船舶海水管路腐蝕及監(jiān)測技術(shù)發(fā)展綜述

張 挺，楊 鋒，羅寧昭，隋 波

(1. 海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430033；2. 海軍駐大連地區(qū)軍事代表室，遼寧 大連 116021)

0 引 言

海水管路是船舶推進(jìn)保障系統(tǒng)、動力保障系統(tǒng)和相關(guān)配套系統(tǒng)中不可或缺的部分[1]。通常情況下，海水管路處于高鹽、高濕并伴隨高溫的惡劣環(huán)境中[2]，腐蝕都如影隨形地制約著海水管路的功效發(fā)揮，同時(shí)也成為船舶多系統(tǒng)不可忽視的隱患。因此，厘清海水中的金屬腐蝕機(jī)理及其影響因素，對于探索合理的海水管路腐蝕控制策略，精準(zhǔn)監(jiān)測船舶海水管路腐蝕部位，并以此來指導(dǎo)船舶管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工、檢測，減緩金屬在海水中的腐蝕速率，延長船舶海水管路系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備運(yùn)行的壽命，增加船舶服役時(shí)間，降低船舶的維護(hù)保養(yǎng)成本，已成為國內(nèi)外學(xué)者共同關(guān)心的課題。

1 海水管路腐蝕原因及現(xiàn)狀

腐蝕是指金屬與附近介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而使金屬損壞的現(xiàn)象[3]。從熱力學(xué)觀點(diǎn)看，除少數(shù)貴金屬外，大部分金屬都存在與附近介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成離子的可能性，也就是說，金屬腐蝕是自然趨勢，即這種現(xiàn)象是普遍存在的。

造成海水管路腐蝕的原因[4-7]有多個(gè)方面，主要有接觸腐蝕、晶間腐蝕、雜散電流腐蝕、沖擊腐蝕（沖蝕）、空泡腐蝕、應(yīng)力腐蝕、縫隙腐蝕、生物腐蝕?？偟膩碚f，可以歸納為傳統(tǒng)意義上的電偶腐蝕和由雜散電流引起的雜散電流腐蝕。

文獻(xiàn)[8]表明，僅有一小部分的海水管路腐蝕破損發(fā)生在直管部分，剩下的絕大部分都發(fā)生在“易腐蝕”部位（如管路的分流及匯流處、變徑管附近等），這些部位極易產(chǎn)生紊流，也是腐蝕所“青睞”的地方。

2 海水管路腐蝕的重要因素

2.1 管路材質(zhì)

管路材料在海水中的耐腐蝕性取決于其自身的化學(xué)組分、材料表面物理及化學(xué)特性、工藝流程等。船舶制造行業(yè)所用的海水管路材料大多數(shù)為鍍鋅鋼、紫銅、銅鎳合金，鈦及鈦合金等也占據(jù)一定比例。文獻(xiàn)[1, 5, 9]列舉了部分金屬材料在靜止海水及淡水中的腐蝕速率（見表1）。

表 1 金屬材料在靜止海水及淡水中的腐蝕速率（ μm·a-1）Tab. 1 Corrosion rate of metallic materials in still seawater andfreshwater（μm·a-1）

長期以來，船舶海水管路大量應(yīng)用紫銅材料，主要是因?yàn)樽香~材料對海水的耐腐蝕性比較好。然而，紫銅材料也存在一定的局限性（強(qiáng)度不高、韌性不足、耐沖蝕性較弱等）。紫銅材料對海水流速比較敏感，由于焊料含有鋅的成分，所以在焊接時(shí)極易發(fā)生脫鋅腐蝕，導(dǎo)致船舶管路中的彎頭、接頭普遍出現(xiàn)爛穿的現(xiàn)象。隨著管路材料的升級換代，紫銅材料已逐漸被銅鎳合金（B10，B30）等代替，但文獻(xiàn)[10]和實(shí)船應(yīng)用表明，采用B10 銅鎳合金的海水管路也大面積出現(xiàn)腐蝕情況，亟待開展相關(guān)腐蝕研究。

