疏浚船管道磨损和腐蚀行为研究

2020-04-08

装备机械 2020年1期

1.江苏科技大学材料科学与工程学院江苏镇江 212003 2.中交上海航道装备工业有限公司上海 201208 3.江苏科技大学船舶与海洋工程学院江苏镇江 212003

1 研究背景

装备制造业被视为工业的心脏和支撑国家综合国力的重要基石,高度发达的装备制造业是实现工业化的必备条件,也是国家强大综合竞争力的重要标志[1]。目前,我国经济社会快速发展,疏浚工程在国民经济中占有十分重要的位置。疏浚船管道作为疏浚工程的主要辅助设备,其磨损、腐蚀具有不可避免性。因此,研究疏浚船管道磨损、腐蚀行为,不断发展新的耐磨损、腐蚀材料,是一项重要的课题。随着我国海洋战略的逐步实施,技术人员对材料制备、材料性能进行更深入的研究,新材料、新技术迅速发展。如何提高疏浚船管道内壁的耐磨损和耐腐蚀性能,使其更好地服务于疏浚事业,避免不必要的经济损失,已成为表面工程及新材料领域的研究热点。

2 疏浚船管道磨损原理

疏浚船管道的磨损程度主要取决于疏浚土质类别、施工排距、施工排高、土体内天然杂质及其它杂质等。相同动力条件下,输送泥浆的流态取决于排距、排高。研究表明,流态是导致管道异常磨损的重要因素,但通常不被人们所重视。土质类别、天然杂质及其它杂质是管道磨损的内在因素。一般认为,冲蚀过程存在着延性和脆性两种磨损,当塑性材料受到粒子冲击时,会引起变形磨损和切削磨损,通常情况为两种磨损共存的复合磨损。脆性材料受到粒子冲击时,在较小变形或未出现变形时,便会产生裂纹。裂纹扩展,导致局部表层脱落。

2.1 变形磨损

具有较高动能的固体物质法向冲击疏浚船管道时,在管壁上产生的局部应力大于管材的屈服强度,这些应力的叠加和应变共同对管壁表面产生破坏。较大直径固体物质以大冲角冲击管材表面时,冲击压力的竖直分量引起无法恢复的塑性变形,即冲击凹坑。在凹坑边缘有因塑性变形而挤出的材料堆积物,堆积物重新受挤压变形而从材料表面脱落。直径较小的砂石,其冲击压力较小,颗粒不能直接压入材料表面。经大量小直径固体颗粒长期反复冲击,最终也会造成管材内壁材料疲劳脱落。

2.2 切削磨损

工程中天然杂质,如铁锰结核物、砂礓石中含有一定量的SiO2。其它杂质中,砖渣含有Fe2O3。以上杂质若硬度大于管壁表面的硬度,且以斜向小角度冲击管材表面,则尖角与管壁表面接触点很小,会产生很大的冲击压力。切屑的形成是法向力和切向力共同作用的结果。法向力使磨粒压入管壁表面,形成压痕。切向力使磨粒向前移动进行切削,形成切屑。切削磨损模型如图1所示[2]。

3 疏浚船管道磨损影响因素

在恶劣的疏浚工况条件下,疏浚船管道的磨损情况复杂。疏浚工程工况存在不确定性,浆体流态、排高、排距不同,疏浚土质千差万别,尖棱砂砾,土体内天然杂质及其它杂质等都对疏浚船管道的磨损造成或大或小的影响。管内流态对疏浚船管道的磨损产生重要影响,浆体流动性不同于液体流动,要考虑固体颗粒对混合物性质的影响及颗粒本身的惯性力。当管道中出现滑动或不动的颗粒淤积层时,会形成淤积流,这种流态是相对不稳定的。疏浚管道中土块处于悬浮状态,经水力作用,大土块分解为小土块,随后分解为泥浆,泥浆黏性高,土中含有的铁锰结核物等天然杂质沉降速度加快,形成凝聚并向前推进,在管底进入跳跃移动状态,在管道外部可明显听到摩擦声,对管道的破坏性极强[3]。疏浚管道自身的耐磨损性能是影响自身寿命的主要因素,普通碳钢的耐磨损性能相对较差,耐磨复合钢管由于加入合金元素,大大提高了耐磨损性能。Cr、Mo、W属于中强碳化物形成元素,既能形成合金渗碳体,如(Fe·Cr)3C等,又能形成特殊碳化物,如Cr7C3、Cr23C6、MoC、WC等,这些碳化物的熔点、硬度、耐磨损性能及稳定性都比渗碳体高。V、Nb、Ti是强碳化物形成元素,它们在钢中优先形成特殊碳化物,如VC、NiC、TiC等,稳定性强,熔点高,硬度大,耐磨损性能也强。不同合金元素的加入对性能产生不同的影响,不同合金之间的组合效果也不同,因此确认合适的合金元素配比对提高耐磨复合钢的耐磨损性能至关重要。

