國外海軍艦船海水管系雜散電流腐蝕和縫隙腐蝕研究概述

田清正，管勇

（1.解放軍航天工程大學(xué)，北京 101416；2.中國科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽 110016）

海水管路系統(tǒng)包括各種管路、泵、閥、冷卻設(shè)備及其他附屬設(shè)備，承擔著動力、機電、武備、空調(diào)等系統(tǒng)的冷卻以及消防等任務(wù)，是維持艦船裝備正常運行的重要系統(tǒng)之一。由于海水管路系統(tǒng)材料體系復(fù)雜多樣，其腐蝕控制一直是海軍艦船腐蝕控制的重點。進入本世紀以來，隨著銅鎳合金、鈦及鈦合金、鎳基合金等高電位金屬的上艦應(yīng)用范圍的大幅增加，與原有泵閥、冷卻設(shè)備中的黃銅、青銅合金、鋼鐵等金屬連接時的電偶腐蝕問題逐步浮出水面。為解決異種金屬接觸引起的電偶腐蝕問題，需要通常采用電絕緣組件、撓性接管等非金屬材料以及外加電流保護裝置，這樣又會帶來雜散電流腐蝕問題，以及鈍性金屬的縫隙腐蝕等新的腐蝕形式。由此，美國海軍對于海水管路系統(tǒng)新材料上艦應(yīng)用帶來的雜散電流腐蝕和縫隙腐蝕問題開展了考核評估試驗研究，以此來避免新材料應(yīng)用帶來的腐蝕失效風(fēng)險[1-3]。

1 雜散電流腐蝕研究

為提高艦船海水管路系統(tǒng)整體耐海水腐蝕性能，上世紀90年代美國海軍開始考慮使用625 鎳基合金（USN N06625）部分取代B30 銅鎳合金（UNS C71500），但需要解決由此引發(fā)的電偶腐蝕風(fēng)險問題。在管路接口處進行電絕緣隔離是當前采用普遍的技術(shù)措施，鑒于此，美軍艦船將雙金屬橡膠嵌入式隔聲耦合裝置(RISICS)和絕緣撓性接管兩種技術(shù)納入新建艦船的海水管路系統(tǒng)的設(shè)計中。然而，由于艦船上存在數(shù)量眾多的電連接方式，使得RISICS 和撓性接管不能實現(xiàn)不同金屬管線間有效的電氣隔離。由此就會給銅鎳合金等其他材質(zhì)的海水管路帶來顯著的電偶腐蝕和雜散電流腐蝕風(fēng)險[4]。

鑒于上述問題，美國海軍海上系統(tǒng)司令部組織相關(guān)科研院所開展了B30 銅鎳合金與625 合金等形成異種金屬接觸時的電偶腐蝕和雜散電流腐蝕控制技術(shù)的陸上試驗裝置考核評估研究。該項目旨在確定B30/625 合金形成偶對時的電偶腐蝕電流大小和分布，以及利用不同材料的電絕緣管段隨長度變化時的電絕緣效果，并確定雜散電流腐蝕發(fā)生在RISICS 隔離器上的可能性。同時，此研究的目的還在于確定在相同的電位下，法蘭連接部位的雙金屬縫隙與單一材料的類似縫隙相比，是否會導(dǎo)致更大的縫隙腐蝕風(fēng)險[3,4]。

圖1 電偶腐蝕/雜散電流腐蝕陸上試驗裝置

通過上述雜散電流腐蝕試驗研究，可以得出如下結(jié)論：

（1）電絕緣裝置可以顯著降低625/B30 白銅耦合狀態(tài)下的電偶腐蝕風(fēng)險，1～3m 長度可以達到最佳效果，絕緣段越長越易發(fā)生雜散電流腐蝕，并且腐蝕深度也較大；

（2）625 合金對于電偶腐蝕和雜散電流腐蝕的耐受性均高于B30 合金，625 合金最主要的腐蝕形式是雜散電流腐蝕引發(fā)的縫隙腐蝕；

（3）高流速海水中的電偶腐蝕及其引發(fā)的雜散電流腐蝕風(fēng)險更大;

