船舶海水管系腐蝕的原因及其防護(hù) 2

1、船舶海水管系腐蝕的原因及其防護(hù)張敏麗（中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司 遼寧大連 116113）摘 要：文章主要探討了船舶海水管系腐蝕的機(jī)理和原因，針對海水管系腐蝕特點(diǎn)，提出了海水管系選材和工藝要求，以及海水管系的防腐對策。關(guān)鍵詞：艦船海水管系材料防腐蝕技術(shù)眾所周知，海水是含鹽濃度非常高的電解質(zhì)溶液，是一種腐蝕性較強(qiáng)的天然腐蝕劑。船舶終年漂泊于海上，受到海水的腐蝕是無法避免的。艦船海水管系是艦船推進(jìn)保障系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)組保障系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)的重要組成部分，其用途廣泛，擔(dān)任著冷卻主輔機(jī)、消防、壓載、清洗等任務(wù)，對于保證艦船動力裝置、輔助機(jī)械和設(shè)備的正常工作具有重要的作用。大多數(shù)海水管系處于潮濕、高溫的惡劣環(huán)境中，

2、安裝布置空間狹小，維修保養(yǎng)困難。管系使用的管材多為金屬，其必然面臨腐蝕問題。在船舶上, 管系的腐蝕和由腐蝕而帶來的設(shè)備損壞輕者造成生活不便, 重者影響艦船的在航率, 甚至影響到艦船的人員和整艦的安全。一項(xiàng)由英國海洋工程營運(yùn)公司所作的失效分析表明: 在所有設(shè)施失效的例子中, 33% 是由腐蝕造成的。一直以來船舶的設(shè)計(jì)和建造各方不懈地研究并采用各種方式方法減輕或避免腐蝕, 取得了一定的成果。1 海水管系的腐蝕機(jī)理分析通過多年來對船舶的海水管系主要是冷卻海水管系的觀察，筆者發(fā)現(xiàn)海水管系經(jīng)常在以下幾個(gè)位置出現(xiàn)腐蝕問題管系的拐角處、海底門處、泵的出口處、低溫水冷卻器海水管出口處。剛開始的時(shí)候出現(xiàn)滴水現(xiàn)象

3、，然后隨著壓力的變化、泄露口開始變大，如果沒能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將導(dǎo)致嚴(yán)重后果。天然海水含有大量的可溶性鹽，其主要成分(見表1)是氯化鈉和硫酸鹽及一定量的可溶性碳酸鹽，其中氯離子約占55%。海水的高含鹽量、含砂量，通常溶解有空氣，使得海水對金屬具有強(qiáng)腐蝕性。海水中的海生物會增加海水中的含氧量，還會釋放CO2等氣體，從而使周圍海水酸化，兩者都將導(dǎo)致海水管系腐蝕速度加快。此外，影響腐蝕速度的還有海水的pH值。表1海水中主要鹽的含量由于海水溫度、溶氧量、海水流速及海洋生物等諸多因素的變化對海水腐蝕都會產(chǎn)生交互影響，其腐蝕機(jī)理也較單一的腐蝕介質(zhì)（如鹽水等）引起的腐蝕復(fù)雜得多。實(shí)際海水管路的腐蝕形式多樣,以下是

4、海水管系常見的腐蝕形式及其產(chǎn)生機(jī)理：1）接觸腐蝕。兩種不同金屬在導(dǎo)電介質(zhì)如海水電解質(zhì)中直接接觸時(shí)形成的宏觀電池腐蝕，或金屬本身的不均勻性，產(chǎn)生無數(shù)個(gè)微電池，在微電池中的陽極區(qū)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。2）沖擊腐蝕。指金屬表面受到電化學(xué)腐蝕，同時(shí)還受到流體沖擊作用而遭到破壞的腐蝕現(xiàn)象。3）應(yīng)力腐蝕。金屬在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下的破壞。是一種危險(xiǎn)的腐蝕形態(tài)，裂縫形態(tài)有沿晶界發(fā)展和穿晶破裂或其混合型。4）空泡腐蝕。指流體高速流動，產(chǎn)生紊流，在物體內(nèi)負(fù)壓區(qū)產(chǎn)生的氣泡受到壓縮，并在高的內(nèi)壓下破裂，對周圍金屬產(chǎn)生連續(xù)激烈的錘擊，并與其它腐蝕共同作用導(dǎo)致管路損壞，即以空泡的機(jī)械破壞為主，其它腐蝕為輔的綜合腐蝕類型

