舰船海水管路B10材料标准分析与思考

2018-07-31夏齐强

船舶标准化工程师 2018年4期

夏齐强，朱韬

（海军研究院，上海 200235）

0 引言

海水管路选材是舰船腐蚀防护的重点和难点。海水管路一旦出现腐蚀泄漏或海生物污损堵塞管道，将严重影响管路以及设备的正常运行，不仅会给用户使用维修、日常维护等带来影响，有时甚至直接危害舰船的安全性和生命力，做好舰船海水管路选材设计对于解决舰船海水管路的腐蚀问题意义重大。B10材料由于具有优良的耐海水腐蚀和抗海生物污损性能，以及良好的塑性和韧性，在国外各类舰船海水管路上广泛应用，我国舰船海水管路也逐渐采用B10合金管代替紫铜管。由于我国对舰船海水管路用B10材料研究工作起步较晚，B10管材基本是引进研仿后形成国产化，关于B10材料研究不是很充分，B10材料的性能试验也很少，材料标准也随着研仿后固化下来，较少考虑与国外B10材料标准的差别及存在这些差别的相关影响。本文主要对舰船海水管路用B10材料标准进行分析与探讨，旨在为舰船海水管路防腐设计提供参考。

1 发展和应用现状

管系材质的耐蚀性是影响海水管系腐蚀破坏的主要因素。B10材料由于耐海水冲刷蚀性能优良，国外早在20世纪40年代开始在大型军船和民船上逐步推广应用B10管路材料。我国自20世纪60年代开始着手舰船海水管路选材设计，舰船海水管路普遍釆用的TUP紫铜管。随着B10铜镍合金管的进口引入和国产化研制，自20世纪90年代中期开始，我国舰船海水管路，包括海水冷却管路、水消防管路、泡沫灭火管路、舱底水管路、压载水系统、日用海水管路等，均采用了防流动海水腐蚀效果较好的B10铜镍合金管，有效提高了舰船防腐能力。同时，管子附件也逐渐釆用B10铜镍合金，B10铜镍合合金海水管路系统材料配套体系在逐步完善。近年来对舰船海水管系的防腐防漏设计、施工工艺等提出了更多要求，在实际应用中也取得了较好的效果，但是缺乏一个统一的B10材料海水管路系统防腐蚀设计的方法标准及配套产品规范。如阀门选取何种材料、哪些地方需要电绝缘、哪些地方需要牺牲阳极保护及保护的形式、防污措施如何选取、海域泥沙含量较高的海域其海水流速如何限定等，缺少统一的认知、方法和试验数据和标准支撑。总体来说，我国在海水管路选材配套体系建设和防腐蚀设计方法方面还存在一定不足，由于海水管系选材不当、流速控制不准、异种金属材料匹配不佳等原因，造成管系中设备、阀附件、接头等的腐蚀问题还是无法避免，影响了先进材料应用的总体效果，对海水管路系统防腐蚀设计工作带来了较大的困扰。

2 相关标准分析

2.1 国内标准规范情况

国内关于舰船海水管路材料相关标准主要有GJB 4000—2000《舰船通用规范》[1]和GJB 5908—2006《舰船用白铜管材规范》[2]。

GJB 4000—2000规定海水管、舱底疏水管、冷却水管、液压油管、生活污水管、冷藏管、水幕管、蒸汽加热盘管、深度计管、计程仪管、消防水管、泡沫灭火管等管子材料采用无缝铜管；消防水管、流速较高的其他海水管采用铜镍合金管或双相超低碳不锈钢管。GJB 4000作为舰船设计通用要求，从顶层上提出了管路设计的原则，主要对各种管系采用材料进行了规定，明确指出了铜镍合金管的应用范围，但GJB 4000对于B10铜镍合金管规格、化学成分等没有要求，对管材的设计选型缺乏指导。

