致電偶對(duì)發(fā)生反轉(zhuǎn)，同時(shí)未形成偶對(duì)的銅鎳合金在含硫化物的流動(dòng)海水中也會(huì)發(fā)生加速腐蝕[4–5]。

2 電偶腐蝕控制技術(shù)陸上試驗(yàn)裝置考核

從20世紀(jì)90年代末開始，美國(guó)海軍研究局、海軍研究實(shí)驗(yàn)室等研究機(jī)構(gòu)對(duì)于鈦、鎳基合金管路對(duì)B30等銅鎳合金管路帶來的電偶腐蝕風(fēng)險(xiǎn)及電偶腐蝕控制技術(shù)進(jìn)行了長(zhǎng)期評(píng)估和考核試驗(yàn)研究。通過在賓夕法尼亞州的LaQue腐蝕科學(xué)研究中心等地搭建管路系統(tǒng)陸上模擬試驗(yàn)裝置，對(duì)TA2工業(yè)純鈦、625鎳基合金等陰極管路與B30銅鎳合金形成偶對(duì)時(shí)的3類電偶腐蝕控制技術(shù)進(jìn)行了系列考核評(píng)估[6–7]。主要包括：

1）在陰、陽(yáng)極管路之間施加PVC絕緣管段。此前，美國(guó)海軍在銅鎳合金與異種金屬連接部位曾加裝犧牲陽(yáng)極管段（如鋼質(zhì)管段），然而由于腐蝕較快需不斷更換，造成維護(hù)成本增加，因此后來逐步考慮加裝絕緣管段的方法。為此，海軍研究實(shí)驗(yàn)室開展了在625/B30合金中間加裝PVC絕緣管段技術(shù)的電絕緣性能的試驗(yàn)。

2）對(duì)TA2，625合金管路施加石灰石涂層、聚氨酯涂層及陽(yáng)極氧化涂層等3類絕緣涂層抑制陰極反應(yīng)。其中，石灰石涂層是以鈦合金管路為陰極，鋅電極為陽(yáng)極，通過電沉積的方式使鈦合金在慢速流動(dòng)（<0.3m/s）天然海水中逐步形成石灰石（碳酸鈣）沉積物涂層。

3）使用雙電極反向電流補(bǔ)償裝置（Bi-electrode Device,BED），對(duì)偶對(duì)中的陽(yáng)極管路施加陰極保護(hù)（見圖2）。

圖2 雙電極反向電流補(bǔ)償裝置原理圖Fig.2 Schematic diagram of bi-electrode reverse current compensation device

異種金屬管路在海水中形成電連接時(shí)，由于電位差的存在可引起電偶電流流動(dòng)，為完成電偶回路和維持電中性，管路內(nèi)的海水必須流經(jīng)等量的離子電流。這樣，小電阻海水的流動(dòng)就可導(dǎo)致陽(yáng)極和陰極管段之間存在歐姆降，亦即電位梯度。雙電極反向電流補(bǔ)償裝置其原理是在鈦合金和B30管路之間加裝一對(duì)環(huán)形鍍鉑鈦電極，在電極上施加與電偶腐蝕電位降相反的電壓，使之形成與腐蝕電流方向相反的補(bǔ)償電流，并保持耦合電流低于5μA，以抵消異種金屬電位差，并使2種金屬的腐蝕電位維持在自身的自腐蝕電位附近。雙電極反向電流補(bǔ)償裝置最初是將2個(gè)100mm寬的鍍鉑環(huán)間隔嵌入長(zhǎng)度為250mm，DN50的PVC管段中。該裝置具有陰極保護(hù)和電流補(bǔ)償2種模式。雙電極反向電流補(bǔ)償裝置的優(yōu)勢(shì)是：1）不需要陽(yáng)陰極管段間的機(jī)械隔離或物理隔離進(jìn)行電絕緣；2）不會(huì)輸送電流到陽(yáng)極或陰極管段，因此不存在保護(hù)面積限制；3）不要求對(duì)陽(yáng)極或陰極管段本身的電連接。其不足之處一是必須置于陽(yáng)極和陰極管段之間，并需要外部電源供應(yīng)；二是如果與后續(xù)裝置連接起來（如陰極保護(hù)系統(tǒng)）或如果操作太高電流，將引起管路腐蝕。

該陸上試驗(yàn)裝置（見圖3）每種金屬管段規(guī)格均為 DN50×3000mm。B30 銅鎳合金管選用 MIL-T-16420KΙ類無縫管，鈦管選用 ASTM B-337TA2 無縫管，625合金管選用ASTM B705-82II級(jí)焊接管。海水總管是DN150的PVC管，共包含12支回路，每個(gè)回路支管通過DN100的PVC三通和DN50的PVC球閥與總管并聯(lián)。每個(gè)支路出口安裝轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制海水流速為1.8m/s。海水溫度范圍為7～28℃。12個(gè)支管中前6個(gè)支管的異種金屬管路電絕緣采用DN50×6mm的PVC管，以便于零阻電流計(jì)（ZRA）檢測(cè)電絕緣狀態(tài)。其他6個(gè)支路異種金屬管段采用DN50×250mm的PVC管進(jìn)行電絕緣，或安裝相同長(zhǎng)度的雙電極補(bǔ)償裝置。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過電偶腐蝕控制技術(shù)陸上試驗(yàn)，美國(guó)海軍主要獲得了如下結(jié)論[8]：

圖3 海水管路系統(tǒng)陸上試驗(yàn)裝置Fig.3 Onshore test device for seawater pipeline system

1）大部分B30銅鎳合金管路的電偶腐蝕缺陷多發(fā)生于距離海水入口端300～450mm以內(nèi)，鈦、鎳基合金等與銅鎳合金管路形成電偶對(duì)時(shí)，電偶腐蝕特性的轉(zhuǎn)變拐點(diǎn)一般處于距離海水入口端250mm部位。

2）電絕緣涂層是最為有效的電偶腐蝕控制技術(shù)，可使異種金屬間電偶電流降低95%～99%。所驗(yàn)證的3種鈦合金管路電絕緣涂層性能排序依次是：陽(yáng)極氧化涂層>聚氨酯涂層>石灰石涂層。

3）雙電極反向電流補(bǔ)償裝置對(duì)于電偶腐蝕控制具有良好的可行性，而且由于管路中電流的存在，還使鈦合金管路中的海生物污損生長(zhǎng)困難。然而，由于雙電極施加的電流需要依靠智能調(diào)節(jié)設(shè)備，并且通常會(huì)超過所需電流，易導(dǎo)致類似于陰極保護(hù)電流過大引起的腐蝕加速，由于目前技術(shù)尚未成熟而限制了其實(shí)船應(yīng)用。

4）在異種金屬管路間施加PVC等電絕緣管段是最易實(shí)施的電偶腐蝕控制技術(shù)，250mm長(zhǎng)的PVC絕緣管段可使電偶電流降低20%～50%，但受設(shè)計(jì)、艙內(nèi)施工空間等因素限制，加裝電絕緣管段往往受到一定限制。