钢尼龙复合管在舰船海水管路系统中的应用研究

彭蛟 张黎明

摘    要：本文通过对钢-尼龙复合管进行性能分析、试验检测和实船验证，证明钢-尼龙复合管在舰船海水管路系统中应用的可行性，为解决舰船海水管路腐蚀问题提供了一种新的解决思路。

关键词：钢-尼龙复合管;舰船;海水管路

中图分类号：U664.85                              文献标识码：A

Abstract： In this paper， through the performance analysis， test and real ship verification of steel-nylon composite pipes widely used in chemical industry and petroleum industry， this paper proves the feasibility of the application of steel-nylon composite pipes in ship seawater piping system， and provides a new solution to the corrosion problem of ship seawater piping.

Key words： steel-nylon composite pipe; Ships; Seawater piping

1    前言

舰船海水管路的腐蚀问题，一直是舰船设计应用中面临的难题。近20多年来，通过应用耐腐蚀金属管材、电化学保护和金属管内壁防腐涂层等技术，海水管路腐蚀问题在一定程度上得到改善。但随着国防、海洋事业的发展和舰船使用远洋化、高频化，海水管路腐蚀问题面临严峻形势，上述抗腐蚀技术在应用成本、范围及效果等方面，都呈现出一些局限性，因此有必要探索更经济有效的海水抗腐蚀技术，为海水管路抗腐蚀设计应用提供更多的可选方案。

2    海水管路抗腐蚀技术应用现状

2.1  抗腐蚀金属管材技术

抗腐蚀金属管材技术，是通过研究应用高抗腐蚀金属管材来解决海水管路腐蚀问题的技术。在早期使用碳钢、纯铜材质的基础上，相继出现了不锈钢管、紫铜管、铜镍管、钛合金管等耐腐蚀性能好的新型金属材料。但选用耐腐蚀金属材料，必然面临经济性及工艺性的问题：金属材料耐腐蚀性越好，成本越贵、工艺性越差。耐腐蚀性最好的钛合金管，因其价格昂贵、制造工艺复杂、施工难度大等问题难以大范围应用;耐腐蚀性和工艺性均较好的铜镍管，一直以来在军船上广泛应用，但仍暴露出腐蚀穿孔问题。

2.2  电化学保护技术

电化学保护技术分为：外加电流阴极保护和牺牲阳极阴极保护两种。阴极保护是对被保护金属进行外加阴极极化，抑制金属电化学反应，从而避免腐蚀;阳极保护是将活泼金属（如锌铝等）与被保护金属进行电性连接，使活泼金属作为牺牲阳极、被保护金属成为阴极得到保护。

在实际应用中，由于电化学保护需要增加相应电化学组件，受舰船管路系统布置、安装的限制，其应用部位及效果都有相当的局限性，而且定期更换组件等会额外增加工作量，因此电化学保护技术也仅在局部应用。

2.3  抗腐蚀涂层技术

抗腐蚀涂层技术是将比母材抗腐蚀性更强的材料涂覆在管路内壁，隔绝海水与母材的直接接触从而保护管子母材的技术。根据涂覆层材料不同，分为金属涂层（如镀锌管）和非金属涂层（如涂塑管）两类。在实际应用中，不管是金属覆盖层还是非金属覆盖层，均存在涂层较薄、附着力不够、施工中易受破坏等问题。

以镀锌管和涂塑管为例：镀锌管在制作过程中，容易因管路表面清洗不净造成镀层脱落;在安装过程中也常在管子接头及现场修改部位等受力点出现镀层脱落问题;涂塑管容易因管路接头涂塑不全及涂层表面的微小缺陷造成局部腐蚀;同时由于涂塑和钢管的膨胀系数不同，在受到形变或冲击后很容易造成涂塑层成片剥离。

3    钢-尼龙复合管概况

钢-尼龙复合管是将尼龙材料热熔后浇注到鋼管内壁，形成一种外层为钢、内层为尼龙材料的复合管（见图1）。

钢-尼龙复合管通常由尼龙内衬层、钢管层、外保护层（通常为油漆层）组成：内衬材料尼龙，是一种应用广泛的工程塑料，具有高强度、高耐磨性、耐高低温（-36 ℃～160 ℃）、耐碱、弱酸、油、海水、无毒、无味、无臭等化学性能;同时还具有质轻、价廉的优点。在化工、石油行业中已应用超过20余年至今仍在正常使用。

