钛合金在铝合金舰船海水管路系统的应用

黎理胜 徐文珊 陈万宏 何秦珊

（广州船舶及海洋工程设计研究院 广州510250）



钛合金在铝合金舰船海水管路系统的应用

黎理胜 徐文珊 陈万宏 何秦珊

（广州船舶及海洋工程设计研究院 广州510250）

［摘 要］钛合金具有质量轻、强度高、耐海水腐蚀、无磁性等特点，在军用舰船上具有广泛的应用前景，尤其适用于对重量控制和防腐蚀要求较高的高速舰船、铝合金舰船。某型铝合金艇采用钛合金海水管系，经过十多年的使用表明具有良好的效果。该文详细介绍该艇钛合金管系选材、设计、施工、应用效果及存在问题，并提出钛合金材料在舰船上应用的建议。

［关键词］钛合金；铝合金船；海水管系；腐蚀与防护

徐文珊（1965 -），女，研究员，研究方向：舰船总体舾装设计。

陈万宏（1973 -），男，硕士，高级工程师，研究方向：舰船轮机设计。

何秦珊（1966 -），女，高级工程师，研究方向：舰船轮机设计。

引 言

钛合金具有质量轻、强度高、耐海水腐蚀、无磁性等特点，在舰船上应用有相当广泛的空间［1］。过去由于钛合金价格偏高且加工及施工工艺困难，因此除了造价较高的铝质快艇外，一般舰船唯有望洋兴叹、不敢涉足其中。近年随着国内钛合金价格明显下降以及应用工艺日趋成熟，钛合金在舰船上的推广应用也如火如荼。然而，业内专家对钛合金能否在舰船上使用及如何使用，也持不同观点或表示担心。

众所周知，铝合金具有质轻、无磁、优良的工艺性能和较好的耐海水腐蚀性能，这对于降低空船质量、提高载货能力和航速有显著优势。相对于钢质船来说，铝合金船具有高速、节能的特点，因此铝合金已经发展成为用于造船的主要船体材料之一，采用铝合金取代原来钢铁作为高速船的基本造船材料已成为一种主流［2］，国内外大多数高速民用客船、部分军用快艇均采用铝合金船体材料。

铝合金材料本身具有较好的耐海水腐蚀性能。在氧化膜完整、涂层完整的情况下，具有不逊于钢材的耐腐蚀性能。但是，铝合金在海水中的电位比其他舰船制造中应用的金属低，船体材料的使用带来的突出问题是电化学腐蚀问题。船上配置的大量异种金属的系统设备通过基座等安装在船体上，需要采取各种绝缘措施进行防腐蚀处理。如海水管系，在钢质船上为解决腐蚀问题，通常采用耐腐蚀性能优良的铜管。但是由于铜与铝之间的电位差较大，铝质船上严禁采用铜质管系。过去的普遍做法是采用不锈钢管及附件，随着钛合金技术成熟及价格降低，钛合金管因其质量轻、耐腐蚀性能优越，在对质量控制非常严格的高速船或军用舰船上逐渐具备了代替不锈钢管的可能性。但是目前钛合金材料在造船上的应用远不如钢铁，在设备配套、管路配套方面尚不完善，也没有相应的设计规范或标准。

广州船舶及海洋工程设计研究院（以下简称“广船院”）在铝合金船舶及舰船的长期设计研究中，在钛合金管系的使用上积累了较多经验，尤其通过21世纪初期研制的某型快艇的大批量应用和长期保障跟踪，对钛合金管路和附件设计、配套和使用效果均有了较清晰的认识。本文将以此为案例，在海水管系选材决策、设计原则、防腐防污措施、施工情况以及存在问题等方面作系统介绍，相信对于钛合金在舰船上的推广应用有一定的借鉴作用。

1　管系选材决策

1.1存在问题

高速快艇采用铝质为主体材料的优点在于可有效减轻船体质量，然而常规配套设备和管路材料主要是钢质、铜质或不锈钢等，如果相关配套设备和管路附件仍按常规选择，势必对控制船艇总体质量和防腐带来不利影响。这是铝质快艇在设计初期面临的关键问题之一。

1.2选材研究

在铝质快艇研制初期，根据铝合金在海水中的腐蚀特点，管系设计在满足质量控制和防腐蚀要求的前提下，提出采取非常规材料的设想，并协同相关单位开展了防腐蚀技术研究，对常用的不锈钢、碳钢、铜合金、铝合金以及钛合金材料开展了各项试验。

