铜镍合金管在舰船海水管系中的应用

黄璐琼（江苏科技大学材料与工程学院 江苏 镇江 212000）

武兴伟（七○八研究所 上海 200011）

铜镍合金管在舰船海水管系中的应用

黄璐琼（江苏科技大学材料与工程学院 江苏 镇江 212000）

武兴伟（七○八研究所 上海 200011）

铜镍合金管;海水管系;应用

铜镍合金管（B10）耐海水冲刷腐蚀性能优良,腐蚀的温度敏感性较低,且具备优良的抗污性能，已在舰船海水管系中大量应用。在收集了铜镍合金管在舰船海水管系中的应用情况的基础上，对存在的问题作了分析，并对今后的海水管路设计提出了建议。

0 引言

海水管系是舰船推进系统、电力系统和辅助系统的重要组成部分。海水管系一旦因腐蚀而引发漏水问题，不仅会给使用部队的战备、训练、日常维护等带来影响，有时甚至直接危害舰船的安全性和生命力。近几年相关部门制定的《舰船防腐防漏系列技术要求》中对舰船海水管系的防腐防漏设计、施工工艺等方面都作了较全面的规定，为舰船海水管系的防腐防漏设计提供了依据，在实际应用中也取得了较好的效果。但即便如此，舰船海水管系的腐蚀问题还是时有发生。目前铜镍合金管已在舰船海水管系大量应用，虽然初步解决了海水管系中直管段的腐蚀问题，但由于选材不当、流速控制不准、异种金属材料匹配不佳等原因，造成管系中设备、阀附件、接头等的腐蚀问题还是无法避免。下面针对这些问题作如下总结，提供一些铜镍合金海水管路设计的建议，供设计人员参考。

1 铜镍合金管海水管系腐蚀的影响因素

铜镍合金管是国际上公认的耐海水腐蚀性能优良的铜合金，铜镍合金管（B10管）的耐海水冲击腐蚀性能优良，腐蚀的温度敏感性较低，且具备优良的抗污性能。与铜镍合金管（B30管）相比，B10管含较少镍［1］，成本大大降低，但由于海水浸泡同样可以形成富镍富铁的表面膜，因而经过一段时间，其耐蚀性可以接近B30管。

1.1 铜镍合金海水管系流速限制和流量平衡

流动的海水在合金表面产生剪切应力，随流速的增加，剪切应力增加，剪切力超过一定值使得合金表面腐蚀产物膜机械分离，所以铜及铜镍合金等这类耐冲刷腐蚀性能与表面膜完整度相关性高的材料，一般其在海水中使用存在一个临界流速值，超过临界流速值，材料冲刷腐蚀率大而失效。

海水冷却系统是舰船设计中重要的一个系统，许多动力设备运行中都需要海水冷却来保证其性能。在海水冷却系统的设计中，为使所选用的铜镍合金管流速不超过限定值，一般都在设计之初按照系统的设计流量和铜镍合金管的流速限定值来选定管路通径。B10管允许设计最大流速与管内径的关系如下表1：

表1

但上述的设计方法对于设计中经常遇到具有多泵并用、多个支管的情况时就会出现问题。

例如，某舰船的设备冷却水系统中设有1台流量为120m3/h的设备冷却泵，分别向4台柜式空调器、2个舵机冷却器、4个减摇鳍、1个大气冷凝器供水，按照额定工况理论流量计算时，各管段的流速都未超过B10管允许的流速限制；但实际使用过程中，还是发生了至柜式空调器的B10管出现异常腐蚀的现象。分析其原因，设备运行工况变化而导致部分海水管内流速过高是造成管系出现异常腐蚀的主要因素。

如果航行时4台减摇鳍不开，则会导致其他管系流量骤然增大，特别当船停航期间，减摇鳍、大气冷凝器、舵冷却器均不使用时，如仅起动4台柜式空调器，则流速将会超过10m/s，远远超过2.56m/s的限值，而实际上这些工况又往往是舰船上经常使用的工况。因此，一台海水冷却泵向多设备供水的设计方法将无法控制变工况条件下各分支系统的管内流速。这是目前舰船设计中普遍存在的问题。