GJB 5908—2006《舰船用白铜管材规范》规定了舰船用自铜拉制管材的要求、质量保证规定、交货准备等，主要对管材的牌号、状态和规格、管材的化学成分、管材的室温力学性能、管材的工艺性能、管材的尺寸、外形及偏差提出了详细要求，用于舰船海水管路用B10管材的设计选型和检验验收。由于该标准颁布时间较早，部分技术要求与国外差距较大，部分要求未明确或遗漏，导致实际工作中B10管材会出现异常腐蚀的情况，不能较好地满足舰船海水管路系统B10铜镍合金管的腐蚀防护工作要求。

2.2 标准主要技术内容分析

2.2.1 化学成分

B10管材化学成分是影响抗腐蚀能力的关键因素。为了取得最佳的抗腐蚀能力，应对其化学成分进行严格限制。GJB 5908—2006《舰船用白铜管材规范》对管材的化学成分规定如表1所示。关于B10铜镍合金管路材料标准，国外流行的主要有德国KME公司的企业标准、欧标、德标、英标、美标、日标等，其具体化学成分见表2。从表1中可见，这些标准均对Ni、Fe和杂质含量范围进行了规定，这些材料标准主要区别在Ni含量和Pb、S等杂质成分控制，多数 B10铜镍合金标准 Ni含量在9.0%～11.0%，少数控制住10.0%～11.0%，杂质成分规定上限越少越好。

表1 BFe10-1.6-1管材的化学成分

目前，我国舰船各型号使用的海水系统管路主要采用国产化B10管材，其化学成分设计定型主要根据GJB 5908—2006《舰船用白铜管材规范》。该规范规定Ni的含量为9.0%～11.0%，与德国标准、美国标准、日本标准中 Ni含量要求一致，但德国KME公司B10企业标准、欧洲标准和英国标准对Ni的含量要求为10.0%～11.0%，比我国军标的要求要高。理论上，镍含量越高耐腐蚀性能越好。但是，镍含量的提高大大增加了成本，与铜镍合金管（B30管）相比，B10管含较少镍，成本大大降低。而且由于海水浸泡同样可以形成富镍富铁的表面膜，因而经过一段时间，其耐蚀性可以接近B30管。

从表2中可以看出，含10%Ni用作耐蚀材料的铜镍合金，实际都含有1.0%～2.0%的铁及适量的锰，对不同 Fe含量的铜镍合金在静态和高流速海水中进行腐蚀试验后发现，Fe含量低的合金形成的腐蚀产物中氧含量高；Fe含量高的合金所形成的腐蚀产物中富Ni，氧含量低。在B10合金中，由于铁的存在，大大提高了保护膜的耐腐蚀能力，但随着铁含量的增加，B10点蚀敏感性也增加了，其中改性元素Fe含量对B10合金的耐海水腐蚀性能有较显著的改善，特别是抗流动海水冲刷腐蚀性能。杂质Pb和S对材料的腐蚀性能也有一定的影响，它们会与其他元素一起形成低熔混合物，由于熔点非常低，从而导致一些不良的效果，比如在焊接和热成型时会出现热裂和热脆问题[3-6]。

表2 不同标准B10材料化学成分

国内B10管材成分Ni、Fe、Mn、Cu主要参照国际相关标准的规定进行确定，但在S、Pb等杂质含量上略有不同，这些杂质元素成分主要是在参照国际相关标准的同时，根据当时国内实际制造能力和技术水平进行确定的。总的来说，合金的成分以及杂质的影响是一个非常复杂的问题。含Ni量及其杂质成分肯定影响材料的耐蚀性、耐冲刷性及寿命，但是之间的相关性研究不多，基本是研仿后形成国产化，材料标准也是在研仿后固化下来的，较少考虑如何改进和如何创新发展。

2.2.2 工艺性能

目前，GB/T 8890—2015《热交换器用铜合金无缝管》[7]、GB/T 1527—2006《铜及铜合金拉制管》[8]、GB/T 31977—2015《核电冷凝器用铜合金无缝管》[9]、CB 1133—1985《BFe30-1-1管材技术条件》[10]等规范均对管件工艺性能进行了规定，主要包括扩口试验和压扁试验，这对于保证舰船海水B10管质量也十分重要，可为舰船海水管路用管材出厂检验验收要求提供有力依据。