1.2.1艇用铝材及管系材料的腐蚀特性试验研究

由于电位差较大的原因，铝质快艇海水管路材料无法使用铜类合金材料。同时，为减轻质量也未采用不锈钢材料，海水管系材料考虑在铝合金、钛合金和玻璃钢材料中选取。而管路附件（如泵、阀、热交换器等）的制造难度更大，可能需要采用的铸铜、铸铝及不锈钢类材料。在当时的条件下，国内缺乏铝、钛合金管路材料腐蚀数据和使用经验，包括铸铜、铸铝及不锈钢类材料与管路材料偶接后的腐蚀形态及数据积累。此外，尽管5083船体板材和6061型材这两种铝合金已在国外快艇上得到广泛应用，但国内尚缺乏其腐蚀数据。通过课题研究以及系列试验［3］，我们获得了宝贵的数据，并得出以下主要结论：

（1）钛合金质轻，强度大。表1为钛合金与其他几种常用金属的比强度［4］。

表1　钛合金与其他几种常用金属比强度

（2）钛合金耐腐蚀性好。参试金属中，TA2钛合金的耐蚀性最强，基本不腐蚀；其次是不锈钢材料1Cr18Ni9Ti，即使在高流速海水中，也仅有微弱腐蚀；铝合金5083和LF15、铜合金B10和QniAl在静止海水中的耐蚀性比较好，腐蚀率较小，但随着海水流速的增加，耐蚀性降低；20号碳钢在试验材料中的耐蚀性最差，在流动海水中腐蚀率迅速增加。

（3）据有关资料显示，海水冲刷是影响管道腐蚀性的直接因素，而海水流速增加会使管道中易形成涡流的部位受到更严重的局部腐蚀［5］。通过对比发现，钛合金耐海水冲刷腐蚀的能力较B10铜合金要强很多。另外，还需通过改善管道设计来减小水流的不均匀性。

（4）5083、LF15铝合金在与其他常用管系金属材料组成的电偶对中，均作为阳极受到加速腐蚀，偶合腐蚀加速显著，流动海水中的偶合效应也远大于静止海水。加大5083与阴极材料的面积比，可有效降低电偶腐蚀。

（5）因铜在海水中的溶蚀产物会使临近的铝腐蚀加剧，所以在管系流道中，若铜在上游、铝在下游，则不应同时使用铜、铝构件。海水中锈蚀较重的碳钢等材料也应避免在水流上游与铝合金材料紧邻联结，以避免腐蚀产物过度沉积聚结后使两种材料间逐渐导通。

（6）钛合金在海水中的耐蚀性是常用金属材料中最好的，基本没有腐蚀，与艇体同寿命。由于钛的阴极极化、阳极极化性均很强，虽然在海水中的稳定电位比较高，但与其他材料发生耦合时，耦合效应小于同样电位差的其他金属偶对，如对铝合金的电偶腐蚀显著低于不锈钢、铜合金的影响。在一定的面积比范围内，钛合金与不锈钢、青铜之间的电连接不会使后者的腐蚀速度明显增加。

总而言之，基于研究成果和铝质快艇减重防腐的特殊要求，海水系统选用钛合金作为管路，可充分发挥钛合金耐海水冲蚀性强、电偶腐蚀轻、对艇体腐蚀少等优点。在一定的面积比范围内，钛合金与不锈钢、青铜之间的电连接不会使后者的腐蚀速度明显增加，且钛合金的比重较钢、铜的比重低，可满足艇总体分配的质量指标要求。

1.2.2海水管系及内舱舱底阴极保护研究

船尾轴和设备的泄漏，会造成舰船舱底不可避免存在积水。舰船舱底内底板积水会含有大量油污和细菌，其腐蚀性比普通海水大得多，舱底的腐蚀已成为舰船腐蚀最突出的问题之一。对于铝质快艇，由于5083、6061铝合金的自腐蚀电位较低，与铜、钢接触将会造成铝材首先发生腐蚀。尽管铝质快艇内舱舱底有涂料保护，但其防腐寿命往往难以达到一个中修期。舱底积水是造成内板腐蚀的直接因素，特别是在舱底留有铜质或钢质螺母、螺钉、焊条、工具等时，会加速底板的局部腐蚀穿孔。如在流速控制和三通、变径、弯头等处的防空泡设计或施工出现差错时，会造成海水管系的严重腐蚀。因此，研究舱底和管系牺牲阳极材料，是保护舱底底板和管系免遭异常腐蚀的重要手段。