2.2 海水流速

船舶動力系統(tǒng)管路在設(shè)計(jì)期間必須要考慮海水流速的影響，因?yàn)楹Ｋ畷ㄟ^沖蝕和氣蝕對管路產(chǎn)生影響[1-2,5-6]。值得關(guān)注的是，海水裹挾著泥沙時(shí)，固體雜質(zhì)和海水兩相疊加的沖蝕效應(yīng)使管路表面氧化膜的機(jī)械應(yīng)力變化加劇，管路表面的氧化膜就會因沖蝕而脫落，進(jìn)而直接暴露在腐蝕性環(huán)境中。同時(shí)，溶解氧的濃度會因海水流動進(jìn)一步增強(qiáng)，氧分子聚集在管路表面從而促進(jìn)去極化效應(yīng)，使得管路的腐蝕加快。沖蝕效應(yīng)與固體雜質(zhì)的含量呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，同時(shí)也與海水粘性、管路材料的物理參數(shù)等因素有關(guān)。碳鋼的腐蝕速率與海水流速之間的關(guān)系[6]如表2 所示，管路材料的限制流速[5-6]如表3 所示。

表 2 碳鋼的腐蝕速率與海水流速之間的關(guān)系Tab. 2 Relationship between corrosion rate of carbon steel andsea-water velocity

表 3 管路材料的限制流速Tab. 3 The maximum limits for velocity of flow among pipelinematerials

氣蝕又稱空泡腐蝕，海水在管路流動過程中因各種物理因素形成低壓區(qū)，管路與海水的交界面上會因氣泡的產(chǎn)生和隨后的破裂而帶來腐蝕的效應(yīng)。一方面，氣泡在破裂過程中會緩慢侵蝕管路表面的氧化膜。另一方面，管路由于氣泡破裂產(chǎn)生的機(jī)械波而承受瞬時(shí)疲勞載荷，這同樣也會影響到管路材料的物理性能。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

降低或延緩腐蝕離不開縝密嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。針對海水管路，不規(guī)范的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如管路橫截面的突然變化等）都會引起管路沖蝕效應(yīng)的加劇[1-2,5-6,9]，管路上的瑕疵（如凸起、凹陷、縫隙）在一定流速的海水作用下會產(chǎn)生紊流，惡化管路內(nèi)流場，使沖蝕效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)。

管路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮到焊接工藝對管路耐腐蝕性能的影響。焊縫按照部位一般可以劃分為母材區(qū)，焊縫區(qū)，熱影響區(qū)3 部分。焊接會帶來不小的機(jī)械應(yīng)力，增加了應(yīng)力腐蝕的可能性；焊縫區(qū)坑坑洼洼的表面容易產(chǎn)生紊流，造成管路局部氯離子濃度增大，進(jìn)一步促進(jìn)縫隙腐蝕；熱影響區(qū)會使管路材料化學(xué)成分、組織不均勻，這主要是由焊接時(shí)管路瞬時(shí)吸收大量熱量造成的，這一區(qū)域往往會出現(xiàn)晶間腐蝕。

2.4 環(huán)境條件

船舶海水管路腐蝕還受到周圍環(huán)境條件（如溫度、鹽度、溶解氧濃度、海水pH 值等）的影響和制約[1-2,6-7]。其中，氯離子和溶解氧是造成海水管路腐蝕的主要方面。海水中的金屬腐蝕是多個(gè)因素相互交織作用的結(jié)果：溶解氧促使管路表面氧化膜的生成；氯離子則促進(jìn)管路表面氧化膜的分解。

通常情況下，金屬在液體介質(zhì)中的腐蝕速率與溫度呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。然而，在研究管路腐蝕的時(shí)候還要將溶解氧和海洋微生物的影響考慮進(jìn)來。海水中溶解氧含量隨溫度升高而降低，而導(dǎo)電率卻增大了，金屬的穩(wěn)定電勢逐漸脫離正方向，引起腐蝕電流進(jìn)一步增大，管路腐蝕加劇。同樣地，在一般情況下，海水溫度上升會誘發(fā)海洋微生物數(shù)量的增加，這樣也會加快管路腐蝕。