冲蚀磨损是固体颗粒或流体冲刷、打击固体表面,造成表面材料不断流失的一种磨损形式。一般造成冲蚀磨损的粒子都比较硬,但当流动速度高时,软粒甚至水滴也会造成冲蚀。影响冲蚀磨损的因素主要有磨粒运动参数、特性,以及工件表面特性、环境特性等。粒子速度对冲蚀磨损的影响很大,是造成材料冲蚀的主要原因,这是因为冲蚀磨损与磨粒的动能直接相关。冲击角是磨粒与工件壁面间的倾角,也称为攻角或入射角。磨粒相对于面壁的冲击角不同,对材料破坏的磨损形式也不同,冲蚀磨损率与磨粒冲击角的关系如图2所示。

图2 冲蚀磨损率与磨粒冲击角关系

对于脆性材料而言,随着冲击角的增大,冲蚀磨损率不断增大。冲击角为90°时,冲蚀磨损率达到最大。脆性材料的冲蚀磨损存在一个临界冲击角α0,当冲击角不大于α0时,不发生脆性冲蚀。塑性材料的冲蚀磨损率随着冲击角的增大而增大,当冲击角达到临界冲击角αcr1时,冲蚀磨损率达到最大。之后随着冲击角的继续增大,冲蚀磨损率减小。实际上,大多数材料的冲蚀磨损是塑性和脆性的复合冲蚀磨损,其临界冲击角为αcr[4]。赵建华等[5]对在不同冲击角下的CrMoV堆焊层冲蚀磨损表面形貌进行观察。冲击角为30°时,材料冲蚀磨损表面呈明显的切削和犁沟剥落。冲击角为60°时,冲蚀磨损表面出现冲击碎片及空蚀洞,磨损机制为疲劳损伤和微切削。冲击角为90°时,试样表面的犁沟消失,取而代之的是或大或小的冲蚀凹坑及挤压唇。随着冲击角的增大,CrMoV堆焊层的冲蚀磨损机制逐渐由微切削转变为疲劳损伤和局部塑性变形,堆焊层最大磨损冲蚀率对应的冲击角在45°～60°之间。

磨粒的颗粒大小、形状和软硬程度对冲蚀的影响很大,硬粒子造成的破坏比软粒子严重,尖锐粒子造成的破坏比球形粒子严重。冲蚀磨损率与磨粒大小之间存在一临界尺寸,大于临界尺寸后,磨粒尺寸产生的影响很小,可不考虑。粒子的可碎性也是影响冲蚀磨损的一个因素,随着冲击角、冲击力的增大,脆性粒子冲击后发生破碎的概率增大,粒子破碎产生的屑片会对材料表面造成二次冲蚀。姜胜利等[6]对20SiMn低合金钢在六种砂粒粒径下的多相流损伤进行了研究,表明粒径的变化引起了材料损伤机制的变化,小粒径时为选择性冲蚀破坏机制,大粒径时为犁削破坏机制;大粒径下空蚀的存在对失重有显著影响,而小粒径的影响很小,粒径对失重总的影响趋势是粒径越大,失重率也越大;砂粒粒径达到粒径范围150～250 μm时,影响趋势不明显,即在这一范围内,失重对粒径的变化不敏感。

4 疏浚船管道腐蚀原理

疏浚船管道的腐蚀有电化学腐蚀、空蚀、冲刷腐蚀、点蚀、应力腐蚀等,主要为电化学腐蚀和空蚀。

4.1 电化学腐蚀

金属与电解质溶液发生电化学反应,导致金属材料腐蚀破坏,称为电化学腐蚀。材料在电解质溶液中的腐蚀电位可表征相对活泼程度。浆体中的腐蚀失重主要由电化学腐蚀引起,特别是钢中C元素形成的碳化物颗粒,在基体中充当阴极,促进电化学腐蚀的发生。浆体的流动使管壁处的O2供应量得到充分保证,当空气中O元素扩散到金属表面的流速加快时,会加剧电化学反应,所以抑制电化学腐蚀的发生是改善管道耐磨蚀性能的一个途径。传统的耐候钢通过添加Cu、Cr、Ni、Si等元素在材料表面形成保护性层,以提高耐腐蚀性能,但这些保护层与基体的附着性较差,在磨损、腐蚀过程中容易被去除,从而导致更严重的腐蚀失重。