通过铝质快艇舱底板及铝质管道的专用牺牲阳极的研制筛选以及对铝质舱底牺牲阳极、管道牺牲阳极的方案及安装形式优化设计研究，得出以下结论：

（1）经筛选研究得到的三种牺牲阳极配方，即铝-锌-铟-硅（AZIS）、铝-锌-铟-锡-钛-镓（AZISnTG）、铝-锌-铟-镁-钛-镓（AZIMTG），可解决牺牲阳极在油污水环境下阳极表面钝化、溶解差、电流效率低的缺陷，其中AZISnTG电流效率最高。

（2）通过牺牲阳极的熔炼浇铸，研究浇铸时阳极材料对5083铝“铁”芯的熔化矛盾，解决了铝质“铁”芯铝合金牺牲阳极的制造难题，同时其接触电阻及外观均符合适装性要求。

（3）舱底牺牲阳极安装结构、保护方案、安装布置考虑了多方面的因素，设计合理，保护寿命达到相应等级修理要求。

1.2.3异种金属及非铝质设备和部件与铝艇体相接的防腐措施

当两种不同的金属浸在腐蚀性或导电性的溶液中时，两种金属之间通常存在着电位差。如果这些金属互相接触（或导线连通），该电位差将促使电子在它们之间流动。与不发生接触时比较，这时耐蚀性较差的金属在接触后腐蚀通常会增加，而较耐蚀的金属腐蚀性则下降。耐蚀性较差的金属变为阳极，耐蚀性较好的金属则变为阴极。

在海水中不同金属材料在距离150 mm以内均易发生电化腐蚀，电位低的金属被电位高的金属腐蚀。解决这种不同金属的电化学腐蚀（电偶腐蚀）最简单有效的办法就是绝缘连接、隔离腐蚀介质或采用过渡的复合材料。

铝质船配备的大部分设备、管系和舾装件等都由非铝质金属构成，而异种金属间存在电位差，故应特别注意该处的电偶腐蚀。预防电偶腐蚀的基本原则是：尽量选用同一种材料，避免异种金属直接接触；无法避免时，应采取有效的保护措施。

针对海水冷却系统及舱底消防系统中的异种金属是在腐蚀性的海水中应采取相应的防腐连接，如管路法兰中的铝/钛部位采用尼龙材料进行绝缘。

1.3防腐技术要求

通过开展铝质快艇防腐蚀技术项目的系列研究，在研究成果的基础上形成《铝质快艇防腐、防漏、防污技术要求》，将其作为铝质快艇防腐设计的顶层技术文件，对设计、建造全过程、各专业的防腐设计提出要求，其中明确提出海水管系相关技术要求。

1.4研讨决策

广船院基于以上研究成果对该艇众多管路系统选材、附件及设备配套管系质量分析、管系安装工艺等问题进行了详细论证分析，并通过与国内防腐界专家共同研讨，最终明确了海水管路系统采用钛合金材料。

2　应用情况

2.1应用范围及牌号

考虑到钛合金管用于该型艇海水管系的主要技术特性和配套要求，消防系统、主辅机海水冷却系统、空调冷却水海水系统及生活海水系统的管、阀门及附件主要采用钛合金材料，牌号为TA2。铝质快艇每艘艇用钛合金管、阀门及附件总重大约为艇总体质量的1%。钛合金管规格大约有如下种类：15×1.5、20×1.5、22×2.0、22×2.5、25× 1.5、28×2.5、30×1.5、36×1.5、45×1.5、55×2.0、70×2.0、108×3.5、133×4等。

2.2设计原则

管道设计路线应尽量沿最短的路线通过，尽量采用直管，少采用弯管；对分支管道的异型部分采用合理的流体力学结构，增大弯曲半径，减少急转弯和直径的突然变化。这些措施都可提高管道的耐蚀性。

无论是船体还是管系，铝合金材料与其他金属部件连接时，都应采取绝缘措施。如果铝合金材料与其他金属材料无法避免电连接，或某些环境因素会导致电偶腐蚀发生时，铝合金构件上应设计增加管道牺牲阳极，用以与其他材料连接。