3 船舶海水管路腐蝕防護(hù)方法

海水管路腐蝕的防護(hù)是一項(xiàng)復(fù)雜的工程。綜合前面對海水管路腐蝕的分析，不難發(fā)現(xiàn)，多重因素造成管路腐蝕，而削弱某一方面僅僅能有限地改善管路腐蝕狀況而無法從根本上治理腐蝕。因此，海水管路的腐蝕防護(hù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程?？偟膩碚f，可以從幾個(gè)方面著手防腐。

3.1 合理選材

管路選材，應(yīng)考慮輸送介質(zhì)流速的要求、腐蝕性的不同、安裝位置的不同等因素。

從流速角度考慮，應(yīng)根據(jù)不同系統(tǒng)對不同流速的要求選用相應(yīng)的管材，要關(guān)注不同管材的最高限制流速。某些管材對海水流動并不敏感，可以視情況提高海水流速，例如90-10 銅鎳合金管材及鍍鋅鋼管材可以達(dá)到4 m/s[1,9]。

3.2 合理設(shè)計(jì)

在管路設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡可能避免由于設(shè)計(jì)和布置導(dǎo)致腐蝕發(fā)生的因素，最好采用直管和標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，盡量減少采用套管方式連接[1,5,9]?？偟膩碚f，以下幾個(gè)方面需要格外注意：

1）管路設(shè)計(jì)宜取最小路徑，盡可能避免使用彎管。如果非要使用彎管，那么彎管的外徑最好保持一致。彎管段之間使用直管段延伸，其延伸長度應(yīng)確保大于1.5～2 倍的管徑[1,5]，以緩解海水對彎頭處的沖擊。

2）控制管路接頭數(shù)量，尤其是可重復(fù)拆卸接頭，盡可能減輕對流動海水的擾動，將管路腐蝕程度降到最低。

3）規(guī)避不同材質(zhì)管路構(gòu)件的聯(lián)結(jié)，如果遇到特殊情況，則應(yīng)補(bǔ)充配套工藝（如增加電絕緣隔離或應(yīng)用犧牲陽極保護(hù)）來遲滯接觸腐蝕。

3.3 表面涂層保護(hù)技術(shù)

管路腐蝕的防護(hù)有一個(gè)分支便是表面涂層保護(hù)技術(shù)[1-2,6]。涂層承擔(dān)著過濾離子的作用，憑借其較高的阻抗特性，可以使電子在陰、陽極之間的轉(zhuǎn)移被遲滯。此外，涂層可以有效減緩氧分子的侵入，使金屬腐蝕延緩。目前，表面涂層和改性技術(shù)的工藝主要是在管路材料表面涂覆上耐腐蝕的金屬，同時(shí)對管路材料作磷化、氧化處理，確保管路材料表面與海水介質(zhì)物理隔離以削弱金屬腐蝕。目前，鋼質(zhì)材料普遍采用鍍鋅、滲鋅作為管路表面防腐的手段[2]。

從安裝位置角度考慮，船內(nèi)某些地方更換備用管材十分不便，也可以考慮使用內(nèi)壁涂塑的無縫鋼管，但不建議使用不銹鋼管，因?yàn)椴讳P鋼管容易發(fā)生點(diǎn)蝕。所謂涂塑，就是按照特定的工藝流程，使用特殊的輔助設(shè)備將某種防腐蝕有機(jī)材料以粉末的形式均勻地熔接在管路內(nèi)壁，再歷經(jīng)配套工藝處理后，這樣管路的內(nèi)壁就構(gòu)筑了1 層光滑的保護(hù)層。這種涂層將管材金屬與海水介質(zhì)隔離，能夠充分地保護(hù)管路，進(jìn)一步延長其服役時(shí)間。

