某型舰主机海水管路的模拟冲刷腐蚀研究

周晓光 董彩常 宋伟伟 丁继峰

（钢铁研究总院 青岛海洋腐蚀研究所 青岛 266071）

0 引 言

舰船海水管系是舰船推进保障系统、发电机组保障系统和辅助系统的重要组成部分［1］，在保证船舶主要设备正常运行及安全、船舶平衡等方面起着重要作用。作为海水管路用材，其抗流动海水腐蚀性能是最为重要的技术要求之一。材料在流动海水中的腐蚀速率大小，以及是否出现早期冲击腐蚀破损，是决定其使用寿命的关键因素［2］。海水管路一旦出现腐蚀破损，将影响设备正常运行甚至船舶的安全性；因此，在舰船设计阶段，根据海水管系的防腐设计资料，建立适合的管路试验模型，对于评价海水管路的腐蚀防护效果，发现设计中的薄弱环节，进而提出优化设计方案具有重要的意义。

1 试 验

1.1 试验材料及方法

试验所用材料为 DN200×3 m、DN125×1 m、DN65×1 m涂塑钢管各一段，均带有标准异径三通；B10管材包括弯管、对焊管段和直管段，外径都是φ57 mm，厚度3.5 mm。其中DN 50型90°弯管两个；DN50×0.5 m对焊管段两段；DN50×0.5 m直管段两段。试验介质为青岛小麦岛海域表层天然海水，实验海水部分理化性能见表1所示。

表1 实验海域海水理化性能

1.2 试验仪器

试验仪器为11 kW和22 kW功率三相交流异步电动机与相应水泵各一套；数显式流量计；超声波涂层测厚仪；电子天平（精确到0.0001 g）；数码相机；海水管路模拟试验装置如图1所示。

图1 海水管路模拟试验装置图

1.3 试验方法

如图1所示，B10管材之间通过钢丝软管串接，并采用不锈钢管卡固紧。B10管内海水流速设计为2.9 m/s与5.8 m/s，抽取天然海水泵入管路实验系统，使用截止阀调整管路内海水流速，分别开展模拟和加速冲刷腐蚀试验。每天海水冲刷时间为8 h，试验时间持续为60天。采用数码相机记录试验前后管路形貌；采用失重法计算试验后B10管质量损失及腐蚀速度；采用超声波测厚仪测量试验前后涂塑钢管涂层厚度。

2 试验结果分析与讨论

2.1 涂塑钢管冲刷腐蚀试验分析

内表面涂塑是常用海水管路防腐蚀措施。涂塑后管系金属通过塑料涂层与海水介质隔绝，从而有效地保护管路。管系涂塑防腐蚀效果好、寿命长，可明显提高耐海水冲刷腐蚀性能［1，3-5］。由于流体阻力小和防结垢的优点，还可提高管系效率［6］。图2为试验前DN200、DN125及DN65涂塑钢管的宏观形貌，可以看出管系经涂塑成型后，内外表面均非常平整、光滑，表面成型质量很好。

根据管路模拟试验设计，DN125涂塑钢管内海水流速为2 m/s，DN65涂塑钢管内海水流速为4 m/s。表2为三段涂塑钢管内涂层在冲刷腐蚀前后平均厚度的对比情况。可以看出，不同管径涂塑钢管内壁涂层的平均厚度变化不明显，可以认为涂塑能够对基体钢材料提供有效保护。

表2 涂塑钢管内涂层冲刷试验前后厚度 μm

图2 冲刷试验前涂塑钢管的宏观形貌

经60天冲刷腐蚀后，涂塑钢管不同部位的腐蚀形貌如图3所示（照片a、b、c分别对应于图1中端面a、端面 b 及端面 c）。 由图 3（a）及（b）可以看出，涂塑钢管的连接法兰及管道内表面整体保持了较好的防护状态，涂层未见明显脱落现象；但在DN200涂塑总管的DN125（海水流速为2 m/s）三通海水出口处，出现涂塑层破损现象。其原因可认为在三通分流处，海水容易发生紊流从而导致冲击腐蚀；同时，由于三通管径变化，会形成一定的空泡腐蚀现象，气泡的突然破裂会移除基体表面的涂层，加剧冲刷腐蚀效应。

图3 冲刷试验后涂塑钢管不同部位腐蚀形貌

试验分析可知，涂塑钢管整体耐冲刷腐蚀效果较好，但在海水总管三通出口处冲刷腐蚀加剧而发生涂层剥落现象。因此，在现行涂塑标准的基础上，对三通等特殊部位应采取加大涂塑厚度等针对性措施进行重点防护。

2.2 B10直管段、对焊管段和弯管冲刷腐蚀分析

铜镍合金具有良好的耐海水腐蚀性能，广泛用于舰船冷凝器、海水热交换器及海水淡化处理设备管路中［7-8］。表3为B10管材不同管段在模拟/加速冲刷腐蚀试验下的腐蚀速率。对比结果可以发现，在同一流速下，B10管材腐蚀速率由大到小依次为弯管、对焊管段和直管段。弯管腐蚀速率要远大于后两者，这是由于弯管处湍流和空化加剧了冲蚀效应。在加速冲刷情况下，随着流速的增加，B10直管段、对焊管段和弯管腐蚀速率急剧增大。一般认为铜合金在含氯离子介质中，表面可形成一层氧化膜［9］。随着流速的增加，B10材料表面剪切应力增加，对表面氧化膜的破坏作用增强，故腐蚀速率增大［10-11］。

表3 B10直管段、对焊管段和弯管的腐蚀速率

图4为模拟冲刷腐蚀流速下，各B10管段剖切后所示内表面腐蚀形貌。

图4 模拟冲刷腐蚀后B10管内表面腐蚀形貌

如图4（a）所示，经长期冲刷腐蚀后，管材内表面材料出现斑状剥离，形成很浅的蚀斑。在管材对焊部位，焊缝及附近的热影响区的腐蚀要比B10本体严重，呈现溃疡状腐蚀形貌，点蚀坑深度也大于直管部分，如4（b）所示。这可能是焊缝区内凹凸不平的表面易造成紊流，加剧了冲蚀效应；而热影响区材料冶金及化学成分上的差异，使材料成分、组织不均匀［2］，都会增加管材的腐蚀速度。弯管部分内部出现成片蚀斑，表明弯管部位发生了空泡腐蚀。腐蚀产生的破损表面又进一步加剧紊流、涡流的产生，从而形成恶性循环，加剧弯管部分的腐蚀［12］。

3 结 论

（1）涂塑钢管在冲刷腐蚀情况下，内壁涂层厚度变化很小，可以认为采用涂塑能够对基体钢材料提供有效保护；但在海水总管三通出口处，由于紊流及空泡腐蚀作用，涂层出现破坏现象，这些位置应适当采用加大涂塑厚度的措施进行重点防护，增加厚度可根据后续实验进行探索。

（2）同一流速条件下，B10管材中弯管腐蚀速度最大，直管腐蚀速度最小；直管及对焊段个别部位发现蚀斑，但弯管部位腐蚀较严重，蚀斑成片出现；海水流速增大1倍时，三段管材腐蚀速率明显增大。

（3）B10焊缝部位由于紊流及热影响区材料成分、组织不均匀因素增加管材的腐蚀速度；而弯管部位由于空泡腐蚀效应，造成管材内壁出现成片蚀斑。

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