为此，在海水管路设计中需特别重视多支管流量控制设计：

·对于工况差异性较大设备，则不应接入同一系统中，从而避免由于使用工况的变化而造成某些设备冷却水支管流速超过限定值；

·对于工况相近的设备，则应考虑由于多支管流量分配不均而可能引起的个别设备海水流速过大，从而造成海水冷却管路腐蚀加速的问题。

例如，某舰船机舱辅助设备冷却水系统如下：1台流量90 m3/h的辅助设备冷却水泵分别用于冷却齿轮箱冷却器、调距桨液压泵站、主机喷油器冷却单元、中间轴承、空压机冷却器、舵冷却器等。虽然这些设备使用工况相近（航行时开、停航时关），但由于每个设备的支管流量不均，引起个别设备海水流速过大而产生了腐蚀严重的现象。为此，在海水管路设计中需特别重视多支管流量平衡设计，即对海水冷却管路系统进行阻力平衡计算，以满足在设计的总流量和总扬程时，保证各支管所需的海水流速和流量。

目前为达到流量平衡的目的，解决方案主要有：在某些海水支管上加节流孔板，或加流量调节阀等手段。

1.2 铜镍合金管海水管系的材料选用

除了流速以外，还有很多因素影响铜镍合金管在海水中的冲刷腐蚀行为，主要为两类。一类是环境因素，如海水溶氧量、硫化物、含砂量、海水的pH值、海水温度等，不易受人为因素、设计等控制；另一类是材料因素，包括材料的成分、表面膜完整度、硬度、表面粗糙度、晶体显微组织结构等，应该在海水管路设计中加以重视。

现在国内舰船常用的B10管有两种：一种为CuNi10Fe1.6Mn，另一种为CuNi10Fe1.0Mn。表2为两种B10管的化学成分对比。

由表中可以看出，含10%Ni用作耐蚀材料的铜镍合金，实际都含有1.0%~2.0%的铁及适量的锰，其中改性元素铁含量对B10合金的耐海水腐蚀性能有显著改善，特别是抗流动海水冲刷腐蚀性能。对不同Fe含量的铜镍合金在静态和高流速海水中进行腐蚀试验后发现［2］，Fe含量低的合金形成的腐蚀产物中氧含量高；Fe含量高的合金所形成的腐蚀产物中富Ni，氧含量低。固溶态铁的作用在于形成含水氧化铁的腐蚀产物膜，这种化合物充当阳极抑制剂，并且Fe能够掺杂到缺陷的Cu2O点阵中，因此增加腐蚀产物膜的阳极（离子）和阴极（电子）阻力。

表2

虽然在B10合金中，由于铁的存在，大大提高了保护膜的耐腐蚀能力;但随着铁含量的增加，B10点蚀敏感性也增加了。确定改性元素Fe的最佳范围及杂质元素的含量控制，是提高B10合金综合性能的关键。铁含量名义成分为1.6%的CuNi10Fe1.6Mn在海水中具有相对较好的机械性能和抗冲击腐蚀能力，目前也在舰船中使用最多。

1.3 B10管的膜保护

铜镍合金在海水中耐点蚀能力取决于初始表面状态或服役条件。通过出厂钝化或者是自然氧化形成的致密表面膜，可以有效的提高B10管的抗腐蚀性能。

1.3.1 B10管的钝化

B10管出厂前，须进行钝化处理。B10管钝化［3］［4］，就是通过某些化学药剂的处理和清洗，使铜镍合金在表面形成一层致密的表面膜。铜镍合金经过钝化处理后的表面膜有可能富锰［5］，由于在表面流动过程中，锰会因腐蚀流失而导致合金中的合金元素不断向表面扩散，这种状态十分有利于膜层随海水浸泡转化成富镍富铁膜，从而出现电位负移、极化电阻增高、相对基体成为阳极性保护膜的现象，达到最佳的保护效果，这层保护膜也是腐蚀介质（如氧和氯）向基体中扩散、基体中的合金元素向介质中腐蚀流失的有效屏障。钝化操作流程如图1。

1.3.2 B10管使用过程中的膜保护

B10管在船上安装结束后，根据制造厂的要求应在管系内注满清洁海水或淡水保持一段时间以利B10管内表面成膜，发挥其应有的耐腐蚀能力，或在清洁海水中加入适量硫酸亚铁FeSO4，将快速成膜，但B10管的缺点是不耐泥砂冲刷和硫等侵蚀。因为海水中的泥砂会破坏管壁表面已形成的保护膜，加速其腐蚀，而污染海水中的硫物质会造成B10管点蚀。因此，对于在泥砂含量大的海区使用的舰船，控制B10管中的流速就显得十分重要。

图1 钝化操作流程图

为了使B10管内表面形成膜，目前舰船在海底门或海水滤器上装设带有防腐铝基和防污铜基的防腐防污装置，可使遭受磨损后的B10管内表面会很快形成新的防腐保护膜，提高了管系直管段的抗腐蚀能力。