需要指出的是，管路涂塑工藝也存在一定的局限性：一是環(huán)境溫度不能過高（一般不得超過70 ℃）[2]；二是涂層完好性較差，如果局部出現(xiàn)破損將造成大范圍的管路腐蝕，涂層的防護(hù)能力將大打折扣，這就要求必須以更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓に嚇?biāo)準(zhǔn)執(zhí)行涂層的涂覆及管路的安裝調(diào)試。

3.4 電化學(xué)保護(hù)

外加電流陰極保護(hù)法、犧牲陽極保護(hù)法這2 種方法是目前普遍應(yīng)用的電化學(xué)保護(hù)方法[1,2,6]。但是，在船舶海水管路系統(tǒng)中主要是采用外加電流陰極保護(hù)法。也就是，將電源陰極與被保護(hù)管路本體相連接并通電，陽極作為回路的一部分具有不溶的特性。被保護(hù)管路本體在電偶腐蝕電流及外加陰極電流的共同作用下，陰、陽極電位保持一致，陽極反應(yīng)因電流減小到零而消失，電偶腐蝕中止。此時(shí)，管路外壁產(chǎn)生與管路內(nèi)部氣泡方向相反的氣泡，二者起到相互制衡的作用，這樣就極大地降低了氣蝕、空泡腐蝕的影響。犧牲陽極保護(hù)法雖也有應(yīng)用，但應(yīng)用較少。相對于犧牲陽極保護(hù)法，外加電流陰極保護(hù)法的優(yōu)勢更加明顯（陽極設(shè)置數(shù)量較少、性能穩(wěn)定可靠）。

3.5 電絕緣隔離

所謂電絕緣隔離，通常是應(yīng)用相關(guān)絕緣材料，對電氣連接的機(jī)械緊固件進(jìn)行物理隔離，使得離子導(dǎo)電回路被迫阻斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低電偶腐蝕的目的[1-2,7]。一般情況下，電絕緣隔離主要應(yīng)用到法蘭上。其電絕緣隔離的部位主要有2 個(gè)方面：一方面是螺栓處，主要由電絕緣套筒組成，針對特殊的法蘭（如銅-鋼法蘭），有時(shí)會作簡化處理，在電位較高的銅法蘭處安裝電絕緣套筒；另一方面是凹凸法蘭密封處，目前通常采用包覆墊和電絕緣內(nèi)、外層套筒組合構(gòu)成。

4 腐蝕監(jiān)測與電流監(jiān)測

通過上述分析，可知腐蝕過程伴隨著電流的產(chǎn)生。一部分是傳統(tǒng)意義上的電偶腐蝕電流，另一部分則是雜散電流。雜散電流，顧名思義，是指偏離設(shè)計(jì)回路而流動的電流。這一部分電流所引起的腐蝕一般稱為雜散電流腐蝕，為了與傳統(tǒng)意義上的電偶腐蝕相區(qū)別，雜散電流腐蝕也簡稱為電蝕。雜散電流腐蝕屬于電解腐蝕的范疇[11]，其具有腐蝕劇烈、危害更為嚴(yán)重等特點(diǎn)。

4.1 腐蝕監(jiān)測概述

國內(nèi)方面，楊專釗團(tuán)隊(duì)[12]提出了電偶腐蝕試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測模型，并開發(fā)研制出MCD01 電偶腐蝕計(jì)這一微電流探測器，該微電流探測器可以準(zhǔn)確測量微小的電偶腐蝕電流，測量效果明顯優(yōu)于所選用的現(xiàn)成設(shè)備。張承典等[13]利用FC-4 電偶腐蝕計(jì)作為零電阻電流計(jì)測量電偶腐蝕電流，零電阻電流計(jì)利用運(yùn)算放大器在閉環(huán)工作時(shí)正反相輸入端電位十分接近的特性，自動補(bǔ)償了電流表的電壓降。任厚珉[14]得出重要結(jié)論，在電焊機(jī)等相關(guān)電氣設(shè)備停機(jī)時(shí)，因?yàn)殡娕几g的作用，船尾電位略高于船首。由于船體雜散電流的作用較小，整個(gè)船體自然電位分布均勻；在電焊機(jī)等相關(guān)電氣設(shè)備開機(jī)運(yùn)行后，雜散電流分量會急劇增大，進(jìn)一步加劇雜散電流腐蝕。從電力線分布來看，船體靠近碼頭一側(cè)密于另一側(cè)，船尾要密于船首，也就不難得出靠近碼頭船尾處腐蝕狀況十分嚴(yán)峻。盧新城[15]、梁成浩[16]分別通過實(shí)驗(yàn)得出了軸頻電場與船殼和螺旋槳之間腐蝕電流的關(guān)系。金児等[17]研制出基于微機(jī)控制的用于測定全浸在電解液中平板試樣上電流分布的裝置，通過2 根魯金管探頭掃描測定溶液內(nèi)靠近并平行于試樣表面上水平和垂直方向的電位變化來分析腐蝕電流的分布，查明腐蝕位置。

