海水消防系统腐蚀问题的研究

史天华

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）

1 引言

大型国际化港口通常采用独立的消防系统，考虑经济及后续保养问题，一般采用临近的海水作为消防用水，因此，港口消防系统设计采用海水取水泵系统。海水是一种高强的腐蚀性介质，对整体消防系统的耐腐蚀性具有很大的影响。如何提升消防系统的耐腐蚀性能，对海水消防系统的选择至关重要。本文依托厄瓜多尔波索尔哈多用途码头项目海水消防系统锈蚀的案例，分析其锈蚀原因，对照相关原因提出对应措施，为同类海水消防系统的选择及施工提供借鉴。

2 项目概况

2.1 消防系统概况

厄瓜多尔波索尔哈多用途码头项目消防系统设计为海水消防，消防系统总长4612 m，其中，地下消防采用高密度聚乙烯（HDPE）管道，总长4552 m。地下消防至消防泵采用316LSS不锈钢管，管道总长60 m。共有消防海水泵站1座，稳压泵1个，消火栓55处（地下）+1处（地上）及消防阀门21个，设计工作压力0.7～1 MPa。工作原理：工作时消防海水泵将海水加压输送至项目现场各个消火栓，而非工作时间段由稳压泵根据压力设置值保持消防管道内的压力，即稳压泵保压，消防泵工作，消防泵站如图1所示。

图1 消防泵站

2.2 消防系统锈蚀情况

项目消防系统完工3个月后，消防系统逐渐出现了较大的腐蚀问题，主要出现了以下3种锈蚀问题：（1）消防阀门锈蚀（见图2）；（2）消防316LSS不锈钢管锈蚀（见图3）；（3）消防泵管锈蚀（见图4）。

图2 消防阀门锈蚀

图3 消防316LSS不锈钢管锈蚀

图4 消防泵管锈蚀

3 锈蚀问题及其影响

根据锈蚀状况可以看出，现场锈蚀问题主要为两种，即铁件的面锈蚀和不锈钢的点锈蚀。由于存在锈蚀问题，导致整个消防泵不间断地漏水泄压，引起整体消防泵系统的稳压泵频繁启动，严重影响消防系统的整体运营及后期使用[1]。

4 原因分析

4.1 铁件在海水中的析氢与吸氧腐蚀

此类腐蚀在铁质构件中是比较常见的电化学腐蚀，本项目的消防井内主要先产生吸氧腐蚀，进而产生析氢腐蚀。消防井施工完成后，由于与大气相连通，井内含有的腐蚀性气体为氧气（O2）与二氧化碳（CO2），消防井内腐蚀气体分布如图5所示。

图5 消防井内始腐蚀性气体分布

井在具备氧气的情况下，消防铁质阀门首先进行吸氧腐蚀，铁在海水介质中失去电子形成亚铁离子（Fe2+），而氧气与水（H2O）得到电子形成氢氧根离子（OH-），二者相互结合形成氢氧化亚铁[Fe（OH）2]，而氢氧化亚铁中亚铁离子（Fe2+）极易被二次氧化为铁离子（Fe3+），从而最终形成三氧化二铁（Fe2O3），即铁锈，腐蚀过程总反应式如下：

总反应：

当井内的氧气不断地与消防铁质阀门发生锈蚀反应而不断被消耗，导致井内的腐蚀性变为惰性气体二氧化碳（CO2），而惰性气体二氧化碳（CO2）溶于海水形成碳酸（H2CO3），但碳酸（H2CO3)在水中以氢离子（H+）与碳酸氢根离子（HCO3-）的形式存在。当铁在海水介质中失去电子形成亚铁离子（Fe2+），而氢离子（H+）得到电子形成氢气（H2），亚铁离子（Fe2+）极易被二次氧化为铁离子（Fe3+），从而最终形成三氧化二铁（Fe2O3），即铁锈，反应式如下：

总反应：

根据上述分析，消防铁质阀门的锈蚀主要位于漏水与外界空气接触区域，此区域由于在海水介质的作用下，铁质构件发生了析氢腐蚀及吸氧腐蚀的电化学反应，从而导致整个阀门锈蚀漏水。

4.2 消防泵316LSS不锈钢管的点蚀

此类腐蚀是比较罕见的一类腐蚀，是不锈钢在含有活性氯离子（Cl-）的介质中，其表面的钝化膜遭到破坏，从而形成表面的腐蚀坑，逐渐发展后形成点腐蚀。随着点腐蚀面积的扩大，逐渐形成了面腐蚀。根据项目的腐蚀位置，此类腐蚀主要是由于消防泵在工作时，其通电作用下整个连接泵体的不锈钢管处于一种低电压的带电状态，从而发生了电化学腐蚀。

根据不锈钢耐点蚀特性，一般用耐点蚀当量（PREN）来评定与标示不锈钢在氯化物环境中抵抗点蚀的能力。通常认为，当PREN超过32时，可耐海水腐蚀。耐点蚀当量（PREN）的详细计算如下：

当金属材料为不锈钢材料时：

当金属材料为双相不锈钢材料：

式中，Cr%为铬元素的质量分数；Mo%为钼元素的质量分数；N%为氮元素的质量分数。

项目现场所采用的316LSS不锈钢管的材料，其化学成分质量分数见表1。根据表1计算可得，316LSS不锈钢的耐点蚀当量值PRENmax=30.9＜32。因此，项目采用的316LSS不锈钢材料最大的耐点蚀当量值PRENmax＜32，不能满足海水环境下的抗点蚀要求。因此，在海水高压及水流作用下，导致不锈钢管出现点蚀，造成316LSS不锈钢管的锈蚀漏水[2]。

表1 316LSS不锈钢材料主要化学元素质量分数%

5 措施方案

1）海水消防阀门要进行严格的防腐处理，避免任何部位外部漏水，降低与空气接触概率，从而减少产生化学腐蚀的机会。同时，要将阀门与大地相连接，避免阀门携带低压电，减少对铁件产生电化学腐蚀的催化作用。建议在相同条件下，尽可能采用橡胶或高密度聚乙烯制品。

2）海水消防系统，建议采用不腐材料或者耐点蚀当量值＞32的金属材料，避免采用传统不锈钢（317LSS及以下的不锈钢），建议采用S32750系列双相不锈钢，S32750双相不锈钢化学元素质量分数见表2。

根据表2计算可得，S32750双相不锈钢的耐点蚀当量值为37.74＞32。因此，S32750双相不锈钢材料最小的耐点蚀当量值PRENmin＞32，满足海水耐点蚀当量值。

表2 S32750双相钢化学元素质量分数 %

3）海水消防系统所有金属管路做好接地，避免管道携带电压，减少管件电化学腐蚀的催化作用。

4）根据海水消防的特性及消防原理，建议按照常规设计一套淡水稳压泵清洗系统，即稳压泵及清洗系统全部采用淡水，在消防系统稳压状态下内部为淡水，仅在发生火灾时，由主泵吸取海水工作，待主泵工作完成后由稳压泵吸取淡水清洗整体消防系统内的海水并稳定压力，降低海水与消防系统长时间的接触而造成的腐蚀。

6 结论

结合项目实际情况对消防系统产生的腐蚀问题进行分析，发现项目消防系统设备材料设计及选取方面的不足，纠正传统意义上不锈钢材料就不腐的错误观念。建议选择海水消防系统时，设置稳压淡水清洗系统，降低海水消防系统非工作时的海水接触腐蚀。本文分析有助于在后续类似的海水消防系统设计中，确定合适的材料及选择正确的设计方案。