5、。此外還有晶界腐蝕、選擇腐蝕、氫腐蝕、脫層腐蝕等。2 海水管系的腐蝕因素腐蝕是金屬的內(nèi)外表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，有時(shí)還包括機(jī)械、物理和生物的作用而使金屬遭受破壞。從熱力學(xué)觀點(diǎn)，除少數(shù)貴金屬外各種金屬均存在與周圍介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而生成離子的傾向，即金屬腐蝕是自然趨勢，這種現(xiàn)象是普遍存在的。影響的主要因素有設(shè)計(jì)、工藝、環(huán)境和使用等。2.1 管系材質(zhì)管系材質(zhì)的耐蝕性是影響海水管系腐蝕破壞的主要因素，是管系的固有特性，因海水管道材料大都與輸送介質(zhì)直接接觸。常用的海水管路材料耐蝕性能遞增順序?yàn)椋轰?、鍍鋅鋼、鋁黃銅、銅鎳合金、70-30銅鎳合金。不同的材質(zhì)在靜水中的腐蝕速度如表2所示：表2 在靜止水中金屬

6、的全面腐蝕速度(單位:微米/年)2.2 腐蝕環(huán)境船舶海水管系在使用期間，遭受流動海水的沖刷作用。在關(guān)閉期間遭受海水浸蝕或潮濕海洋大氣的作用。經(jīng)常停泊于淡水港內(nèi)或河口港內(nèi)的船舶管系，由于易遭有機(jī)物質(zhì)的沉積和受污染的海水或者河水的作用，不僅遭受沉積腐蝕的可能性增加，還可能導(dǎo)致硫酸鹽還原菌腐蝕，加速管系的破損。南?；蚋澳虾Ｊ褂幂^長時(shí)間的艦船，其管系腐蝕發(fā)生的時(shí)間早，問題也嚴(yán)重，這是因南海的海水和大氣溫度高,且氣候交變。隨著海水溫度上升，海水中氧的溶解度降低，導(dǎo)電率增加，金屬的穩(wěn)定電位向負(fù)方向移動，導(dǎo)致金屬的腐蝕電流增加，腐蝕速度加快。2.3 海水流速管系使用時(shí)，海水在管內(nèi)是流動的，流速越高，越容易發(fā)

7、生紊流，尤其是含鹽量及含砂量高的海水，會加劇管系的磨蝕和腐蝕：其一對鋼管內(nèi)壁形成較大的沖刷作用力，會沖刷掉金屬表面的各種保護(hù)膜；其二使空氣中的氧擴(kuò)散到金屬表面的流速加快，使管壁處的氧供應(yīng)量得到充分保證，因而氧的去極化作用一直處于高峰狀態(tài)，加劇了電化學(xué)腐蝕；其三流速超過一定極限后，與海水接觸的管系表面不斷地有空氣泡或蒸汽泡形成和破滅，其沖擊壓力很大，形成氣蝕，加劇電化學(xué)腐蝕?？傊?，海水流速越大，管路腐蝕也就越嚴(yán)重，腐蝕速度與靜止?fàn)顟B(tài)相比，是顯著增加。常用金屬各種速度下空泡腐蝕程度如表3 所示。當(dāng)流速達(dá)到或超過一定范圍時(shí), 沖擊和空泡腐蝕將加劇。表3各種金屬在不同流速下最大可能腐蝕速度(um/年)

8、注: 空白處表示缺乏分析資料。2.4 氣蝕船舶海水管系由于海水的擴(kuò)散、旋渦、流道過窄及振動，在流體中形成低壓區(qū)，在金屬管壁與海水的界面上，由于無數(shù)氣泡的不斷破裂使管壁產(chǎn)生機(jī)械損傷而形成氣蝕，由于氣蝕的存在，管壁產(chǎn)生了馬蜂窩狀的麻孔。2.5 管系結(jié)構(gòu)及布置管道構(gòu)型是影響海水管道腐蝕行為的重要因素。流體容易紊亂的地方最易發(fā)生沖擊腐蝕，如分流處、匯流處、彎管處、管徑變化處等。在同樣海水流速下，直管部分可能僅遭受全面均勻腐蝕。而在上述地方可能發(fā)生明顯的馬蹄形蝕坑或管壁明顯變薄。海水流到這些地方，容易發(fā)生紊亂，對管材內(nèi)壁造成較大的沖擊，使得管子連接處出現(xiàn)不太規(guī)則形狀的凹坑或管壁變薄的現(xiàn)象，這些部位容易出

9、現(xiàn)局部腐蝕。在彎頭處，除通常的水流、沙石沖擊外，還存在“空泡”引起的腐蝕。含沙百分之一的海水以每秒米的流速連續(xù)沖刷涂敷彎頭，六個(gè)月后即可磨光100微米的敷層。船舶海水管道的連接方式嚴(yán)重影響海水管道的腐蝕。管子連接之間的縫隙處易因縫隙腐蝕而破損，管子連接處的下段易形成湍流而破損。異金屬接觸也影響海水管道腐蝕。如純銅管與裝有銅鎳合金管子的冷凝器連接時(shí)，都會加速管道腐蝕。管子一般采用法蘭連接，焊接處焊縫要做特殊處理，否則會加重腐蝕，異金屬接觸也影響海水管道的腐蝕。2.6 海生物的影響海生物的影響腐敗的原因：一是使水層中含氧量增加；二是海生物活動中放出CO2或殘余的海生物分解出H2S，從而使周圍海水酸