（4）小直徑B30 管比大直徑管更易遭受電偶腐蝕和雜散電流腐蝕；

（5）建議海軍艦船使用兩端絕緣處理的1m 長鈦合金絕緣段，以降低DN50 直徑異種金屬海水管路接頭的電偶腐蝕風(fēng)險。

2 縫隙腐蝕研究

海軍水面艦艇的海水管路系統(tǒng)及其泵、閥相關(guān)附件在實際使用過程中有著很高的腐蝕失效率，與海水管路泵閥等部件相關(guān)的腐蝕成本，已經(jīng)被認為是在海軍水面艦艇整個維護預(yù)算的中的重要組成。為了減少海水管路泵閥的使用成本，合金鈍化工藝目前大量被用于提升當前閥門材料（通常是銅和銅鎳合金）的耐蝕性的。這些鈍化膜能夠預(yù)防大多數(shù)形式的腐蝕，并提高與鈦等高電位材料的兼容性。然而這些鈍性合金也容易發(fā)生縫隙腐蝕。

對此，美國海軍水面戰(zhàn)中心對于當前艦船海水管路采用的系列泵閥材料進行了靜態(tài)和流動海水中的縫隙腐蝕性能測試及腐蝕控制技術(shù)評估（圖2和圖3）[5,6]。

圖2 靜態(tài)海水縫隙腐蝕試樣

圖3 流動海水縫隙腐蝕試樣

縫隙腐蝕試驗結(jié)果表明：

（1）海軍黃銅、鎳鋁青銅、M35、K500 以及B10、B30 在180 天靜態(tài)或流動海水中均顯示出縫隙腐蝕敏感性；

（2）在靜態(tài)和流動海水中，654SMO、C22、686、59、C2000、Ti-45Nb、Ultimet 和25 等許多合金表現(xiàn)出完全的耐縫隙腐蝕性能；

（3）Ti6Al4V 和TA2（有及沒有陽極氧化）在靜態(tài)海水條件下對縫隙腐蝕具有完全抗性；

（4）在靜態(tài)海水耐縫隙腐蝕性方面，橡膠襯墊法蘭面使用粗糙表面（12.7～25.4μm）比光滑表面（0.5～1.5μm）略有改善；

（5）在靜態(tài)和流動海水條件下，鍛造合金耐縫隙腐蝕性能通常比高于鑄造合金，可能是由于鑄造結(jié)構(gòu)缺陷或化學(xué)偏析等因素；

（6）試驗中由于縫隙幾何形狀和縫隙面積比的原因，流動海水中鎳基合金和不銹鋼的耐縫隙腐蝕性比靜態(tài)海水有所提高。

3 結(jié)論

為應(yīng)對鎳基合金、鈦及鈦合金在海水管路系統(tǒng)上的應(yīng)用對原有銅鎳合金管路帶來的電偶腐蝕風(fēng)險及其所引起的雜散電流和縫隙腐蝕風(fēng)險，美國等國外海軍研究機構(gòu)通過開展陸上試驗和實驗室試驗研究進行了大量考核評估。研究結(jié)果表明：

（1）電絕緣管段技術(shù)可以顯著降低電偶腐蝕及雜散電流腐蝕風(fēng)險，1m 長度的絕緣管段即可將腐蝕量降低50～60%；

（2）高流速、小管徑服役環(huán)境更易發(fā)生電偶腐蝕和雜散電流腐蝕；

（3）625 鎳基合金對于電偶腐蝕和雜散電流腐蝕的耐受性明顯高于B30 銅鎳合金；

（4）在縫隙腐蝕試驗所測試的多種金屬材料中，幾乎所有銅基合金在靜態(tài)和動態(tài)海水中均存在縫隙腐蝕風(fēng)險，而奧氏體不銹鋼、鎳基合金和鈦及鈦合金等則不存在；

（5）鍛造合金的耐縫隙腐蝕性能通常高于鑄造合金；

（6）在靜態(tài)海水耐縫隙腐蝕性方面,橡膠襯墊粗糙表面比光滑表面略有改善。