海水冷却管内衬共聚物后的电偶腐蚀

2013-02-14杨青松董彩常韩东锐

腐蚀与防护 2013年7期

杨青松，张波，董彩常，韩东锐

（1.91872部队湛江研究室，湛江524002；2.钢铁研究总院青岛海洋腐蚀研究所，青岛266071）

在以海水为冷却介质的设备中，如滨海石油化工厂、电厂、采油平台及舰船的动力系统中的各类换热设备，脱氧铜（TUP）紫铜管是常用的冷却水输送管道，而相连的泵、阀、换热器等结构常采用不锈钢、双向钢、钛合金等高耐蚀、高电位的金属材料［1］。若流速超出TUP紫铜的限定值，则在冲刷腐蚀和电偶腐蚀的共同作用下，紫铜管腐蚀破损的危险性大大增加。在电绝缘还不能普遍实施的条件下，研究在TUP紫铜管上能够采取的抑制电偶腐蚀的简便、易行、有效的方法，具有重要现实意义［2］。

本工作通过对TUP紫铜冷却水管内壁内衬乙烯-丙烯酸共聚物（EAA）［3］和涂敷特种涂层（环氧玻璃鳞片）后的模拟对比试验研究，得出解决TUP紫铜管与高电位金属结构如钛合金法兰连接后产生的电偶腐蚀问题的方法，以保证TUP紫铜管系的安全使用。

1 试验

1.1 海水浸泡腐蚀试验

参照GB／T 7901-1999《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》，对钛合金、TUP、EAA涂敷TUP、环氧玻璃鳞片涂敷TUP材料在海水中的稳定电位进行测量，得出材料自腐蚀电位的稳定周期和变化规律，获取材料的稳定电位序。

试样尺寸为100mm×50mm×3mm，在室温下进行试验。试验溶液为青岛海域的海水。试验周期为30d，60d和90d。TUP紫铜纯度为99.95%。

1.2 电偶腐蚀试验

参照GB／T 15748-1995《船用金属材料电偶腐蚀试验方法》，将钛合金分别与TUP，EAA涂敷TUP、环氧玻璃鳞片涂敷TUP按不同面积比组成偶对，选择3种阳极阴极面积比（1∶1，3∶1和5∶1）进行电偶腐蚀试验，测量电偶电流和偶合电位随时间的变化，对涂层的绝缘效果进行比较研究。

试样用机械加工方法制备和特定涂装工艺涂装，Ra最大允许值为3.2μm。试验溶液为pH＝8的3.5%氯化钠溶液，由分析纯化学试剂和蒸馏水配制而成。试验温度为35℃，水浴控温。试验周期为15d。

1.3 模拟试验

通过流动海水管道试验对不同的涂层涂敷面积、距异金属连接处的涂敷距离与绝缘保护效果的关系进行研究，验证EAA粉末涂层对抑制TUP冷却水管与钛合金法兰间电偶腐蚀的有效性。

定制带法兰的TUP管和钛合金管，对TUP管按照内壁无涂敷和涂敷不同面积的EAA粉末涂层或环氧玻璃鳞片涂层制成可接入管路的试验材料。运用流速可连续调节、介质为天然海水的开路式高流速海水管路系统，进行流动海水腐蚀试验，监测配对试验材料间的电偶电流。每组试验连续监测时间为30h，试验结束后得出稳定电偶电流，并与静态条件下的电偶电流作对比，得出结论。

1.4 扫描电镜形貌分析

采用飞利浦XL30型扫描电镜对在TUP底材上涂覆有玻璃鳞片和衬塑的样品纵切面进行微观形貌的观察。

2 结果与讨论

2.1 浸泡试验

试验30d后四种试验材料的自腐蚀电位趋于稳定，初始电位和稳定电位如表1所示。EAA涂塑TUP涂层密封保护良好，与介质完全绝缘，测不出电位。玻璃鳞片涂敷TUP的稳定电位明显高于TUP裸板的电位。

表1 室内浸泡试验材料的初始电位和稳定电位

2.2 电偶试验

Ti-TUP，Ti-EAA涂敷TUP，Ti-玻璃鳞片加强环氧漆涂敷TUP等3对材料试样按1∶1，1∶3，1∶5，3∶1和5∶1五种面积比进行电偶试验，测得的偶合电位随时间变化如图1～图3所示。

