HDR双相不锈钢海水管路防腐技术研究

2013-07-30曾凡其李子清华小军

中国修船 2013年1期

曾凡其，李子清，华小军

(1.海军92823部队，海南三亚 572021;2.海军91367部队，海南海口 570311)

0 前言

船舶上有多种海水管路系统，如消防系统、疏排水系统、舱底水系统、生活污水系统及各种海水冷却系统等。海水管路的流速一般较高，常对管路造成湍流腐蚀、冲蚀及空泡腐蚀。

上世纪90年代后期，我国新造船舶的海水管路开始使用HDR双相不锈钢材料。应用初期，由于配套材料不完善 (如没有配套的双相不锈钢专用焊条、管附件、法兰等)，维修厂对HDR双相不锈钢的使用及施工工艺掌握不熟练，致使海水管路系统中的连接法兰和弯管焊接处易出现严重的腐蚀泄漏，而管路中HDR材料本身并没有腐蚀。管路系统的腐蚀严重影响了船舶的正常使用，许多维修厂对HDR不锈钢材料仍然较陌生，对腐蚀的原因不清楚，缺乏相关的焊接经验，给维修带来了很大困难。

目前，我国在船舶防腐蚀技术方面已经有了很大的进步，从设计、建造上已经有了防腐蚀技术措施和要求，HDR双相不锈钢管材的配套已基本完善。采用正确的焊接加工工艺及先进的防止异种金属接触腐蚀措施是完全可以解决HDR双相不锈钢海水系统的腐蚀问题。

本文主要深入地研究HDR双相不锈钢与其它金属材料的电偶腐蚀特性及解决电偶腐蚀的技术，使部队及工厂掌握HDR双相不锈钢管路系统的维修技术，保障船舶的正常运行。

1 HDR双相不锈钢成分组织及耐蚀性研究

1.1 HDR双相不锈钢的成分和金相组织观察

HDR双相不锈钢与紫铜、白铜及一般不锈钢的化学成分如表1所示。

从HDR双相不锈钢板材的金相组织观察可知，双相不锈钢中夹杂物主要呈球形 (角块状，颗粒状)，夹杂物量较少，且较细小。一般来说，管材和板材均为铁素体和奥氏体的双相组织，在其铁素体和奥氏体的含量相差不大时，它的耐蚀性最好。实际应用中的双相不锈钢应严格控制其成分和热处理制度，使材料中铁素体和奥氏体的含量比符合要求是很关键的。焊接对材料的组织影响较大，未经固溶处理的其组织形态基本上为铸态结晶组织。经金相分析其组织也为铁素体和奥氏体。

表1 海水管路系统常用材料化学成分 wt%

1.2 HDR双相不锈钢及管路系统常用材料的自腐蚀电位测定

1)试验材料。

HDR双相不锈钢钢板及焊缝材料，HDR双相不锈钢管材，1Cr18Ni9Ti板材及 B10、B30、A3、TUP管、镍铝青铜、铝黄铜等。

2)试验方法。

将试验材料按金相样品要求加工成试样，用石蜡涂封非工作面后，在人工海水中浸泡，试验温度为室温。试验时间为120 d，在第一天每小时测量一次电位，以后每12 h测量一次。参比电极为饱和甘汞电极，测量仪器为VC98数字式万用电表。

3)试验结果。

HDR板材及焊缝自腐蚀电位随时间的变化关系与管材基本相同。双相不锈钢电位在7 d左右达到稳定，且稳定自腐蚀电位变化较小。而铜合金材料在海水中的电位存在较大漂移，其电位很难稳定，电位较稳定的时间都在60 d以后，且电位稳定后存在30～40 mV的电位漂移，试验监测的稳定自腐蚀电位从高到低的电位序列为:HDR管材、板材→HDR焊缝→镍铝青铜、B30→铝黄铜→紫铜→B10、铝青铜→锡青铜→A3钢。如表2所示。

表2 不同材料在人造海水中的稳定电位和时间

1.3 HDR双相不锈钢与其它金属之间的电偶腐蚀特性

1)试验方法。

试验采用HDR双相不锈钢和其他几种材料偶接的方式，面积比为1∶1和5∶1，各种材料的试验面积均为6 cm2，试验溶液为人造海水，溶液量5 L，各电价对分别在不同的容器中进行测试，温度为室温，每周更新溶液一次，并用电偶腐蚀计测量电偶电流和电位。试验共进行了85 d。