实际应用表明，钢-尼龙复合管具有如下特点：

（1）通过离心浇注的尼龙层与钢管贴合紧密，同时尼龙层自身具有一定的厚度和强度，不易剥离、破坏和渗透，能有效隔离流体介质，从根本上避免钢管腐蚀;

（2）尼龙材料价廉、质轻，与普通钢管复合成的钢-尼龙复合管，具有较好的经济性;

（3）尼龙层具有一定厚度和强度，在满足同等通径和力学性能要求的情况下可以适当减薄钢管厚度，从而达到一定的减重效果;

（4）尼龙层内壁光滑流体阻力小，具有较好的防污、耐磨性能，可减小管路系统压力损失。

4   钢-尼龙复合管舰船上应用可行性试验验证

4.1  技术性能指标测定

为进一步检测钢-尼龙复合管的舰用可行性，以20号钢和增强MC尼龙制作钢-尼龙复合管样件。并参照舰船使用要求及相关行业规范，开展了复合管压扁试验、冲击试验、水压爆破试验、真空剥离试验和液体吸收性、摩擦系数、毒性、耐火性、燃烧烟气无毒检测等试验检测工作，各项指标均满足舰船使用要求。

（1）力学性能

钢-尼龙复合管压扁试验、冲击试验等合格：

① 冲击试验：锤重2.5 kg、高度2 m，试样无断裂和龟裂;进行2.5倍公称压力液压试验、持续1 h，管子无分层和渗漏;

② 外部负荷试验：跨距6 m、负荷100 kg、持续5min，无破裂损坏;环刚度（平行板外载性能）实际测量值为30.5 kN/m2（DN50）、8.69 kN/m2（DN250）、7.66 kN/m2（DN700）;邵氏硬度为81.4;

③ 水压爆破及液压强度试验：水压爆破压力大于4MPa;液壓强度试验加压至公称压力1.5倍、稳定压力15 min，管子不破裂、不渗漏、不变形;采用管材、90°弯头和三通组合进行短期液压（4.1 MPa、3 min）爆破试验（内压试验），无破裂、无渗漏。

（2）液体吸收性

经第三方机构检测，钢-尼龙复合管液体吸收性能为0.75%<0.9%，满足要求。

（3）摩擦系数

经第三方机构检测，增强MC尼龙内壁摩擦系数小于0.3，满足GB/T3960要求。

（4）热变形温度

经第三方机构检测，增强MC尼龙热变形温度80.1℃>80 ℃，满足海水管路使用要求。

（5）毒性

钢-尼龙材料无毒性、无二次污染，经广东省疾病预防控制中心检验，符合生活饮用水卫生标准。

（6）抗老化性

经第三方机构检测，在150 ℃条件下加热60 min后，实际热变形温度变化为1.9 ℃<5 ℃，符合GB/T1634等标准要求。

（7）抗疲劳性

委托第三方机构开展循环压力冲击试验，在23℃±2 ℃条件下，在1.0 MPa～1.5 MPa间每1min交替变化至少30次、持续10 000次后，热变形温度变化为4 ℃<5 ℃，符合GB/T1634、ISO 10508等标准要求。

（8）耐火性

经第三方机构检测，钢-尼龙复合管中的尼龙层具有高阻燃性，其阻燃性能为V-2级。

（9）燃烧烟气无毒

增强MC尼龙管（DN50）试样按照IMO 2010 FTP规则进行材料烟密度和毒气试验，结果表明符合IMO 2010 FTP规则有关塑料管材料烟气及其毒性试验要求。

（10）不易剥离性

按ASTM D2924-2012要求，对试样管抽真空≤50kPa、维持10 min，试样管内衬层无剥离无脱落，符合ASTM D2924-2012要求。

（11）抗振动冲击性

钢-尼龙复合管外层为钢、内层为增强MC尼龙，两层材料紧密嵌合在一起。由于钢管层本身的抗冲击性能是满足舰船抗冲击性要求的，故钢-尼龙复合管的抗冲击性能必然也满足舰船抗冲击性能要求。