结果表明，Ti-TUP（涂塑）、Ti-TUP（玻璃鳞片）两种偶合在试验过程中检测不到偶合电流，也就是说，由于涂层对TUP的保护，使TUP基本上完全与介质隔开，因此并未与Ti形成明显的偶合效应。试验所测的偶合电位与电偶瞬间断开后所测的钛的开路电位完全相同，而将电偶瞬间断开后测不到TUP（涂塑）和TUP（玻璃鳞片）的电位。

从图1的Ti-TUP偶合电位曲线可以看出，五种面积比下的初始偶合电位基本接近，在-0.2V左右，随着时间延长，面积比为3∶1和5∶1的两组偶对偶合电位正移，大于-0.1V。从图2和图3的比较来看，尽管都测不到电偶电流，但Ti-TUP（玻璃鳞片）偶合电位稳定值与Ti-TUP偶对的面积比关系更明显，3∶1和5∶1偶对的偶合电位明显高于1∶1，1∶3，1∶5偶对的偶合电位，1∶5偶对的偶合电位值最低，符合电偶腐蚀的基本规律特征。这表明玻璃鳞片涂层对TUP表面的封闭效果低于EAA涂塑的封闭效果，仍存在可透过介质的微观孔隙。

2.3 高流速海水管路模拟试验

（1）管路制备分别在钛管、涂塑（玻璃鳞片）铜管、未涂塑（玻璃鳞片）铜管部位安装Ag／AgCl参比电极，监测这些测量点处的电位变化，以及Ti-TUP之间的偶合电流变化，据此判断偶合状态。

偶合管路上镍管内径70mm，管长250mm，两端焊接钛法兰，管上钻孔后安装参比电极。铜管内径97mm，管长为500mm，1 000mm和1 500mm，管两头装有铜法兰。500mm铜管内部和两端法兰面全部涂塑或玻璃鳞片；1 000mm铜，1 500mm铜管与钛法兰连接的一端均内衬涂层，另一端则保留一段原始未衬状态，未衬管长均为200mm，衬里为衬塑和玻璃鳞片两种涂层。另外做500mm铜裸管做对比试验。在管路上，一组钛管和铜管通过法兰连接后，与其他管段通过工程塑料管连接，以保证各组试验管段间彼此绝缘。

（2）参比电极的制备该试验采用Ag／AgCl参比电极，电极在3.5%NaCl（AR）的溶液中，活化六天，然后用蒸馏水浸泡备用，每次试验前用标准电极进行电位校准，记录数据。

试验管路接入高流速海水试验装置后，开启海水泵，通过调节海水流量控制海水流速为7m·s-1，分别测各参比电极处的电位、Ti-TUP偶合电流，初始15min计数一次，2h后30min计数一次，4h后1h计数一次。将各组管段上测得的电流对时间作图，见图4。

图4 衬塑铜管与钛法兰偶合电流-时间曲线

当管路上Ti-Cu间有电偶电流时，钛的电位将由于极化作用而负向移动。从高流速管路试验结果来看，铜管内衬塑或玻璃鳞片涂层后，均能起到有效的绝缘隔离效果。由图4可见，当管内壁完全为衬塑涂层覆盖时（0.5m铜管），测不出电偶电流。由图5可见，0.5m铜管全部内衬环氧玻璃鳞片时，测出的电偶电流值也很小（小于6μA），表明当铜管和法兰连接面全部涂塑或玻璃鳞片后，电偶腐蚀被抑制，几乎没有电偶电流产生，钛管维持自腐蚀电位。

图5 内衬环氧玻璃鳞片铜管与钛法兰偶合电流-时间曲线

当内衬铜管上有裸管时，管路上有电偶电流产生，钛管电位负移。由图4、图5可见，当内衬铜管上有裸管时电偶电流较被涂层完全覆盖的管路大得多，平均15～30μA。分析图中的数据，在试验管路中，内衬涂层的有限长度变化对其后连接的裸管电偶腐蚀的影响不明显。在本试验的管路长度范围内，延长涂敷区长度（1.5m比1m管涂敷区长500mm），未见对电偶腐蚀的抑制效果，可见只有当内衬涂层足够长时，才能由于电化学原电池内阻增加而减小电偶效应。另外，同一流速下，衬塑管的电偶电流小于内衬玻璃鳞片管。

内衬涂层涂敷在与钛管直接相连的铜法兰和管段上后，抑制了该处的电偶腐蚀，将电偶电流分散到远离连接处的后续管道上。若能在管路上对铜管进行尽可能长的内衬处理，则不仅电偶腐蚀可以被抑制甚或完全消除，铜管的自腐蚀也会得到有效抑制，尤其在变径、弯头等受流速影响敏感的部位，均可有效提高耐蚀性，延长使用寿命。