海洋环境下新型长效海水过滤元件研制

李华峰，王小锋，郁 飞

(核动力舰船蒸汽动力系统国防科技实验室，湖北 武汉 430064)

0 引言

海水滤器的主要作用是过滤海水中较大的杂质，防止损伤冷却水泵叶轮、换热设备及堵塞流道，保证系统及动力装置的正常安全运行。目前船用耐压海水滤器选用CB1039－1995《耐压海水滤器》，过滤精度10目/英寸，但在实船应用中暴露出滤筒短期内就因腐蚀致功能失效，通常3个月内即完全破损，如图1所示。

鉴于上述情况，海水滤器的滤筒短期内便功能失效，其任务剖面与实船使用需求严重不匹配，核心矛盾是滤筒在海洋环境下的可靠性，因此有必要提高其使用寿命。

1 功能失效原因分析

1.1 海水冲刷致材料腐蚀严重

图1 原滤器失效形貌Fig.1 The disabled appearance of quondam filte

海水系统的海水泵由于动力装置工况变化大，实际工作点可能偏离额定工作点。经初步估算海水泵吸入口流速经常达到2.8 m/s，甚至更大。如果按照滤网通流面积与公称通径面积比为3进行计算，海水通过滤网流速已超过滤网选用材料(H68)所允许的最大流速0.9 m/s，其对应的冲刷腐蚀速率已处高位。考虑到海水中有一定的含砂量，尤其是近码头处运行时，更会加剧这一冲刷腐蚀过程。此外，H68是铜锌二元合金，在海水中会发生脱锌腐蚀生成白色腐蚀产物，加速缩短滤网有效工作时间。

1.2 滤网丝径细，与海洋环境下材料腐蚀速率失配

海水滤器滤网的铜丝网的丝线直径为0.5 mm，黄铜H68在静止海水中的腐蚀速率为0.014 mm/a，但在流动海水中的腐蚀速率可达0.33 mm/a，铜丝网浸在海水中双面冲刷腐蚀，所以短期内就可将铜丝网腐蚀掉。

图2 H68合金含锌量与材料强度关系Fig.2 The relation between the material intensity and the H68

1.3 滤筒结构刚度弱

滤网材料H68是铜锌二元合金，组分中约含30%～33%的锌。资料表明含锌量与材料强度有着密切关系，如图2所示。从中可以看出，如果铜合金中含有不大于15%的锌，则因脱锌作用而导致材料强度降低不明显。对于H68，如果长期浸泡在海水中，强度降低可达20% ～60%。此外，海水滤器滤网采用铜丝编织而成，并焊接固定在滤筒的构架上，对于每根铜丝来说是两端固定的结构，当其中1根腐蚀破坏时，就会变成2根单端固定的悬臂结构，刚度明显减弱，在来流海水冲刷作用下与此根铜丝相关的所有孔隙通流面积发生变化，海水从孔隙小的孔眼高速流过，进一步加大了滤网的冲刷腐蚀，最终导致滤网破损。

2 滤筒改进设计

2.1 滤筒材料选型

H68在流动海水中耐腐蚀能力差，对脱锌腐蚀敏感而导致材料强度显著降低，不适用于海水滤器选型。目前较好适用于海水系统的常用材料有TUP、BFe30-1-1、超低碳双相不锈钢HDR以及钛合金Ti-75等，几种材料的特性见表1及图3所示。

表1 材料特性对比表Tab.1 The contrast of the material characterisc

图3 流速对紫铜腐蚀速率的影响、HDR与2种铜镍合金的腐蚀速率对比、与钛合金偶合面积比对其他材料腐蚀速率影响图Fig.3 The relation about the speed of sea-water excert an influence on the rate of copper corrosion，the contrast of corrosion rate between the HDR and two albate(B10，B30)，the relation about the defferent aera ratio contact to Titanium alloy excert an influence on other materail concern with the corrosion rate

综合各材料腐蚀速率、拐点特性、腐蚀匹配性等方面分析，确定滤器滤筒材料选用BFe30-1-1。

图4 滤筒流场分析结果Fig.4 The result of the analysis about the filter flow-filed

2.2 滤筒结构设计

基于对滤筒刚度、过滤精度、生产工艺等方面要求，并考虑到丝网结构整体刚度若等固有不足，提出圆柱和倒圆台2种高刚度板孔滤筒结构，并针对开孔尺寸、空间距、开孔布局等方面参数进行了优化设计，并针对2种相对较优方案采用Fluent进行流场分析，如图4所示。

表2 流阻估算结果Tab.2 The estimated result of the flow resistance

综合流阻、流场分布均匀性等方面分析，倒圆台滤筒结构优势更为突出，此外倒圆台结构存在水力向下切力，有利于使过滤物沉积到滤器下部收集器中。因此选用倒圆台板孔滤筒结构。

2.3 样机设计及试验

根据上述分析并结合具体结构设计参数，生产了1套新型滤筒，如图5所示。

为了验证新型滤筒在海洋环境下使用寿命，将样机进行实船试用3个月，结果表明新型滤筒使用寿命较原滤筒大大提高，试用期内腐蚀量较小，实测数据换算，预计使用寿命可达5年。

图5 新型海水滤器样机三维设计及实物图Fig.5 The picture of the three-dimensional design and practicality about the new sea-water filter

3 结语

本文针对导致原滤筒短期内过滤功能失效的主要因素，如材料在海洋环境下匹配性差、整体结构刚度弱等问题，有针对性的采取了措施，同时深入论证分析，最终选用BFe30-1-1倒圆台板孔状过滤结构，并经实船试用，表明新型滤筒的使用寿命大大提高。目前该结构滤筒已取得实用新型专利。

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