10、化，二者都導(dǎo)致海水管系腐蝕速度增加。海水溫度上升又使海水中微生物增多，進(jìn)一步加速了管系的腐蝕。不同的金屬和合金在海水中被海生物污染的程度是不同的，銅及其合金被海水物污染的速度就比鋼被海生物污染的速度要小得多。2.7 管系的維護(hù)保養(yǎng)管系的腐蝕問題與船員的維護(hù)保養(yǎng)密切相關(guān)，船員較差的維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)是影響腐蝕的重要因素，在海水管路腐蝕初期，不采取任何防腐措施放任管路腐蝕，將造成腐蝕嚴(yán)重。3 防止措施海水管系管材腐蝕的防護(hù)是個(gè)非常復(fù)雜的問題，從影響船舶海水管道腐蝕原因中可以看出，船舶海水管道的腐蝕，是諸多因素疊加的結(jié)果，消除一個(gè)腐蝕原因，只能部分地改善管道的腐蝕，不能完全解決管道的腐蝕問題。所以，海水管

11、系的防腐防污是個(gè)綜合性的問題，大致要綜合考慮以下幾項(xiàng)內(nèi)容。3.1 合理選材選用海水管道材料時(shí)，應(yīng)首先注意到各種管材的最大允許流速值，如表4所示。對于受流動海水作用較少的管道來說，最大允許流速可以適當(dāng)提高，純銅可以為1.5m/s。90-10銅鎳合金和鍍鋅鋼可為4m/s。對于受流動海水作用時(shí)間少于500小時(shí)的管道來說，通常沒有最大允許流速的規(guī)定。表4 各管材的最大允許流速管材材質(zhì)允許最大流速 m/sec前蘇聯(lián)推薦法國推薦鋼1.0-鍍鋅鋼3.0-純鋼1.21.0鋁黃鋼-3.0加鐵95-5銅鎳合金-1.5加鐵95-30銅鎳合金-4.0加鐵95-10銅鎳合金-3.0以B10 鎳銅為例,英國艦船輪機(jī)規(guī)范提

12、出了最大流速的限制值(見表5)。B10 鎳銅管應(yīng)注意以下幾點(diǎn):(1) 選用B10 鎳銅管作為海水管系材料,應(yīng)按現(xiàn)行國際通用的規(guī)格系列進(jìn)行選擇,盡量避免系列外規(guī)格。(2) 應(yīng)控制B10 鎳銅管的流速,尤其應(yīng)考慮帶泥砂等雜質(zhì)的海水和過濾管系的影響。(3)B10 鎳銅管與配件宜采用手工氬弧焊對接連接。(4) 為了使B10 鎳銅管在海水中能形成完整的保護(hù)片腐蝕產(chǎn)物膜,確保B10 鎳銅管的預(yù)期使用壽命,B10 鎳銅管與配件在對接焊前,一定要清除管端的油污,一則保證焊接質(zhì)量,二則避免管內(nèi)局部碳膜的形成。(5)B10 鎳銅管道系統(tǒng)在首次接觸海水后,應(yīng)讓海水經(jīng)常不定期流動(在清潔海水中,以大于1 m/ s的流

13、速在管內(nèi)流動一個(gè)星期或30 天) ,防止因沉積而引起局部保護(hù)膜的破壞,導(dǎo)致點(diǎn)蝕發(fā)生,以在B10鎳銅管內(nèi)表上形成完整的保護(hù)膜。表5 B10 鎳銅管允許設(shè)計(jì)最大流速值上述所說最大允許流速系指正常水流的穩(wěn)流狀態(tài)下的流速，當(dāng)水流特別平穩(wěn)時(shí)可提高30%，當(dāng)水流特別紊亂時(shí)，應(yīng)降低3%。3.2 合理設(shè)計(jì)盡可能采用直管系和標(biāo)準(zhǔn)化的管子構(gòu)件，少用套管方式連接，禁止使用卷邊的法蘭連接。(1) 每一條管道線路都應(yīng)沿著最短路線通過,盡量少用彎管,彎管半徑應(yīng)統(tǒng)一,彎管段間的直管段長度應(yīng)不小于1. 52 倍的管徑。(2) 盡量減少管路沿線的接頭數(shù)量,特別是可拆接頭數(shù)量。(3) 當(dāng)海水流動方向發(fā)生變化時(shí),盡量避免急轉(zhuǎn)。允許