（12）无石棉检测

对己内酰胺、氢氧化钠、玻璃纤维等原材料进行石棉含量检测，结果表明试样中温石棉、铁石棉、青石棉、直闪石、透闪石、阳起石等均为阴性。

（13）模拟火损试验

取一根钢-尼龙复合管（规格：218.5*1 001 mm、钢质层4 mm、尼龙厚度6 mm）内部充满水，采用液化石油气炉直烧，火焰温度550 ℃～664 ℃、局部燃烧10 min，内衬尼龙局部鼓包但无破损，用1.5 MPa水压进行强度及密性试验、稳压10 min，未见渗漏。

4.2  维修性试验

为验证钢-尼龙复合管的维修性，进行了模拟破损修复试验：

（1）取一根钢-尼龙复合管（规格：218.5*1001 mm、钢质层4 mm、尼龙厚度6 mm）用手电钻头（直径12 mm）钻穿钢管及内衬层，采用尼龙热熔焊接修补。修补后用1.5 MPa水压进行强度及密性试验、稳压10min，未见渗漏;

（2）取一根钢-尼龙复合管（规格：325*1002.5 mm、钢质层6 mm、尼龙厚度6 mm）用砂轮机进行切割，割穿钢管及内衬层，采用电焊焊接修补钢质层。修补后用1.5 MPa水压进行强度及密性试验、稳压10 min，未见渗漏。

采用上述临时修补措施，无论是热熔修补尼龙层还是直接电焊修复钢质层，均能满足临时修复需要，具有较好的维修性。

4.3  实船安装试验

由于舰船管路及附件的形状、规格与布置安装环境均较化工、石油行业复杂，为验证钢-尼龙复合管的制作、安装工艺，制作了不同规格的钢-尼龙复合管段及通舱管接头等样件（见图2），在一艘半潜船上进行实船验证。其中，在管隧部位用2根钢-尼龙复合管代替原有的2根镀锌钢管应用于海水消防系统;在机舱用1根钢-尼龙复合管管段代替原有的1根B10铜镍管用于主机海水冷却系统;随后又在3艘护卫舰上使用钢-尼龙复合管通舱件和内层为尼龙材料的海水滤器等。

经过两年多的实船试用证明，这些管路及附件使用情况良好，管路、滤器内表面光滑如新，管路接口处未见渗漏，也未有腐蚀现象。

5   钢-尼龙复合管舰船应用范围

根据钢-尼龙复合管的制作工艺，其管径范围为50 mm～2 000 mm。管件种类包括：直管、弯头、等径三通、异径三通、等径四通、异径四通、异径管等。

以某远海救助拖船海水管路系统为例，经统计分析：钢-尼龙复合管在该船海水管路系统中应用比例超过85%;应用的系统包括压载水管路、海水冷却管路、生活污水管路、消防水管路、舱底排水管路等。

6    钢-尼龙复合管经济效益分析

（1）重量：同等规格的钢-尼龙复合管和铜镍管相比，重量较轻，对舰船减重有一定的效果;

（2）采购价格：由于尼龙和钢管材料成本低廉，钢-尼龙复合管的采购价格远低于进口铜镍管（超过10万元/t）;

（3）全寿命周期维护费用：钢-尼龙复合管耐腐蚀性能优于铜镍管等金属管，其使用寿命有望达到与舰船相同，能较好地解决舰船管路腐蚀问题，提高舰船装备的可靠性水平，大大降低全寿命周期维护费用。

7   结论

钢-尼龙复合管是一种在化工、石油行业成功应用多年的高抗腐蚀管路，经试验验证，它具备了在舰船海水管路系统中应用的可行性。可广泛应用于压载水管路、海水冷却管路、生活污水管路、消防水管路、舱底排水管路等管路系统中。相比铜镍管等耐腐蚀金属管，钢-尼龙复合管具有更好的耐腐蚀性、经济性和减重效果。