2 铜镍合金海水管路异种金属腐蚀绝缘设计

在海水管路中阀门与船体，阀门与管路、设备（包括滤器、泵、热交换器和主辅机）及仪表与管路之间连接，如存在异种金属接触，应进行必要的绝缘设计，防止异种金属间产生电偶腐蚀。

在海水管选定B10管后，对管系中的海水滤器、阀门、海水泵、冷却器、压力表接头等附件的材质选取和防腐设计必须全系统综合考虑。所用材料在海水中的稳定自腐蚀电位相差较大，B10管有着良好的耐海水腐蚀性，其自腐蚀稳态电位为-110 mV左右，镍铝青铜（-270 mV）、铝青铜（-276 mV）、锡青铜（-180 mV），黄铜（-230 mV），不锈钢1Cr18Ni9Ti（-150 mV），碳钢（-755 mV），如机械地将其组合成一个系统，并连接后势必会形成多个电偶对，电位较负的材料将被加速腐蚀，而电位较正的材料则被保护。

因此B10管在与用镍铝青铜、铝青铜、锡青铜等制造的阀、泵管系设备连接时，它们之间必须采用电绝缘组件，在电绝缘条件下可构成综合腐蚀性能良好的系统。B10海水管与阀门、海水泵、海水滤器、冷却器及其它设备的异种法兰连接处须采用电绝缘法兰连接方式，并配套采用电绝缘吊、支架，消除管系与船体之间的接地影响，确保系统电绝缘处理后的防腐效果发挥。

绝缘法兰的常见结构如图2。

图2 绝缘法兰结构图

3 管路接头设计选型

B10管在弯头、变径管段由于焊缝较多，有一定突体高度，高速时焊缝区极易出现湍流和空化，加之泥砂磨损，会使其在诸多不利因素的综合作用下比直管段提前腐蚀破损。故应避免管子和管接头管径的突变。当不可避免时，则应采取直径渐变过渡，使管路内紊流减至最小。

在B10管接头选型时，必须选用定型接头，并尽量减小管段因热胀冷缩产生的附加应力。所采用的定型变径管、弯头、三通管以及焊装在B10管上的各种管接头均应为与管路配套的同质的B10材料。

B10管上安装压力表测压管的支管螺纹接头应同样采用B10棒材，而紧固螺帽应采用耐海水青铜等与螺纹接头不同材料以防咬死。管接头与B10管焊接时，也应采用B30焊条（铁白铜专用的HSCuNi焊丝）及氩气保护焊。

此外，在B10管路工况恶劣，腐蚀较为严重的部位，应采取牺牲阳极保护，牺牲阳极材料为铁。

4 结语

B10管耐海水冲刷腐蚀和抗海生物附着等方面的优良表现，使其在舰船海水管系中得到大量应用，但在设计中一定要全面控制好各个环节，考虑多方面影响因素和各防腐保护措施间的兼容性，才能确实有效地解决问题。

［1］林乐耘，徐杰.赵月红.国产铜镍合金海水腐蚀行为研究［J］.中国腐蚀与防护学报，2000，20（6）:361-367.

［2］哈军，詹韧，冯军.海水管系用BFel0-1.6-1合金材料技术水平和使用可靠性分析［J］.材料开发与应用，2005，12:11-14.

［3］L.J.P.德罗莱思加等.合金成分及显微组织对Cu-Ni合金在海水中的腐蚀性状的影响［M］.

［4］张启林，胡伟民等.舰船海水管系用BFel0-1-1管材及管系附件技术标准汇编［S］.2003.

［5］林乐耘，刘少峰等.铜镍合金海水腐蚀的表面与界面特征研究［J］.腐蚀科学与防护技术.1999，11（1）:37-43.

Application of the ablate pipe in the marine seawater pipe system

Huang Luqiong Wu Xingwei

ablate pipe；seawater pipe system；application

Ablate pipe（90/10 Cu-Ni alloy）is excellent in resisting against the corrosion and contamination of the seawater with low temperature sensitivity，and has been widely applied in marine water pipe system.Based on the applications of the ablate pipe in the marine water pipe system，this paper discusses the existing problems existing and gives some suggestions for the water pipe system design.

U664.5

A

1001-9855（2011）01-0040-04

2010-11-28

黄璐琼（1992-），女，汉族，本科，主要从事材料科学研究工作。

武兴伟（1987-），男，汉族，助理工程师，主要从事舰船轮机研究与设计。