舰船海水管路腐蚀状态检测方法研究

张鲁君，贺 国，潘兴隆

(海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉 430033)

舰船海水管系是舰船推进装置保障系统、发电机组保障系统和辅助系统的重要组成部分，主要由海底门、过滤器、海水泵、冷却器、气水分离箱、金属管路、法兰和阀件等设备和部件组成，担负着冷却主副机、洗消、压载等任务，对于保障主机和发电柴油机组的良好运转、舰船航行的稳性以及其他辅助机械和设备的正常工作具有重要的作用[1]。由于舰船海水管路和海水接触密切，常年受到海水的腐蚀作用。海水是一种天然的电解质溶液，含盐量在32.0%～37.5%之间，主要成分是氯化钠、硫酸盐和一定量的可溶性碳酸盐，氯离子能够破坏金属表面的致密氧化物薄膜，阻止金属钝化，加速金属的腐蚀。海水管路的工作环境大多为温度高、湿度大的船舶机舱，管路内壁经常受到海水的冲刷和泥沙的磨损，腐蚀问题尤为严重。

舰船管系就像人体的血管一样，负责为船舶设备输送油、气、水等物质，从而保证舰船的正常运行。海水管路是最重要的船舶管路之一，海水管路的腐蚀或者由海水管路腐蚀引起的设备故障，轻则会给船员的日常生活造成不便，重则会引起安全事故，导致重大经济损失甚至危及船员生命安全。因此，研究检测海水管路内壁腐蚀状况的技术方法，对保障舰船设备的安全运行具有重要意义。

1 舰船海水管路的主要腐蚀类型及其危害

海水的腐蚀性是导致舰船海水管路产生腐蚀的直接原因，海水温度、海水溶氧量、海水流速、海水含沙量、海洋微生物等诸多因素都会促使腐蚀的发生，多种腐蚀因素的联合作用使海水管路的腐蚀机理也更加复杂[2]。海水管路的腐蚀主要有海水腐蚀、冲击腐蚀、电化学腐蚀、空泡腐蚀、应力腐蚀、微生物腐蚀等[3-4]。海水腐蚀的机理是，管路内壁在氧气的作用下，与海水中的硫酸根、氯等离子发生缓慢的氧化还原反应。冲刷腐蚀是指含有泥沙的海水在管路中高速流动时，海水的冲击和泥沙的磨损使管路内壁的防腐蚀涂层和金属氧化物薄膜等保护层破坏，加剧了海水对管路的腐蚀速度和腐蚀程度。如图1所示，冲刷腐蚀多发生在弯管部位，造成弯管部位外侧管壁腐蚀穿孔。电化学腐蚀是由于异金属接触和管材的不均匀性产生的，主要发生在法兰处、管路附件连接处和加工缺陷处。空泡腐蚀产生的机理是，海水发生湍流时会有气泡在管路内壁表面不断地生成和溃灭，气泡溃灭对管路内壁的冲击力足以使韧性金属发生塑性变形或使脆性金属开裂，从而使管路内壁产生点蚀和表面粗化。空泡腐蚀一般发生在管径突变处、弯管部位。应力腐蚀一般发生在合金金属中，从宏观上属于脆性断裂。海水管路在加工制造过程中会产生残余应力，并且在工作过程中也会受到外应力的作用。在应力的作用下，金属管壁会发生裂纹，从而加速海水腐蚀介质对管壁的侵蚀，造成细长状的腐蚀缺陷。微生物腐蚀是指附着在管路内壁上的海洋微生物释放出的二氧化碳和死亡的海洋微生物分解出的硫化氢增加了周围海水的酸性，促进海水对管路内壁的腐蚀作用。

