船用海水过滤器的腐蚀和防护

王全柱

(洛阳船舶材料研究所，洛阳 471039)

船舶配备有设备冷却、船舱压载、消防和淡化制水等功能的各种海水管路系统，对保证船舶动力、压载管理和辅助设备正常工作具有重要作用。海水含有大量杂质、微生物、藻类等，不能直接使用，因此需在管路系统中配备相应的过滤器如压载水管理系统中的过滤器，以滤除这些污物，使水质达到使用要求。而过滤器及其管路系统经常会被海水腐蚀和生物污损[1-3]，所以其耐海水腐蚀和污损的能力影响着管路系统和船上设备的正常运转和使用寿命。

本工作对船用海水过滤器的结构、运行特点及可能出现的腐蚀原因和类型进行了介绍，并从材料选型、结构设计、腐蚀防护、维护保养等方面提出了防护措施。

1 海水过滤器的结构及运行特点

海水过滤器结构型式多样、大小不一，并已逐渐形成系列化，但其基本构成大致相同，主要有滤器筒体、滤芯组件、吸排污系统、动力及传动系统、控制系统等组成，具体结构如图1所示。其工作原理是海水自进水口进入过滤器内，经粗、细滤网滤掉绝大部分杂质后，由出水口流出，进入各类管路。经过细滤网时，水中的微生物等杂质逐渐积聚在细滤网的内表面，滤网内外形成压力差。当压差达到设定值时，自清洗功能启动，此时排污阀打开，在细滤网内部工作压力和大气压差的作用下，吸污系统产生吸力，细滤网表面的杂质经吸嘴、排污管、反冲洗腔，由排污阀排出。自清洗结束后，排污阀关闭。在自清洗过程中，过滤器正常过滤不间断。

(a) 总装图 (b) 剖面图 图1 海水过滤器的结构示意图Fig. 1 Schematic diagram of seawater filter structure:(a) assembly groups; (b) cross sectional view

自清洗功能通过海水过滤器的控制系统控制：在滤器进出口间设置一个压差开关，以实时检测进出口间的压差变化；当压差超过预设值时，压差传感器把压差信号传入可编程控制器(PLC)，可编程控制器(PLC)发出指令，清洗程序启动，控制吸污传动系统和排污阀的运行；同时，通过内嵌定时器功能实现清洗程序的定时控制；清洗程序遵循压差优先原则，并设有压差、定时和手动控制三种模式。可编程控制器上预留有若干输出触点，可实现设备运行状态信息的远程传输和监控。

海水过滤器运行期间，由于受到流动海水冲刷、滞留、船体颠簸振动和海洋大气环境作用，将不可避免地产生各种腐蚀失效问题。

2 海水过滤器的腐蚀

2.1 常见的腐蚀现象

海水过滤器长期在潮湿海洋大气及船体振动环境中运行，并持续受到海水冲刷、浸泡，会出现比较严重的腐蚀问题。其常见的腐蚀现象有：过滤器筒体内、外部表面出现较大范围的点状、带状或块状锈蚀；法兰间的缝隙产生腐蚀；过滤器与船体连接部位如底座支撑腿和地脚螺栓产生腐蚀疲劳；过滤器筒体与法兰/封头焊缝、进出水口管道与筒体焊缝等部位产生条带状焊缝腐蚀；法兰连接螺栓产生松动，法兰螺栓孔周围漆膜脱落和腐蚀；在海水浸泡环境中不同材料的零部件长时间配合接触和运动磨损，产生腐蚀；吸污管等过流零部件产生点蚀；滤芯出现腐蚀，如滤网接缝处的焊缝、滤网局部出现腐蚀，或构成滤芯的不同材料的零部件发生腐蚀。

2.2 腐蚀类型及其原因

分析船用海水过滤器出现的腐蚀现象及运行过程发现，其腐蚀类型主要有电偶腐蚀、缝隙腐蚀、点蚀、晶间腐蚀、冲刷腐蚀、腐蚀疲劳和焊缝腐蚀。

2.2.1 电偶腐蚀

海水中，碳钢、316L不锈钢的腐蚀电位分别为-0.40，+0.15 V。如果碳钢筒体防护涂层完好封闭，基本上不与海水接触，一般不会发生腐蚀。但是，一旦防护涂层出现破损、气孔、漏涂等缺陷，涂层的封闭性被破坏，筒体等将不可避免地发生腐蚀。

过滤器及其附件产生电化学腐蚀需满足的基本条件为：存在电解质溶液，海水含有大量氯离子，属于典型的电解质溶液；存在电势差，两种及以上腐蚀电位不同的金属材料或同种金属材料中由于材料局部不均匀，都会产生电势差[4-5]；阴极和阳极之间应形成电流回路。