14、在主管道上安裝90°支管,在其它情況下,應(yīng)考慮海水流動的方向,宜采用Y形三通。(4) 應(yīng)盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)異型管配件,嚴(yán)禁現(xiàn)場粗制濫造管配件。盡量減少異種金屬管子構(gòu)件的組合，不可避免時(shí)應(yīng)采取金屬電絕緣或使用犧牲陽極保護(hù)等措施以防止接觸腐蝕。3.3 涂層保護(hù)金屬表面噴、涂、襯、滲、鍍上一層耐蝕性好的金屬或非金屬, 以及將金屬磷化、氧化處理, 使被保護(hù)金屬表面與介質(zhì)機(jī)械隔離降低金屬腐蝕。傳統(tǒng)的辦法有熱浸鋅等, 現(xiàn)在也有的用涂塑方法的, 效果還好, 只是涂塑后的無縫鋼管使用中要注意防止涂層損壞, 涂層一旦局部損壞將導(dǎo)致管路大面積腐蝕; 而且產(chǎn)品在加工過程中一定要嚴(yán)保質(zhì)量, 防止局部裸露形成腐蝕

15、。此法已在幾型船上使用過, 也發(fā)現(xiàn)了一些問題, 主要是因?yàn)橛械墓艿肋^于復(fù)雜, 涂塑過程中未加以剔除, 導(dǎo)致涂塑質(zhì)量不過關(guān); 有的是涂塑前焊縫未處理好, 局部有焊渣、飛濺物等, 使涂塑產(chǎn)品出現(xiàn)缺陷; 還有的是涂塑產(chǎn)品裝船后, 又動火但又沒補(bǔ)塑。3.4 電化學(xué)保護(hù)常見的有陰極保護(hù)和陽極保護(hù)，船舶海水管路更多的是采用前者，即采用外加電流陰極保護(hù)，將被保護(hù)件管路本身接至電源陰極，通以陰極電流，陽極為一個(gè)不溶性的輔助件。在陰極電流極化作用下，被保護(hù)件處于自身的電化學(xué)不均勻所致的原電池腐蝕和外加陰極電流的綜合作用下，陰極極化電位降到和陽極電位一樣，陽極電流為零，陽極反應(yīng)停止，電化學(xué)腐蝕也就停止。同時(shí)管壁產(chǎn)

16、生部分氣泡，這與管系中的氣泡方向相反，相互抵消，使氣蝕及空泡剝蝕大大減輕。根據(jù)提供電流的方式，也可采用犧牲陽極法。3.5 電絕緣隔離主要使用在異種金屬發(fā)生連接的場合, 該狀況下易發(fā)生電腐蝕。船上海水管路的管材最好統(tǒng)一, 但實(shí)際中很難做到, 如管路和設(shè)備之間, 緊固件和管路之間往往存在異種金屬連接的現(xiàn)象, 電絕緣隔離主要使用在這種場合。通常的措施是在兩構(gòu)件之間或構(gòu)件與緊固件之間裝上不透性塑料制作的填料墊圈和襯套, 有時(shí)也使用油漆。3.6 維護(hù)保養(yǎng)措施在船舶運(yùn)行過程中，嫻熟的高技術(shù)船員的正確維護(hù)保養(yǎng)也可大幅降低海水管路的腐蝕問題。在維修過程中，換新管子時(shí)避免使用與原材料不同的管子，并且在安裝之前對

17、新管子進(jìn)行防腐處理，可以采用刷防銹漆、鍍鋅和刮膠等方式。4 結(jié)束語船舶海水管系中，腐蝕問題一直是一個(gè)不可能完全解決的問題!這里有客觀和主觀各方面的原因，一方面船舶的造價(jià)和經(jīng)濟(jì)性決定了我們不可能整船(包括設(shè)備和管系)都采用鈦之類的耐腐蝕金屬或合金；另一方面是設(shè)計(jì)和建造中的全系統(tǒng)統(tǒng)籌考慮問題。比如你可能考慮了電池腐蝕，忽略了電解腐蝕；設(shè)計(jì)中考慮到了但施工過程中也可能存在施工不到位，使設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)思想不能完全體現(xiàn)。防腐蝕要從原理著手，必須清楚目前的管系腐蝕情況及腐蝕原因，要從設(shè)計(jì)過程、施工安裝過程、海水流速、經(jīng)常航行的海域海況及維護(hù)保護(hù)等多方面考慮海水腐蝕的綜合預(yù)防。只要做到了這些，船舶的腐蝕就會大大降低，才能保證船舶的正常使用甚至延長壽命。近年來隨著高性能抗腐蝕材料的廣泛應(yīng)用，以及對腐蝕問題研究的深入，船舶海水管系的腐蝕問題得到了較好地解決。相信隨著技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)計(jì)