图1 弯管部位的冲刷腐蚀

由于海水管路工作条件的复杂性，在服役过程中，管路内壁会受到整体或局部的腐蚀、磨损、冲蚀等破坏性作用，导致管壁逐渐地减薄[5]。均匀腐蚀对管壁厚度的影响较小，不会对海水管路的安全运行造成太大威胁。但是，冲刷腐蚀、空泡腐蚀、局部电化学腐蚀等非均匀腐蚀作用会使管壁厚度局部大量减小，降低了管路的强度。在海水压力增大时，海水管路可能产生漏泄或爆破穿孔，情况严重者会引发轮机设备故障，对舰船的安全航行造成威胁。如图2所示，某船海水管路弯头部位腐蚀导致管壁局部减薄，在管路内压的作用下发生线状的裂纹穿孔破损。经检修发现，该管段只有弯头部位腐蚀较为严重，导致了穿孔破损。而其他部分为均匀腐蚀，且腐蚀程度较轻，管壁厚度仍然可以满足工作强度的要求。舰船海水管路的腐蚀会降低管路的结构强度，减小管路的实际工作压力，不仅增加了船舶设备日常维护的工作量，还给船舶的安全运行造成了威胁。经实船调研发现，巡检过程中，检查人员无法直观地观察海水管路内壁的腐蚀情况，难以从外观判断海水管路的腐蚀程度，有些腐蚀后的海水管路会因为巡检不及时产生破损漏泄，进而引发机舱设备故障。目前存在海水管路维护管理困难，检修不及时等问题[6-7]，检修工作往往在管路发生漏泄，对设备运行产生影响后才得以展开，这样无疑增加了对舰船安全运行的威胁性。因此，对海水管路进行定期检查时需把壁厚检测作为主要的检查项目之一。

图2 海水管路的腐蚀穿孔破损

2 海水管路腐蚀检测方法

通过管路壁厚检测，可估算海水管路腐蚀部位管壁可承受的最大应力，从而确定腐蚀海水管路的剩余强度。目前，检测金属管路壁厚的常用方法有漏磁通检测法[8]、脉冲涡流检测法[9]、远场涡流检测法[10]、超声波检测法[11-12]。表1给出了4种检测方法的基本原理、技术特点和适用范围。此外，可用于内壁腐蚀金属管路壁厚检测的方法还有射线照相检测法、录像检测等。虽然壁厚检测的方法很多，但是对于金属管路的壁厚检测仍以超声波检测方法最为常用。

超声波是频率高于20 000 Hz的声波，具有传播方向性好、能量高、穿透力强等特点，当超声波在传播过程中遇到异质界面时，会在两种不同介质的交界处发生波的反射、折射和波形转换[13]。因此，超声波在均匀连续弹性介质中传播时，产生的能量损失极少，但当材料中存在着晶界、缺陷等不连续阻隔时，将产生反射、折射、散射和衰减等现象，从而损失比较多的声波能量，通过对超声回波的信号特征进行处理分析，就可以将检测结果图像化或数字化，从而达到探伤或测厚的目的。

脉冲回波式超声波测厚法是利用脉冲超声波进行检测的，脉冲波是由间歇性振动的波源产生，在介质中间歇性辐射的超声波。根据超声波的反射特性和声传播的恒速性，通过检测脉冲超声波在被测件上下底面之间往返一次传播的时间求得被测件的厚度[14]。其检测原理如图3所示。探头发射出的脉冲超声波T通过探头和被测件表面之间的耦合剂到达被测件表面，其中一部分能量被反射回来形成界面波S，另一部分能量则透射到被测件内部，在被测件另一侧表面产生反射，反射波B再次穿过被测件及耦合剂到达探头。通过测量界面波S和反射波B到达探头的时间差，可以测得厚度。计算公式如下。

式中：d为管壁厚度；v为超声波在被测件内的传播速度；t为发射波和反射波之间的时间差。

图3 脉冲式测厚法原理图

脉冲超声波具有能量大、精度高、速度快、成本低等优点，脉冲反射式超声波测厚法原理简单，可靠性高，对于大于1 mm的工件厚度检测精度很高，主要应用于具有晶体结构的金属材料和非金属材料[15]。基于脉冲式测厚原理的测厚设备造价较低、技术成熟、种类多、对人体没有辐射伤害，且便于操作，广泛应于工业中的壁厚检测。

3 超声测厚设备的选择

舰船机舱设备多，而机舱空间有限，海水管路往往布置在狭小的空间内，不适于进行复杂的管路腐蚀检测作业，而且在舰船运行过程中，无法对海水管路内壁进行拆检。利用远场涡流检测法进行壁厚检测，需要在管路内部安装检测装置，它不适用于海水管路腐蚀壁厚的在役检测。海水管路工作环境复杂，管路附件多，漏磁通检测法易受检测环境干扰，检测精度低，不能满足壁厚检测的要求。脉冲涡流检测法检测稳定性差，对管路表面质量要求高，而海水管路表面刷有油漆，因此使用脉冲涡流检测法难以获得理想的检测结果。超声波能量高，穿透力强，传播方向性好，对人体无害。超声波检测设备具有便携、容易操作、检测精度高、检测结果显示直观、检测速度快等优点，而且具有良好的人机界面，能够显示检测波形，检测人员可以根据波形的特点判断腐蚀缺陷的形貌和腐蚀深度。因此，超声波检测法能够适应检测舰船海水管路的复杂条件。