腐蚀电位不同的金属或同种金属材料的不同部位会形成腐蚀原电池。腐蚀电位低的金属或部位成为阳极，不断腐蚀溶解；而腐蚀电位高的金属或部位成为阴极，得到保护。电偶腐蚀同时受到阴阳极面积比和局部海水流动状态的影响。不锈钢法兰盖与碳钢法兰之间的腐蚀，筒体内部的腐蚀，不同金属材料零部件长时间配合接触产生的腐蚀都属于电偶腐蚀。

2.2.2 缝隙腐蚀

在缝隙腐蚀初期阶段，缝隙内外均匀地发生腐蚀，随着腐蚀深入，因滞留关系，氧只能向缝隙内缓慢扩散传递，使得缝隙内的氧含量供应不足，氧化还原反应终止，而缝隙外的氧可随时得到补充，氧化还原反应继续进行。这样，缝隙内外构成了氧浓差电池，缝内为阳极，缝外为阴极，并形成大阴极小阳极。这种大阴极小阳极的特征使得缝隙腐蚀进行得很快。阴阳极分离及腐蚀产物在缝隙口的不断堆积，使其逐渐形成了闭塞电池。随着缝隙内阳极金属的不断溶解，缝隙内的金属阳离子难以迁移到缝隙外，在缝隙内积累，促使缝隙外迁移性强的氯离子向缝隙内迁移，形成金属氯化物。金属氯化物在缝隙内发生水解，使得缝隙内的pH降低，这一过程又加速了阳极的溶解。阳极加速溶解和氯离子迁入相互促进，这样便形成了自催化过程，使得腐蚀加速进行[6]。缝隙腐蚀一般发生在法兰连接面、螺栓垫片连接面，滤器内水线附近。

2.2.3 点蚀

海水中的氯离子作用于不锈钢表面钝化膜，使得钝化膜局部破坏露出金属基体，在海水的不断冲刷下，金属基体溶解而发生局部腐蚀[6]。严重的点蚀可能会导致不锈钢过滤器筒体发生腐蚀穿孔。点蚀主要发生在使用316L不锈钢的零部件上。

2.2.4 晶间腐蚀

过滤器筒体一般采用表面涂有防腐蚀涂层的Q235B或Q345R等碳钢，在海洋大气和海水冲刷、浸泡下，腐蚀防护涂层易发生老化、破损。由于这些钢材中含有较多杂质，因此极易发生晶间腐蚀。

2.2.5 冲刷腐蚀

冲刷腐蚀是流体冲刷与腐蚀相互促进协同作用的结果，海水高速流动破坏、减薄或去除金属表面的保护膜(如氧化膜、漆膜)或腐蚀产物，使得新鲜的金属表面与腐蚀介质直接接触，从而加速金属腐蚀。这种腐蚀多发生在流体方向、速度发生改变和增大紊流的部位，如海水过滤器进出水腔、封头等截面突然变化的位置。

2.2.6 腐蚀疲劳

腐蚀疲劳是交变载荷与腐蚀介质共同作用的结果，即在疲劳与电化学腐蚀相结合情况下，金属材料会发生加速腐蚀。海水过滤器常发生腐蚀疲劳的部位为连接船体的底座或支撑腿、地脚螺栓，法兰连接螺栓产生松动，螺栓孔周围漆膜脱落和腐蚀也是由腐蚀疲劳引起的。

2.2.7 焊缝腐蚀

海水过滤器制造中涉及到大量的焊接过程，焊接过程对基体材料产生的各种变化和不利影响，以及焊接缺陷等均会影响后续的防腐蚀涂装，进而影响过滤器的耐海水腐蚀性能[7]。焊缝表面成形状况、焊缝位置及局部焊接缺陷如气孔、未熔合、裂纹、焊渣等都会导致防腐蚀涂层的附着强度较低，涂装不到位，涂层易剥落等缺点，这些缺点都会引起筒体腐蚀。筒体腐蚀也会进一步加速涂层的开裂和剥落，涂层的开裂和剥落又促进筒体腐蚀，如此恶性循环。过滤器各部位焊缝产生的条带状腐蚀即为焊缝腐蚀。

3 海水过滤器的腐蚀防护措施

为了保证海水过滤器长期安全稳定运行，根据可能出现的腐蚀原因及类型，从设计、制造和腐蚀防护等方面采取多种防腐措施进行联合保护[8-12]。

3.1 合理选择材料

根据海水过滤器各组成零部件所处的腐蚀环境和运行状态，选择合适的耐蚀材料或腐蚀防护措施。同时解决好不同材料之间的电偶匹配问题，应选用电位差小的材料，尽量避免小阳极大阴极的出现，并采取绝缘措施，避免发生因材料不配套导致的腐蚀现象。