一般情况下，钛合金管系与不锈钢、青铜部件之间连接不会产生严重的电偶腐蚀，但应尽量避免在连接零部件间形成缝隙，产生缝隙腐蚀。

3　防腐防污措施

3.1防腐措施

铝质快艇使用的金属材料品种较多，有铝合金、钛合金、不锈钢、EO不锈钢及设备用钢铜组合件等，尤其是海水系统，不仅有高电位的钛合金，还有低电位的铝合金，设计上大量采用异种金属电绝缘的设计和相应技术措施。

3.1.1管路端部法兰绝缘连接

海水系统钛合金管与异种金属管系之间采取防腐绝缘连接。管系需法兰绝缘安装连接的管路，包括管路法兰、滤器、热交换器、舷侧接管、异种金属法兰通舱件及各种设备接口（其连接型式见图1），个别地方根据需要还加装管道牺牲阳极，避免低电位金属产生腐蚀。

图1　法兰连接件绝缘图

法兰规格选用相应尺寸的紧固、密封及绝缘组件，螺栓和垫片使用不锈钢材质，法兰密封绝缘垫片材料为外敷聚四氟乙烯芳纶橡胶合成纤维垫片，螺栓绝缘套筒材料为尼龙-11。

3.1.2管路通舱件绝缘连接

当钛合金管路穿过铝质舱壁时，其连接型式见图2。在舱壁指定位置处开孔并磨光，在舱壁开孔处套装绝缘套筒，将通舱件穿入孔中并在套筒另侧依次加装绝缘垫片、通舱件背板和螺母并紧固，为防止舱壁板与螺纹通舱件之间由于飞溅上电解质液体而造成电化腐蚀，将处于机舱花板下或容易飞溅上液体的工作位置中每个管道绝缘安装的螺纹通舱件，使用绝缘防水胶涂装。

3.1.3管路与艇体的绝缘连接

钛合金海水管系与铝质艇体连接处采用铝合金管进行过渡绝缘连接。

3.2防污措施

考虑到铝是两性金属，pH值偏小或过大都会导致酸性或碱性腐蚀，若电流、电压控制不当会加速铝质船体的腐蚀，所以海水管路未采用电解防污系统。

图2　螺纹通舱件绝缘连接图

4　施工情况

4.1管系采购

由于船厂进行钛合金管弯管有一定难度，所以铝质快艇所需钛合金管按规格采购直管、连接弯头，阀门附件设备厂参照钢质标准件进行研制，提供应用。

4.2建造施工

钛合金管系相对于其他金属施工工艺较困难，主要表现在管道现场弯管较难、钛合金管道焊接质量控制难度高，需严格按照钛合金焊接工艺进行，否则返工率高。因此，船厂对钛合金管的施工主要做两方面工作：管路局部焊接和端部接头的绝缘连接。

4.3维护修理

钛合金管系维护修理预期主要以换件为主，然而到目前为止，经过十多年的使用，这批铝质快艇整体上还没发现有损坏和腐蚀问题，从外表观察管内生长海生物也不明显，未出现管路堵塞情况。

5　存在问题

5.1施工困难

钛合金材料应用存在的主要问题是相对于其他金属而言，其施工工艺要求较高。管道现场弯管较难，而焊接时需严格按照钛合金焊接工艺才能控制好质量。另外，钛合金价格相对较高，与非钛船体连接需作特殊处理，与管系附件及阀门配套性有待提高，生产加工较困难。

5.2防腐蚀关联问题

经过十多年的使用表明，钛合金管自身很少出现腐蚀问题，但在与异种金属连接部位会出现局部问题。比如个别海水管路局部接口端部因异种金属接触发生电偶腐蚀引起泄漏，具体出现在齿轮箱冷却水进出热交换的接口部位、海底门铸铝海水滤器、铝阀等处，参见图3。

图3　机舱空调海水滤器（端口局部腐蚀）

6　建 议

基于钛合金耐蚀性较好、质量较轻、价格不断降低，国内也有较大储量，相信在舰船上将有较大的应用推广空间。

结合近10多年对铝质快艇应用钛合金材料和维护跟踪情况来看，对于钛合金在今后舰船上的应用提出以下建议：

（1）钛合金材料可作为舰船的海水管路材料的首选。海水冲刷是影响管道腐蚀性的直接因素，而海水流速增加会使管道中易形成涡流的部位受到更严重的局部腐蚀。有关试验表明铜镍合金管路允许流速不大于2.5 m/s，而钛质管路则为10 m/s。铜镍合金管路的寿命为8年，而钛质管路则为65年。

