铜镍合金海水管路牺牲阳极加装设计

施方乐， 黄 雷

(沪东中华造船(集团)有限公司，上海 200129)

0 引 言

目前，国内舰船普遍采用铜镍合金管作为海水管路，常用型号有B10和B30。其中，B10主要用于系统管路，B30主要用于设备冷却器冷却管路。

铜镍合金管具有良好的耐腐蚀性，主要通过在其表面生成的一层致密氧化层实现[1-2]。在实际使用中，由于泥沙冲刷等原因，其表面氧化层经常被破坏，致使其防腐蚀性能无法充分发挥。经过多年研究积累，目前对于铜镍合金海水管路的防腐防漏可采取异种金属电绝缘隔离、流速控制、加装海生物防腐防污装置等多种手段。相关调研结果显示，目前舰船铜镍合金海水管在未采取牺牲阳极保护措施的情况下，平均使用寿命约为3～5年。德国铜镍合金管材供应商KME公司研究表明，在采用牺牲阳极及其他合适措施的情况下，铜镍合金管使用寿命可达30年。因此，铜镍合金管加装牺牲阳极已是大势所趋。

通过分析铜镍合金海水管的腐蚀原因，并参照水下附件牺牲阳极加装设计方法，对铜镍合金海水管路实施牺牲阳极加装设计，以保护管路及管系内铜合金材质的阀件和附件。

1 铜镍合金管的腐蚀原因

相关研究表明，在舰船运行过程中，海水管路和管路中的阀件、附件，以及设备冷却器冷却水管面临的腐蚀问题是由不同金属材料之间的电位差引起的电流产生的，主要包括以下几种类型：

(1) 海水富含导电的盐溶液，在海水、管路中不同电位的金属材料之间会形成电流回路，引发电化学(电解)反应，从而引起低电位材质因阳极效应损失电子而产生腐蚀。

(2) 设备接地效果差等原因造成杂散电流，电流引发电化学(电解)反应，导致低电位材质腐蚀。

(3) 直接接触的不同金属材料之间因电位差产生电流，进而引发电偶腐蚀，造成低电位材质腐蚀。

2 牺牲阳极加装设计步骤和计算原理

根据铜镍合金管的腐蚀原因，在海水管路加装牺牲阳极，即通过在管路中设置低电位材料作为牺牲阳极，可实现在上述电化学反应中对海水管路、阀件和附件，以及设备管路的保护。

海水管路牺牲阳极加装设计的具体实施流程如图1所示。

图1 实施流程

牺牲阳极可根据具体海水管路材质进行选择，选择原则是牺牲阳极的发生电流须达到被保护金属构件达到保护电位时的极化电流。

牺牲阳极使用数量可根据下式估算：

(1)

式中：I1为保护电流密度，即被保护金属构件达到保护电位时单位面积所需的极化电流，mA/m2；s为被保护构件浸水面积，m2；I2为每块牺牲阳极的发生电流，mA。

牺牲阳极寿命按以下公式估算：

(2)

式中：Y为牺牲阳极有效使用寿命，a；G为牺牲阳极的净重，kg；Q为牺牲阳极的实际电容量，A·h/kg；If为牺牲阳极的发生电流，mA；a为牺牲阳极发生电流平均因数，一般取0.6～0.8；K为牺牲阳极利用因数，一般取0.85。

牺牲阳极发生电流按以下公式计算：

(3)

式中：ΔE为驱动电位，V；R为牺牲阳极接水电阻，Ω。

牺牲阳极接水电阻按以下公式计算：

(4)

式中：ρ为海水电阻率，Ω·cm；S为牺牲阳极尺寸的当量长度，cm。

(5)