國 外 方 面，P. E. Morris 與R. C. Scarberry 合 作[18]，借助恒電位儀并通過測定2 個(gè)陽極極化曲線和3 個(gè)陰極極化曲線的方法來預(yù)測腐蝕速度。R. Baboian[19]則是依托電化學(xué)技術(shù)，即根據(jù)混合電位的測量、偶極電流的測量和極化測量來實(shí)現(xiàn)對電偶腐蝕的預(yù)測。

文獻(xiàn)[20-21]介紹了腐蝕監(jiān)測的方法及其特點(diǎn)（見表4）。

文獻(xiàn)[20]基于零電阻電流表法說明了腐蝕原電池電流即腐蝕電流，它所反映的同樣為金屬的腐蝕量，即

只要能準(zhǔn)確測定腐蝕電流I，金屬的腐蝕量也就不難求出。

此外，楊輝等[10]針對某船B10 銅鎳合金海水管路的泄漏問題，通過現(xiàn)場勘驗(yàn)、成分分析、微觀組織觀察、腐蝕性能評價(jià)等方法，分析了管路與海水泵間法蘭處腐蝕泄漏的原因。結(jié)果表明，B10 管成分、微觀組織均滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求，在海水管路中的靜態(tài)腐蝕速率和沖刷腐蝕速率均在正常范圍內(nèi)，源自船舶防污系統(tǒng)等電氣設(shè)備泄漏的雜散電流是導(dǎo)致B10 銅鎳合金海水管路與泵軟性連接處腐蝕失效的主要原因。

4.2 雜散電流監(jiān)測對腐蝕監(jiān)測的意義

鑒于雜散電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)意義上的電偶腐蝕電流，而雜散電流帶來的電解腐蝕又異常嚴(yán)重，因而準(zhǔn)確測定海水管路的雜散電流大小及其分布就顯得迫在眉睫。目前，海水管系附件及設(shè)備通常使用法蘭連接，而現(xiàn)階段船用法蘭外徑[22]最小為，而傳統(tǒng)的電流測量儀器無法與之適配，因而研制一種開口型、適配大口徑管路、準(zhǔn)確測定小電流的智能檢測裝置就成為當(dāng)務(wù)之急。通過監(jiān)測腐蝕電流，便可準(zhǔn)確定位造成海水管路腐蝕的雜散電流分布與來源，這將為船舶海水管路的維護(hù)保養(yǎng)提供有力的技術(shù)支撐。

5 結(jié) 語

本文以船舶海水管路腐蝕作為切入點(diǎn)，闡述管路腐蝕的原因及現(xiàn)狀，剖析影響管路腐蝕的重要因素，從多個(gè)維度分別介紹了管路腐蝕的主要防護(hù)方法?？偨Y(jié)國內(nèi)外針對腐蝕監(jiān)測的研究現(xiàn)狀，指明微電流測量對于海水管路的腐蝕監(jiān)測具有積極意義，提出了研制大口徑開口型小電流傳感器的思路，便于對造成海水管路腐蝕的雜散電流進(jìn)行有效監(jiān)測，有利于延長船舶使用壽命，降低其維護(hù)保養(yǎng)成本。