（2）若想充分发挥钛合金质轻、比强度高的优势，还需在后续舰船研制过程中开展相关基础性课题的研究，制定钛管、钛阀和钛附件的标准，不能简单参照铜合金的标准确定钛管的壁厚和制作钛阀。

（3）由于钛合金具有超强的防腐蚀能力可能会导致下游设备如海水泵、滤器等引发腐蚀而导致整个系统瘫痪。若想提高全海水系统的防腐性能，还需开展适合于舰用环境的钛质泵的研制工作，尽早实现海水系统的全钛质化。

（4）目前钛合金海水管系在铝质快艇表面上未发现明显海生物污损。国内防腐界认为“钛合金与海生物有良好的相容性”，但是发现实际与理论存在差异。为避免钛合金海水管系大面积出现海生物污损，还需对现有钛合金海水管系作进一步的跟踪验证及钛合金管系预防海生物污损措施研究。

（5）在铝质快艇建造过程中，为解决钛合金管路穿过铝质舱壁问题，参照相关标准重新设计通舱管件，在建造过程中对成型的弯头和三通等进行现场焊接，还需对通舱管件及现场焊接的弯头和三通进行跟踪验证，以便为后续舰船设计、制造提供试验数据支撑。

（6）舰船的腐蚀防护是一个系统工程，包含防腐蚀论证、设计、建造、使用、维护和修理等环节，环环相扣，缺一不可，否则腐蚀问题将会以多种形式暴露出来。为此，建议在后续舰船研制过程中，从方案论证时就确定舰船的防腐蚀目标，对舰船腐蚀特性和防护方法进行研究。设计阶段根据前期的研究结果制定防腐蚀措施，设计合理的防腐蚀体系；舰船建造阶段需准确落实防腐蚀措施，从材料采购、加工工艺和检测检验等方面严格要求；后期维护保养阶段需对易产生腐蚀的部位及死角进行重点关注，定期检查防腐蚀措施是否落实到位。

（7）建议涉钛企业多开发适合舰船应用的钛合金设备和管材，定期与承造船厂、舰船总体设计院所进行沟通交流，发挥自身的优势编制涉钛行业标准，向承造船厂提供钛焊工培训服务；为满足钛合金在舰船上应用的需求，舰船研制单位（含承造船厂及舰船总体设计院所）应针对自身短板，采取相关措施，如开展人员设计能力培训，健全船厂钛合金施工设备配置、工艺流程和人员资质等方面措施。总而言之，若想在舰船上大量推广应用钛合金材料，应从顶层、系统、多部门、多工种进行考虑，特别应在材料加工和施工的可操作性方面加大普及力度。此外，在实际应用时还应特别做好与异种金属的绝缘处理，防止引起局部非钛金属的腐蚀。

［参考文献］

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［5］ 周晓光，董彩常，宋伟伟.某型舰主机海水管路的模拟冲刷腐蚀研究［J］.船舶，2013（6）：65-68.

Application of titanium alloy in seawater piping of aluminum alloy warship

LI Li-sheng XU Wen-shan CHEN Wan-hong HE Qin-shan
（Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250， China）

Abstract：Titanium alloy can be characterized of light weight， high strength， resistance to seawater corrosion， and non-magnetism. It is widely applied on warships， especially suitable for high speed vessels and aluminum alloy ships with the strict requirements of weight control and corrosion resistance. The titanium alloy seawater piping has been applied on an aluminum alloy ship with great effect over ten years. This study introduces the material selection， design， construction， application effect and existing problems of the titanium alloy seawater piping in detail with the practical suggestions for the application of the titanium alloys on warships.

Keywords：titanium alloys； aluminum alloy ship； seawater piping； corrosion and protection

［中图分类号］U661.5

［文献标志码］A

［文章编号］1001-9855（2016）03-0027-07

［收稿日期］2016-03-04；［修回日期］2016-03-16

［作者简介］黎理胜（1972 -），男，高级工程师，研究方向：舰船总体舾装设计。