式中：L为牺牲阳极长度，cm；B为牺牲阳极宽度或直径，cm。

3 铜镍合金管的牺牲阳极加装设计

3.1 牺牲阳极材料选择

本研究选定的主要保护对象为铜镍合金管，含B10和B30管，其次被保护的对象为海水管路中铜合金材质的阀件和附件等。

舰船设计防腐防漏的相关文件要求,铜合金海水管路牺牲阳极选材时保护电位推荐控制在-450～-750 mV范围。锌-铅-镉合金，其工作电位约为-1 000～-1 050 mV，铜合金的工作电位为-150～-300 mV，即以锌-铅-镉合金作为牺牲阳极时，与铜合金管之间的保护电位为-850～-750 mV，符合铜合金海水管路牺牲阳极选材时保护电位推荐范围。铸铁工作电位约为-750 mV，与铜合金之间的保护电位为-600～-450 mV，符合铜合金海水管路牺牲阳极选材时保护电位推荐范围。因此，选择锌-铅-镉合金和铸铁作为牺牲阳极。

3.2 牺牲阳极安装型式选择

牺牲阳极可选择不同的安装型式，如直接在管壁上安装，或安装于连接法兰或接头之间。综合考虑扩大牺牲阳极与被保护管路的面积比、管路内流体介质的稳定性等要求，建议选择安装于连接法兰或接头之间的型式。典型安装型式如图2所示。

图2 典型安装型式

在图2中，为形成电流回路，防止因异种金属接触造成接触面不均匀腐蚀，影响牺牲阳极使用寿命，垫片应使用绝缘垫片，并应设置导通电缆。

选择以上安装型式具备以下优点：

(1) 牺牲阳极安装于法兰之间，安装方便。

(2) 牺牲阳极内径与管路一致，不会造成管路内径突变，影响流速，形成紊流。

(3) 可通过选择牺牲阳极的长度，即图示的L值，增减牺牲阳极的接水面积，由此可计算牺牲阳极的布置数量和使用寿命。

3.3 牺牲阳极布置设计

GJB 157-1986《水面舰船牺牲阳极保护设计和安装》[3]规定，裸露的青铜、黄铜等铜合金和不锈钢材料的保护电流密度一般取300～350 mA/m2，即在该保护电流密度下，被保护的铜镍合金管材和系统内的铜合金阀件、附件可达到保护电位时单位面积所需的极化电流。取保护电流密度I1=300 mA/m2，海水电阻率ρ=25 Ω·cm。

计算得到牺牲阳极的当量长度如表1所示。为便于计算取值，牺牲阳极规格即其内径近似取管路通径值,牺牲阳极长度可根据需要选取，表1选取的长度仅作为计算数据使用。

表1 牺牲阳极当量长度计算表 cm

将当量长度S代入式(4)计算各规格牺牲阳极接水电阻，再将电阻结果代入式(3)计算发生电流，算出各规格牺牲阳极推荐安装间隔值，结果如表2所示。其中，安装间隔包括管路中阀件和附件的长度，由于阀件和附件内部形腔较为复杂，建议实际加装时阀件和附件长度按两倍长度计算。

表2 牺牲阳极安装间隔推荐值

3.4 牺牲阳极使用寿命估算

利用式(2)求得牺牲阳极使用寿命，如表3所示。在计算质量时，由于铜镍合金海水管采用松套法兰型式，牺牲阳极内径取管子内径值，外径取连接法兰密封面外径值，法兰连接及密封面按照GB 569-1965[4]标准，锌-铝-镉合金电容量Q=780 A·h/kg，铸铁电容量Q=900 A·h/kg。

表3 牺牲阳极使用寿命估算表

4 总 结

本文主要阐述了铜镍合金海水管的腐蚀原因、防腐措施及牺牲阳极加装设计的理论依据和计算方法，并参考舰船设计防腐防漏相关文件对牺牲阳极保护电位的要求，选择锌-铝-镉合金和铸铁两种材料作为牺牲阳极，进行两种牺牲材料布置间隔和使用寿命计算，供使用者选择。

本文对牺牲阳极的结构型式仅作示意，在实际使用中可根据需要进行细化设计。在计算结果中，布置间隔、使用寿命也仅起演示作用，具体加装设计时可根据实际情况对牺牲阳极的长度和具体结构进行设计，再进一步进行计算。