海水消防系統(tǒng)腐蝕問題的研究

史天華

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

1 引言

大型國際化港口通常采用獨(dú)立的消防系統(tǒng)，考慮經(jīng)濟(jì)及后續(xù)保養(yǎng)問題，一般采用臨近的海水作為消防用水，因此，港口消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用海水取水泵系統(tǒng)。海水是一種高強(qiáng)的腐蝕性介質(zhì)，對整體消防系統(tǒng)的耐腐蝕性具有很大的影響。如何提升消防系統(tǒng)的耐腐蝕性能，對海水消防系統(tǒng)的選擇至關(guān)重要。本文依托厄瓜多爾波索爾哈多用途碼頭項(xiàng)目海水消防系統(tǒng)銹蝕的案例，分析其銹蝕原因，對照相關(guān)原因提出對應(yīng)措施，為同類海水消防系統(tǒng)的選擇及施工提供借鑒。

2 項(xiàng)目概況

2.1 消防系統(tǒng)概況

厄瓜多爾波索爾哈多用途碼頭項(xiàng)目消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)為海水消防，消防系統(tǒng)總長4612 m，其中，地下消防采用高密度聚乙烯（HDPE）管道，總長4552 m。地下消防至消防泵采用316LSS不銹鋼管，管道總長60 m。共有消防海水泵站1座，穩(wěn)壓泵1個，消火栓55處（地下）+1處（地上）及消防閥門21個，設(shè)計(jì)工作壓力0.7～1 MPa。工作原理：工作時(shí)消防海水泵將海水加壓輸送至項(xiàng)目現(xiàn)場各個消火栓，而非工作時(shí)間段由穩(wěn)壓泵根據(jù)壓力設(shè)置值保持消防管道內(nèi)的壓力，即穩(wěn)壓泵保壓，消防泵工作，消防泵站如圖1所示。

圖1 消防泵站

2.2 消防系統(tǒng)銹蝕情況

項(xiàng)目消防系統(tǒng)完工3個月后，消防系統(tǒng)逐漸出現(xiàn)了較大的腐蝕問題，主要出現(xiàn)了以下3種銹蝕問題：（1）消防閥門銹蝕（見圖2）；（2）消防316LSS不銹鋼管銹蝕（見圖3）；（3）消防泵管銹蝕（見圖4）。

圖2 消防閥門銹蝕

圖3 消防316LSS不銹鋼管銹蝕

圖4 消防泵管銹蝕

3 銹蝕問題及其影響

根據(jù)銹蝕狀況可以看出，現(xiàn)場銹蝕問題主要為兩種，即鐵件的面銹蝕和不銹鋼的點(diǎn)銹蝕。由于存在銹蝕問題，導(dǎo)致整個消防泵不間斷地漏水泄壓，引起整體消防泵系統(tǒng)的穩(wěn)壓泵頻繁啟動，嚴(yán)重影響消防系統(tǒng)的整體運(yùn)營及后期使用[1]。

4 原因分析

4.1 鐵件在海水中的析氫與吸氧腐蝕

此類腐蝕在鐵質(zhì)構(gòu)件中是比較常見的電化學(xué)腐蝕，本項(xiàng)目的消防井內(nèi)主要先產(chǎn)生吸氧腐蝕，進(jìn)而產(chǎn)生析氫腐蝕。消防井施工完成后，由于與大氣相連通，井內(nèi)含有的腐蝕性氣體為氧氣（O2）與二氧化碳（CO2），消防井內(nèi)腐蝕氣體分布如圖5所示。

圖5 消防井內(nèi)始腐蝕性氣體分布

井在具備氧氣的情況下，消防鐵質(zhì)閥門首先進(jìn)行吸氧腐蝕，鐵在海水介質(zhì)中失去電子形成亞鐵離子（Fe2+），而氧氣與水（H2O）得到電子形成氫氧根離子（OH-），二者相互結(jié)合形成氫氧化亞鐵[Fe（OH）2]，而氫氧化亞鐵中亞鐵離子（Fe2+）極易被二次氧化為鐵離子（Fe3+），從而最終形成三氧化二鐵（Fe2O3），即鐵銹，腐蝕過程總反應(yīng)式如下：

總反應(yīng)：

當(dāng)井內(nèi)的氧氣不斷地與消防鐵質(zhì)閥門發(fā)生銹蝕反應(yīng)而不斷被消耗，導(dǎo)致井內(nèi)的腐蝕性變?yōu)槎栊詺怏w二氧化碳（CO2），而惰性氣體二氧化碳（CO2）溶于海水形成碳酸（H2CO3），但碳酸（H2CO3)在水中以氫離子（H+）與碳酸氫根離子（HCO3-）的形式存在。當(dāng)鐵在海水介質(zhì)中失去電子形成亞鐵離子（Fe2+），而氫離子（H+）得到電子形成氫氣（H2），亞鐵離子（Fe2+）極易被二次氧化為鐵離子（Fe3+），從而最終形成三氧化二鐵（Fe2O3），即鐵銹，反應(yīng)式如下：