对于海水过滤器筒体，可以选用耐海水腐蚀性能较好的316L、2507不锈钢或钛合金等金属及其复合钢板。为了降低材料成本，也可选用Q235B或Q345R等碳钢，但这些材料需经过防腐蚀环氧涂料涂装或在其内衬橡胶或塑料等内衬。而对于易磕碰的装配结合面，如与滤芯配合的法兰、支撑端、封头法兰等部位，应采用防腐蚀性能不低于316L不锈钢的衬层/套或堆焊层。

海水过滤器内部过流零部件应采用具有良好耐蚀性的金属和非金属材料，如滤芯采用316L、2507、904L等不锈钢，动力传动和密封材料采用聚四氟乙烯(PTFE)、锡青铜QSn10-5、各类橡胶等，分水板/挡水板采用ABS树脂,而对于吸污零部件或内部不易于涂装的管件可以选用316L、2507等不锈钢材料。

3.2 优化防腐蚀结构设计

对于海水过滤器内部结构，应优化流场，避免过流零部件被海水直接高速冲刷，并防止滞留海水，如为了防止过滤器停运和排空期间内部海水引起氧浓差电池腐蚀和沉积物腐蚀，可以在过滤器底部设置底排管，以排尽滞留海水。采用适当的焊接工艺，避免多道施焊，控制焊接质量，焊后对焊缝及周边进行仔细打磨清理，以去除焊接飞溅物、焊瘤、气孔等焊接缺陷，为后续防腐蚀涂装创造有利条件。对于碳钢筒体，应避免涂装盲区和死角，以便控制防腐蚀涂装的质量。

3.3 牺牲阳极与涂层联合防护

对海水过滤器碳钢筒体及零部件涂装耐海水腐蚀的涂料或内部衬胶/涂塑，并同时采用牺牲阳极保护，可大大提高设备的腐蚀防护效果。

涂层本身的微孔、老化，施工不良导致的漆膜针孔、漏涂、鼓包，及在安装、搬运、运输过程中可能产生的机械损伤等，都会导致涂层产生开裂、剥落，使基体金属外露。而裸露的金属与涂层形成小阳极大阴极的局部腐蚀电池，会加速金属腐蚀和涂层进一步破坏。如果采用涂层和牺牲阳极联合防护，即使金属表面因涂层破坏而裸露，也可以通过牺牲阳极获得保护，弥补涂层缺陷，阻止涂层进一步劣化；而涂层的使用也降低了电流消耗和改善电流的分散能力，使得设备各部位的电位分布比较均匀，大大降低牺牲阳极的消耗，延长其使用寿命。

安装牺牲阳极时，应尽量消除因结构复杂造成的遮蔽作用，如在滤芯周边、反冲洗腔体内增设牺牲阳极。合理选择牺牲阳极材料(如选用铝合金阳极)、尺寸，增加阳极数量，可延长牺牲阳极的使用寿命。

3.4 定期维护保养和腐蚀修复

定期对海水过滤器进行检查和维护，对尽早发现和修复腐蚀，防止发生重大设备故障是十分重要的。

滤器筒体腐蚀的修复：首先对腐蚀区域进行修磨，彻底清除腐蚀部位周围的锈蚀、腐蚀产物等，露出新鲜的基体金属；然后按照焊接工艺规范对腐蚀部位进行补焊，渗透着色、探伤检查，并修磨光顺；最后按照涂装工艺涂刷防腐蚀涂料。

更换新滤芯是滤芯腐蚀最好的修复方法；在滤芯设计过程中各组成部件应选用同种材料或腐蚀电位相近的材料，如316L、904L、2507等，以减小不同材料的电位差，避免电化学腐蚀；滤网焊接采用与滤网材质相匹配的耐腐蚀焊材，并避免多道焊接。

4 结论

(1) 由于海水的强腐蚀性和船体的振动颠簸，船舶海水过滤器在使用过程中会产生电偶腐蚀、缝隙腐蚀、电化学腐蚀、冲刷腐蚀、孔蚀等腐蚀现象。这些腐蚀通常是共同作用和相互促进的，一种腐蚀会引发或促进另一种类型腐蚀的发生。

(2) 根据海水过滤器可能出现的腐蚀现象，分析了腐蚀机理，提出了从设备材料的选择、结构设计的优化、防护措施的合理采用如牺牲阳极保护与涂层联合防腐蚀等源头设计方面提高海水过滤器的耐腐蚀性能，通过定期维护保养，对过滤器出现的腐蚀早发现早修复，提高海水过滤器运行的可靠性，延长其使用寿命。