4.2 空蚀

空蚀指在高速多相流条件下,液体介质中局部压力变化致使空泡形成和溃灭,材料连续受到高压、高速微射流冲击作用,进而产生表面破坏。空蚀一般发生在流体机械高速相对运动的部件中,由于存在复杂多变的疏浚工况,不同失效管道的空蚀作用机制不尽相同。目前,对于空蚀的机制存在多种解释。射流作用机制认为在空泡溃灭时伴有瞬时高速射流,射流冲击壁面造成空蚀破坏。激波理论认为在空化现象发生过程中,空泡在溃灭时会产生向四周扩散的激波,激波携带能量不断作用在材料的表面,最终造成材料破坏。气泡破灭的冲击波、高速射流与腐蚀的联合作用,在工件表面产生强大的破坏力。空蚀的存在明显增大了大粒子的动量,纵向运动速度也有所加快,进而缩短粒子接触材料表面的时间。空蚀使固体颗粒运动状态发生变化,与固体颗粒对空泡形成和溃灭过程的影响有关。

5 疏浚船管道腐蚀影响因素

疏浚船管道腐蚀受很多因素影响,对于普通碳钢管而言,其组织形态、晶粒大小、化学成分等都将影响腐蚀类型及速度。对于高铬钢管而言,主要利用合适的表面技术在低碳钢、碳钢上形成高铬合金层,在合金层不受破坏的前提下,影响腐蚀的主要因素是合金层的化学成分、组织结构。通过研究纯金属和合金材料的抗空蚀性能,发现金属材料的抗空蚀性能主要与固体中的晶体结构、结合键,以及材料的相转变、变形能力有关。材料的化学成分、表面形貌及一些外界环境条件对金属材料空蚀行为的影响有许多共同点,塑性、韧性较好的材料,耐空蚀性能强。腐蚀性介质、固体颗粒等会促进材料的空蚀破坏程度。一定程度的规则表面起伏,能够延长空蚀的孕育期时间。从腐蚀角度分析,浆体温度、溶解氧、盐度、附着生物、污染程度、流速和腐蚀产物等因素都对疏浚船管道的腐蚀产生或大或小的影响,腐蚀不是单个因素作用的结果,而是多个因素甚至是整个腐蚀环境相互作用的结果。疏浚船管道腐蚀影响因素见表1。

表1 疏浚船管道腐蚀影响因素

6 提高耐磨损、腐蚀性能的方法

疏浚作业中管体以磨损为主,腐蚀的存在使腐蚀与磨损产生了明显的相互促进作用,从而增大了材料的总失重。因此,对于疏浚管道用耐磨损、腐蚀材料,首先要考虑其耐浆体磨损的性能,同时抑制腐蚀的发生,从而实现耐磨损、腐蚀性能的改善,即要保证材料有足够的硬度,存在可与泥沙相抗衡的硬质相,其次才是耐腐蚀。提高材料的耐磨损性能,主要有变形强化和第二相强化等技术。热处理、微合金化、钝化膜、表面处理等手段,则同时兼顾了耐磨损性能的改善和耐腐蚀性能的提高。

6.1 涂层技术

目前疏浚行业使用的管材主要有普通钢管、高铬钢管和超高分子量聚乙烯管。Q345低合金钢磨损较快,但低合金钢材价格便宜。耐磨损复合钢管为高铬合金,属于白口铸铁系列,硬度高,合金成分高,适量Cr元素的加入提高了基体的自腐蚀电位,有利于减轻钢的腐蚀倾向,同时提高耐磨损性能。另一方面,耐磨损复合管涂层或堆焊层与基体的结合力,以及自身的耐磨性、耐蚀性,仍有待提高。陈春江等[7]采用等离子喷涂技术在X70管线钢表面喷涂Cr2O3复合涂层,粘结层+陶瓷层试样的腐蚀速率显著降低,这样做对基体有很好的耐腐蚀保护作用。王剑[8]通过耦合电弧热丝无极惰性气体保护焊在20G钢表面采用Inconel 625焊丝进行堆焊工艺试验,堆焊层与基体界面熔合良好,无裂纹、气孔等缺陷,堆焊层稀释率降低,堆焊层成分得到了改善,从而降低了堆焊层的腐蚀速率。Kumar等[9]采用高速氧燃料涂层技术沉积WC-10Co4Cr涂层,对SS202、SS304两种管道材料进行侵蚀磨损试验,观察到耐磨损、腐蚀性能显着改善。