總反應(yīng)：

根據(jù)上述分析，消防鐵質(zhì)閥門的銹蝕主要位于漏水與外界空氣接觸區(qū)域，此區(qū)域由于在海水介質(zhì)的作用下，鐵質(zhì)構(gòu)件發(fā)生了析氫腐蝕及吸氧腐蝕的電化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致整個閥門銹蝕漏水。

4.2 消防泵316LSS不銹鋼管的點(diǎn)蝕

此類腐蝕是比較罕見的一類腐蝕，是不銹鋼在含有活性氯離子（Cl-）的介質(zhì)中，其表面的鈍化膜遭到破壞，從而形成表面的腐蝕坑，逐漸發(fā)展后形成點(diǎn)腐蝕。隨著點(diǎn)腐蝕面積的擴(kuò)大，逐漸形成了面腐蝕。根據(jù)項(xiàng)目的腐蝕位置，此類腐蝕主要是由于消防泵在工作時(shí)，其通電作用下整個連接泵體的不銹鋼管處于一種低電壓的帶電狀態(tài)，從而發(fā)生了電化學(xué)腐蝕。

根據(jù)不銹鋼耐點(diǎn)蝕特性，一般用耐點(diǎn)蝕當(dāng)量（PREN）來評定與標(biāo)示不銹鋼在氯化物環(huán)境中抵抗點(diǎn)蝕的能力。通常認(rèn)為，當(dāng)PREN超過32時(shí)，可耐海水腐蝕。耐點(diǎn)蝕當(dāng)量（PREN）的詳細(xì)計(jì)算如下：

當(dāng)金屬材料為不銹鋼材料時(shí)：

當(dāng)金屬材料為雙相不銹鋼材料：

式中，Cr%為鉻元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Mo%為鉬元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；N%為氮元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

項(xiàng)目現(xiàn)場所采用的316LSS不銹鋼管的材料，其化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。根據(jù)表1計(jì)算可得，316LSS不銹鋼的耐點(diǎn)蝕當(dāng)量值PRENmax=30.9＜32。因此，項(xiàng)目采用的316LSS不銹鋼材料最大的耐點(diǎn)蝕當(dāng)量值PRENmax＜32，不能滿足海水環(huán)境下的抗點(diǎn)蝕要求。因此，在海水高壓及水流作用下，導(dǎo)致不銹鋼管出現(xiàn)點(diǎn)蝕，造成316LSS不銹鋼管的銹蝕漏水[2]。

表1 316LSS不銹鋼材料主要化學(xué)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)%

5 措施方案

1）海水消防閥門要進(jìn)行嚴(yán)格的防腐處理，避免任何部位外部漏水，降低與空氣接觸概率，從而減少產(chǎn)生化學(xué)腐蝕的機(jī)會。同時(shí)，要將閥門與大地相連接，避免閥門攜帶低壓電，減少對鐵件產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕的催化作用。建議在相同條件下，盡可能采用橡膠或高密度聚乙烯制品。

2）海水消防系統(tǒng)，建議采用不腐材料或者耐點(diǎn)蝕當(dāng)量值＞32的金屬材料，避免采用傳統(tǒng)不銹鋼（317LSS及以下的不銹鋼），建議采用S32750系列雙相不銹鋼，S32750雙相不銹鋼化學(xué)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表2。

根據(jù)表2計(jì)算可得，S32750雙相不銹鋼的耐點(diǎn)蝕當(dāng)量值為37.74＞32。因此，S32750雙相不銹鋼材料最小的耐點(diǎn)蝕當(dāng)量值PRENmin＞32，滿足海水耐點(diǎn)蝕當(dāng)量值。

表2 S32750雙相鋼化學(xué)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

3）海水消防系統(tǒng)所有金屬管路做好接地，避免管道攜帶電壓，減少管件電化學(xué)腐蝕的催化作用。

4）根據(jù)海水消防的特性及消防原理，建議按照常規(guī)設(shè)計(jì)一套淡水穩(wěn)壓泵清洗系統(tǒng)，即穩(wěn)壓泵及清洗系統(tǒng)全部采用淡水，在消防系統(tǒng)穩(wěn)壓狀態(tài)下內(nèi)部為淡水，僅在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由主泵吸取海水工作，待主泵工作完成后由穩(wěn)壓泵吸取淡水清洗整體消防系統(tǒng)內(nèi)的海水并穩(wěn)定壓力，降低海水與消防系統(tǒng)長時(shí)間的接觸而造成的腐蝕。

6 結(jié)論

結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況對消防系統(tǒng)產(chǎn)生的腐蝕問題進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目消防系統(tǒng)設(shè)備材料設(shè)計(jì)及選取方面的不足，糾正傳統(tǒng)意義上不銹鋼材料就不腐的錯誤觀念。建議選擇海水消防系統(tǒng)時(shí)，設(shè)置穩(wěn)壓淡水清洗系統(tǒng)，降低海水消防系統(tǒng)非工作時(shí)的海水接觸腐蝕。本文分析有助于在后續(xù)類似的海水消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，確定合適的材料及選擇正確的設(shè)計(jì)方案。