2)试验结果。

各电偶对的平均电偶电流如表3和表4所示。

表3 各电偶对的平均电偶电流

表4 HDR和B10与其他金属材料偶合平均电流密度

从试验结果可以看出，HDR双相不锈钢与各种材料偶接都会加速其他材料的腐蚀，其中以碳钢腐蚀最为剧烈，而铜合金的腐蚀速度相对较小，且相差不大。从HDR双相不锈钢和B10与两种船舶用钢的电偶腐蚀结果可以看出，偶接都加速了阳极相的腐蚀，阴阳极面积比越大，电偶效应越大，无论阴阳极面积比是1∶1还是5∶1，B10和船体材料偶接时的电偶电流都大于HDR双相不锈钢和船体材料偶接时的电偶电流。

不同材料溶液中形成电偶效应时，其电偶电流的大小，不仅与偶接材料之间的电位差有关，还与材料的表面状态和溶液的电导率有关。电位差是形成电偶腐蚀的热力学条件，当溶液的电导率相同时，材料的表面状态对电偶电流的影响就较大，一般说来，形成电偶效应时，阳极发生的是金属的溶解反应，阴极发生的是氧的去极化反应。由于HDR双相不锈钢在海水中很容易钝化，其表面的钝化膜较厚，因此表面的氧去极化反应较弱，从而导致整个电偶电流较小。这正是铜合金的电偶电流比HDR双相不锈钢大的主要原因。

1.4 HDR双相不锈钢的点蚀性能研究

1)试验方法。

试验材料有HDR双相不锈钢板材、HDR双相不锈钢焊缝材料和1Cr18Ni9Ti。试样用环氧树脂封装，封装前用60℃30%硝酸钝化2 h;试样工作面积1 cm2。试样用水磨砂纸磨至1 500#。试验溶液为3%NaCl，试验温度为 (30±1)℃和 (50±1)℃，采用动电位扫描的方法，扫描速度20 mV/min，试验前电解池通氢30 min除氧。

2)试验结果。

由阳极极化曲线 (图略)可以确定各材料的点蚀电位，结果如表5所示。

表5 2种不锈钢材料的点蚀电位测量结果

由表5知，温度由30℃升高至50℃时，双相不锈钢的点蚀电位值发生了陡降，说明温度对HDR双相钢的点蚀诱发敏感性有较大影响，而对奥氏体不锈钢 (1Cr18Ni9Ti)的点蚀电位影响不大。

2 HDR不锈钢使用与维修中电绝缘措施研究

2.1 海水管系中的电偶腐蚀问题

1)海水管系中的常见结构。

在以HDR为主要海水系统材料的管系中，除了载荷流水的管子外，还有各种结构或附件，如:①联结管段的法兰;②驱动海水流动的泵;③控制海水流通的各种阀;④过滤海水的粗滤器;⑤测定海水压力的测压表;⑥海水冷却系统中的冷却器;⑦空调冷却系统中的冷凝器。

2)海水管系结构中主要使用的金属材料。

①B10(白铜，铜镍合金，含镍10%);②铝青铜，镍铝青铜，锡青铜 (主要是铜锡合金)，海军黄铜;③马氏体不锈钢，奥氏体不锈钢，碳钢，铸铁。

大量的实船调研及管材之间的腐蚀特性试验已经表明，HDR双相不锈钢与这些材料发生电连接时，由于HDR不锈钢的电位较正，HDR不锈钢与其它材料之间会形成腐蚀电偶，HDR钢为阴极，其它材料为阳极。尤其是HDR钢与碳钢、铸铁、黄铜等材料之间的电位相差较大，会发生强烈的电偶作用，使后者发生严重的腐蚀。如HDR不锈钢管子上的碳钢法兰，阀门中的铸铁，黄铜部件都易发生严重的腐蚀。

2.2 海水管系中防止电偶腐蚀的措施

由于船舶上使用的HDR不锈钢的海水管路不可避免地要与不同金属制件连接，如碳钢法兰、其它金属制造的阀、泵、压力表头等，从而出现了电偶腐蚀问题。

解决HDR不锈钢海水系统的腐蚀，最关键的技术就是将HDR不锈钢管与其它金属制造的附件之间进行有效的、完全的电绝缘隔离。管子与其它附件的连接方式，多以法兰连接为主，也有其它方式的连接。

1)异种金属法兰连接的电绝缘设计。

海军装备部最新颁布的《船舶防腐防漏系列技术要求之十六——船舶海水管系电绝缘技术要求》，对海水管系防止异种金属接触腐蚀提出了明确的要求，此外，国外船舶也有较先进的防止异种金属接触腐蚀的方法。借鉴这些规范及技术，结合HDR不锈钢的特点，本文对修理中异种金属法兰连接的电绝缘结构提出以下设计要求。