对于管道空蚀失效问题,多从材料升级、结构改造等方面提高管道的抗空蚀性能。不同失效管道的空蚀作用机制不尽相同,所以针对管道特定结构特性,准确分析管道内部流动和相应空蚀机制,找到空蚀失效影响因素及规律,是解决空蚀失效问题的关键。由于空蚀只发生在零件表面,因此采用涂层技术提高过流部件表面性能是解决空蚀问题的重要技术手段。熔覆层的晶粒细化可以提高耐空蚀性能,张松等[10]采用激光熔覆技术在Monel 400合金表面制备Ni基稀土合金熔覆层,熔覆层的抗空蚀性能是Monel 400合金的8.7倍,得出Ni基稀土合金熔覆层的细晶强化,以及空蚀过程中产生的阻断晶界网状结构是提高耐空蚀性能的关键。刘海涛等[11]通过比较不同系列Ni基合金喷熔层在NaCl溶液中的抗空蚀性能,得出NiCrBSiCuMo 喷熔层在NaCl 溶液中具有优异的抗空蚀性能,这是因为喷熔层不仅具有较高的硬度,而且还存在细化涂层组织与改善涂层韧性的Mo2C相、MoSi2相。

6.2 外加电流阴极保护

管道内壁外加电流阴极保护的基本原理是电解池化学反应。将要保护的金属与外加电源的负极连接,作为电解池的阴极。将辅助电极与外加电源的正极连接,作为电解池的阳极。通过外加电流及外部辅助材料,大量电子聚集在被保护的金属设备表面,使整个金属处于负电位,成为整个系统的阴极,阻止金属失去电子,从而降低腐蚀速度。外加电流保护系统由恒电位仪、参比电极、不溶性辅助阳极、接地装置等组成。张兆云等[12]通过管道内壁涂层检测,利用循环海水管道增加外加电流阴极保护系统,有效防止管道内壁腐蚀,延长使用寿命。郑玉贵等[13]系统研究了室温时外加电位对0Crl8Ni9Ti不锈钢在10%H2SO4+15%刚玉砂介质中冲刷腐蚀行为的影响,结果表明,随着外加阴极电位的负移,保护度逐渐增大,阴极保护能显著降低冲刷腐蚀速率,保护度可达73.6%。

7 新材料应用展望

新材料为疏浚行业水中输泥管道提供了新的发展空间。有机涂层相比金属涂层,具有更好的抗腐蚀性能,在空蚀过程中,特别是在海洋环境下的空蚀过程中,可以有效降低基体材料发生电化学腐蚀的可能性。随着新材料的发展,越来越多的新材料将应用于疏浚行业,所带来的经济利益是巨大的。

7.1 高密度聚乙烯

高密度聚乙烯管在受冲击时表现出良好的柔韧性,弹性模量小,变形时产生的应力也很小。在防腐蚀方面,内壁不需要做相关处理,而普通钢管耐化学腐蚀及电化腐蚀的能力则较弱。高密度聚乙烯管在水中可以呈自然弯曲布置,并且在承受风浪冲击和其它外力时,不会产生应力集中而损坏管道,可以提高管道运行的安全性和可靠性[14]。

7.2 超高分子量聚乙烯

超高分子量聚乙烯管具有高强度、高耐磨、高耐冲击、自润滑、不结垢等优点,可取代普通钢管和昂贵的合金钢管、不锈钢管,用于疏浚与输油这两大要求极为严格的工程领域。石油行业对高性能、节能环保管道有需求,大型多功能挖泥船对高强度、高安全性绿色管道有需求,都使超高分子量聚乙烯管脱颖而出[15]。

7.3 聚氨酯

聚氨酯具有高弹性、高拉伸强度、高抗疲劳性能,对钢材有良好的附着力,可对任意曲面喷涂成形。蒋基安等[16]在实验室模拟疏浚工程现场的实际工作情况,分别采用高铬钢、超高分子量聚乙烯、Q235-AF管道与聚氨酯管道进行耐磨损性能对比试验。通过分析可知,对于直管道,四种材料的耐磨损性能从高到低依次是聚氨酯、高铬钢、超高分子量聚乙烯、Q235-AF,并且聚氨酯的耐磨损性能至少是Q235-AF的8倍。聚氨酯弹性体具有相对较高的损失因子,在高频振动或受到外力冲击时,能吸收60%以上的能量,可有效消除或减缓外力冲击、高频振动等所产生的破坏,是适宜制备抗空蚀弹性体的新型材料。

7.4 聚天冬氨酸酯聚脲

聚天冬氨酸酯聚脲是聚脲发展的最新成果。李宁等[17]研制了一种聚天冬氨酸酯聚脲弹性体材料,制成涂层后,在空蚀模拟试验机上进行抗加速空蚀性能研究。试验结果表明,聚天冬氨酸酯聚脲弹性体材料与改性环氧树脂材料、刚性聚天冬氨酸酯聚脲材料相比,具有更优异的抗空蚀性能。由此可知,柔性高分子材料的抗空蚀性能比刚性高分子材料好,且材料的抗拉强度越高,抗空蚀性能越强。与传统聚脲相比,聚天冬氨酸酯聚脲由于空间位阻的原因,与异氰酸酯组分反应缓慢,所制备的涂层对基材具有更好的浸润性,且缺陷少。