2.2.3 金相组织

材料的金相组织是影响其耐腐蚀性能的一个因素。目前国内部分管材标准，如GB/T 1527—2006《铜及铜合金拉制管》、GB/T 31977—2015《核电冷凝器用铜合金无缝管》等标准提出了材料金相组织的要求，明确了平均晶粒度范围。但由于管材用途要求不一、制造水平及检验方法手段有限，目前还没有统一的标准，对于舰船用B10管材更是如此。

2.2.4 无损检验

检验方法及要求是确保B10管材产品质量的重要保证。GJB 5908—2006《舰船用白铜管材规范》仅对涡流探伤进行了规定，没有涉及超声波检测。涡流检测和超声检测是从不同的角度检测管材性能的，涡流检测对材料表面、近表面存在缺陷，但是较难检验测出厚壁管埋藏的缺陷，理论上都应该检验，但目前没有合适的超声波探伤方法和要求，无法指导实际检验操作。

3 思考与建议

3.1 提高相容性配套性认识

舰船海水管路系统包含管子、管路附件、阀门、泵、冷却器、滤器等，设计时应考虑整个管路系统材料的相容性和配套性。在海水管选B10管后，对管系中的海水滤器、阀门、海水泵、冷却器、压力表接头等附件的材质选取和防腐设计必须全系统综合考虑，防止异种金属间产生电偶腐蚀。海水管路防腐蚀设计涉及选材、流速优化设计、管路-设备-船体三者之间的连接、防海生物方法选取以及管路、设备的防腐蚀设计等，还需要考虑制作、安装工艺和维修维护空间等，是一个系统工程。较长时间以来，在腐蚀控制方面常常出现“头痛医头、脚痛医脚”的事情，怎么达到全系统的腐蚀控制最优做得不多，出现高性能材料种类应用越多、先进方法越多、“系统级最优”越难的问题。建议设计者和相关管理部门用全局眼光、系统的思维来综合考虑舰船海水管路防腐蚀设计问题，加快配套体系产品设计研制。

3.2 加强海水管路B10材料防腐蚀设计研究

B10管材的腐蚀性能优劣不仅与其材料本身性能有关，由于设计方法不优、流速控制不准、异种金属材料匹配不佳、管路接头设计选型等原因，容易造成管系中设备、阀附件、接头等的腐蚀问题。要有效预防海水管系腐蚀，需要从系统设计、材质选型、管系结构布置、施工安装工艺、海水流速限制、经常航行的海域海况及维护保养等多方面考虑海水腐蚀的影响，建议系统开展舰船海水管路使用B10情况调研与跟踪，对其应用情况进行调研分析，查找问题，总结经验；对比国外海军舰船海水管路选材和防腐蚀设计方法，从系统角度完成基于B10材料为主的海水管路系统材料体系设计；开展舰船海水管路系统防腐蚀设计方法研究和系统、附件、设备材料配套方法研究及实海考核与试验验证，进一步摸清B10管材腐蚀防护的影响因素。

3.3 推进海水管路B10材料标准规范建设

舰船海水管路系统防腐设计是一个系统工程，管路系统要满足使用方的方便可靠使用，不仅涉及到优质管路材料的供应，还与管路设计选型、加工制作、检验验收密切相关。目前，国内B10材料防腐研究基础相对薄弱，管路系统设计方法还需长期试验数据支撑，与管路相关的管路附件、海水泵、阀门等配套标准规范缺少。为更好指导和保障舰船海水管路防腐设计，固化研究成果，建议加快推进舰船海水管路系统标准规范建设，以进一步规范舰船海水管路B10材料选型和防腐蚀设计技术要求、B10海水管路系统配套产品规范、B10管材施工工艺技术要求和B10管材检验验收技术要求。