超声无损检测因其检测信息丰富、分辨率高、对人体无害等优点，已广泛应用于机械、核能、石油化工、航空航天和船舶等工业领域。目前市面上适用于检测船舶海水管路壁厚信息的超声波检测仪有以下3种：常规超声波测厚仪、电磁超声波测厚仪、相控阵超声波检测仪。常规超声波测厚仪技术成熟，价格低，操作简单，检测结果显示直观，通用性比较好。但是，它只能检测某一点管壁的厚度信息，检测结果价值小。电磁超声测厚仪无需耦合剂，环境适应性强，但检测精度较低，换能效率不高。相控阵超声检测仪可实现自动化检测，检测效率高，检测结果信息量大，不仅能够直观地读取壁厚值，还能显示检测波形，根据波形的特征能够判定腐蚀金属管路管壁的减薄形式。

舰船海水管路内壁腐蚀情况往往比较复杂，管路内壁局部腐蚀存在凹坑，管壁减薄程度大小不一，内壁附着锈蚀产物。海水管路内壁腐蚀形貌如图4所示。腐蚀内壁的附着物会影响检测精度，腐蚀凹坑使检测结果离散性增大。腐蚀海水管路的超声波检测并不是简单的检测剩余壁厚，而是需要尽可能全面地检测管路的腐蚀缺陷，获得剩余壁厚、腐蚀缺陷尺寸大小、腐蚀缺陷形貌等信息。只有基于尽可能全面的检测数据，才能准确地分析计算海水管路腐蚀之后管壁的剩余强度。只用常规超声波检测仪逐点检测腐蚀海水管路壁厚，可能漏掉腐蚀程度比较大的凹坑部位，当检测部位内壁有附着物时，其检测数据的离散性较大，检测数据也变得不可靠。电磁超声波测厚仪虽然不需要耦合剂，操作简单，但是也存在和常规超声波测厚仪一样的问题，而且检测精度较低。相控阵超声波检测仪可以对管路表面进行扫查，全面检测管路腐蚀缺陷，根据检测波形的特征获悉舰船海水管路的腐蚀缺陷大小、形貌和壁厚等信息，检测结果可靠性高。其检测结果如图5所示。区域1是超声波沿管道径向传播，显示的是管壁腐蚀缺陷深度信息。区域2是超声波沿管道轴向传播，显示的是沿管路轴线方向管壁的纵截面图；区域3不同的颜色代表了管路的腐蚀程度，两线相交处即为区域1、2所显示的管道缺陷处。因此，相控阵超声波检测仪对海水管路内壁腐蚀缺陷的检测具有良好的适应性。

图4 海水管路内壁腐蚀形貌

图5 相控阵超声波检测仪检测腐蚀海水管路图

4 结束语

舰船海水管路腐蚀破损会引发舰船动力装置等设备的故障，造成经济损失和安全事故。腐蚀海水管路的剩余强度是海水管路健康管理的重要指标，定期对海水管路进行检测，确定腐蚀缺陷的形貌、尺寸、剩余壁厚等数据，可分析计算腐蚀后管壁的剩余强度，从而预防事故的发生。海水管路布置空间狭小，工作环境复杂，腐蚀往往从管路内壁开始，巡检人员无法及时发现。由于超声波的能量高、穿透力强、传播方向性好，超声波检测法与其他壁厚检测方法相比，具有检测精度高、速度快、操作简便等优点。脉冲回波式超声波测厚法可检测的厚度范围大，对于1 mm厚度以上的工件检测精度高，适宜于检测各种规格壁厚的海水管路。相控阵超声波检测仪配合相控阵探头可对海水管路进行扫查，获得完可靠的海水管路内壁腐蚀缺陷信息，能够为舰船海水管路的健康管理提供可靠的数据。