当HDR不锈钢与其它金属制造的附件进行法兰连接时，应采用绝缘套筒和绝缘垫片使HDR钢管法兰与其它材质法兰绝缘。

由于各种海水系统分布于全船，各管系要穿过多个舱室，其中有些舱室有空调，湿度小，可以采用上述结构。有些舱室湿度较大，会导致海水管系表面及法兰的表面结露;有些舱室底部常有积水，当海水管路从舱底穿过时，管路可能浸入积水中;其它泵、阀泄漏的水可能滴在异种金属接触的法兰表面，从而导致绝缘法兰的铜测量片与HDR钢之间，或铜测量片与其它材质之间的电偶腐蚀。积水也会导致缝隙腐蚀，因此在湿度大的舱室，或通过易积水舱底的管路，它们的绝缘法兰建议不添加铜测量片，以免引起电偶腐蚀或缝隙腐蚀。

2)避免电偶腐蚀管路的其它绝缘措施。

海水管系在全船铺设时，需要大量的吊、支架，这些吊、支架一般焊在船体钢结构上。如果管子与吊、支架间没有绝缘，则法兰绝缘的两侧异种金属仍可通过吊、支架发生导电连接，电偶腐蚀仍不能避免。

因此，在HDR管系的维修中，海水管系与所有固定用吊、支架之间必须进行电绝缘。采用专用的电绝缘吊、支架，也可衬橡胶垫，吊、支架卡环与管路外壁之间所垫橡胶垫的总厚度必须大于12 mm。橡胶垫材料的邵氏硬度为55～65。

3 电绝缘状态的监测

经过电绝缘措施处理的HDR双相不锈钢管系，应对绝缘法兰进行电绝缘检查。

1)管系干燥状态的测量方法。

在管系组装完毕并处于干燥状态时，用500 V兆欧表或专用仪表，采用“电阻”法对各绝缘部位进行测量以确定绝缘的可靠性，测量方法见图1所示，分别测量点1－2、1－3、2－3间的电阻。

图1 管系干燥时电绝缘状态测量法

当发现某一绝缘法兰绝缘失效，两侧不同金属出现短路，或电阻很小，此时可进一步检查法兰中短路发生的具体部位，即用兆欧表检查法兰盘上每一个螺栓的绝缘情况。如果有某个螺栓电阻很小，说明该螺栓绝缘失效;如果所有的螺栓绝缘都很好，那么就有可能是法兰盘间的绝缘失效。

2)管内有海水或潮湿状态时的绝缘测量。

当管内充满海水，或者管内相当潮湿时，绝缘法兰的两侧金属通过海水导电，此时绝缘法兰两侧金属之间的电阻将很小，用电阻法不能确定绝缘效果。此时，可将绝缘法兰两侧金属看成是浸在海水电解质中的两个电极，如果绝缘法兰的绝缘效果好，则相当于两电极之间是开路状态，两电极之间的电位差就是两金属在海水中的电位差;如果绝缘法兰绝缘失效，相当于两侧金属发生短路，则两侧金属的电位趋于相等，相当于电池两极间短路的情况。此时可用电压表测量绝缘情况，如图2所示。图2中5、6段为未进行电绝缘的管段，其余为进行电绝缘的管段。如果被测量的管段3与相邻的三侧管或附件之间有良好绝缘，则:①管段3与船体之间的电位差应等于HDR钢与船体钢之间的电位;②管段3与青铜阀之间的电位差应等于HDR钢与青铜阀之间的电位。

图2 管系有海水时电绝缘状态测量法

图2中使用电流表也可以测量绝缘情况，如管段3为HDR双相不锈钢，当绝缘情况良好时，其电位要比船壳体电位高的多，当在管段3与船体之间加一电流表时，由于两者之间电位差很大，则流经电流表的电偶电流也将很大。如果电流读数大于1 mA，则认为绝缘满足要求，如果电流小于1 mA，则可能绝缘情况不好，管段3已经与船体之间有一定的电导通。

但是，如果HDR钢管段与青铜阀之间的绝缘情况好，由于HDR双相不锈钢与青铜之间的电位差小，当测量管段3与青铜阀之间的电流时，则所测电流值也将很小。究竟电流以多大为准，还不好确定。建议，测量绝缘法兰的每一个螺栓与两个法兰盘之间的绝缘电阻。

3)电绝缘状态判据。

当管系刚刚安装完毕，在干燥状态下进行电绝缘测量，如用兆欧表测量电阻值大于0.1 MΩ，则认为电绝缘合格，否则为不合格。

在管路工作状态或潮湿状态，可用安培计－欧姆计－伏特计法进行电绝缘检测，根据测量的数据，按表6判断电绝缘管接头绝缘零件是否合格。