舰船海水管路体系典型材料的性能

王广夫,贾智棋,董彩常,亓云飞

(1. 海军驻大连地区第一军事代表室，大连 116300； 2. 青岛钢研纳克检测防护技术有限公司，青岛 266071)

海水管路系统遍布舰船各个角落，承担着主/辅机和其他动力机电、武备、空调系统的冷却以及舰船的消防任务。管路系统是维持舰船正常运行的重要组成部分，其相关的腐蚀研究也是舰船工业关注的重点。舰船管路系统的发展经历了三代。第一代为紫铜管路，第二代是以铜镍合金为主干材料的海水管路系统，自20世纪90年代以来，随着镍基合金和钛合金价格的降低以及管路加工、焊接技术水平的提升，具有良好耐蚀性、耐冲刷性的镍基合金和钛合金作为第三代海水管路系统材料逐步在舰船工业上获得大量应用。

本工作选取第一代管路材料TUP紫铜，第二代管路材料B10铜镍合金及第三代管路材料TA2钛合金作为三代管路材料的代表性的材料，对其性能进行全面对比研究，重点对管路材料的海水腐蚀行为进行研究，以期为舰船海水管路腐蚀规律的研究及应用提供数据支撑。

1 试验

1.1 试验材料

试验材料为TUP紫铜、B10铜镍合金、TA2钛合金，化学成分见表1。

1.2 试验方法

1.2.1 力学性能测试

拉伸试验参照标准GB/T 228-2010进行，将TUP紫铜、B10铜镍合金、TA2钛合金材料制成如图1所示的哑铃状试样。拉伸试验在WDW3200万能电子试验机上进行，拉伸速率为1.0 mm/min，记录抗拉强度及断后伸长率。

表1 试验材料的化学成分Tab. 1 Chemical composition of test materials %

图1 拉伸试样的尺寸Fig. 1 Size of tensile specimen

1.2.2 海水长期暴露试验

海水长期暴露试验用试样尺寸为200 mm×100 mm×5 mm，表面为原始状态。将试样固定在试样框架上，投放在青岛海水试验站中。青岛海水环境因素见表2。暴露时间为1,2,4,8,16 a，暴露方法及试样处理过程参照国标GB/T 5776-2005《金属和合金的腐蚀 金属和合金 在表层海水中暴露和评定的导则》。计算试样的腐蚀速率和平均点蚀深度。

表2 海水环境因素Tab. 2 Seawater environmental factors

1.2.3 海水冲刷试验

将TUP紫铜、B10铜镍合金、TA2钛合金三种材料加工成图2所示试片。每种材料取两个平行样，试片表面磨光，试验前丙酮除油，称量待用。

图2 冲刷试片尺寸Fig. 2 Scour coupon size

通过特制卡具将冲刷试片安装到管路中，试验介质为青岛小麦岛海水，流速为1，3，5 m/s，试验周期10 d。试验结束后，参照GB/T 16545-1996《金属和合金的腐蚀 腐蚀试样上腐蚀产物的清除》清除腐蚀产物并称量，计算腐蚀速率。在冲刷过程中，最后7 d，同步进行电位测试，用UT56型万用表测量冲刷电位，以饱和甘汞电极(SCE)作参比电极，冲刷试片为工作电极，管道外壁为辅助电极。

2 结果与讨论

2.1 力学性能

由图3可见:该批TUP紫铜试样的抗拉强度仅为187 MPa，TA2钛合金的抗拉强度最高，达506 MPa。 TUP紫铜、B10铜镍合金、TA2钛合金三种材料的抗拉强度依次增大。但这三种材料的断后伸长率相差不大。

TUP紫铜因成分单一，结构简单，强度、硬度等力学性能较差[1]。B10铜镍合金中的铜与镍两种元素无限固溶形成α单相合金，且添加的Fe可借助亚稳分解来改善其性能，有效细化B10铜镍合金晶粒，从而提高强度，故B10铜镍合金的力学性能比TUP紫铜显著增强[2-3]。TA2钛合金是一种常用的工业纯钛，含有较多的氧、氮、碳及其他杂质元素，这些元素使其强度大大提高[4]，所以TA2钛合金的抗拉强度远高于TUP紫铜和B10铜镍合金。

图3 三种试样的拉伸试验结果Fig. 3 Tensile test results of three specimens

2.2 海水长期暴露试验

16 a腐蚀试验由国家海水腐蚀网站统一组织，以获得各种材料在我国各海域的实海腐蚀数据，本工作中筛选青岛海水试验站全浸区的铜合金及钛合金的腐蚀数据作为研究数据。

由图4可见：TA2钛合金经2，4，8，16 a试验后并无腐蚀失重，即其在海水中是完全耐蚀的；TUP紫铜的腐蚀速率比B10铜镍合金大，这两种铜合金的腐蚀速率在试验前期(前2 a)的都下降很快，试验后期下降速度变缓，且B10铜镍合金的腐蚀速率在腐蚀16 a时出现逆转。TUP紫铜在试验期间的平均点蚀深度大于B10铜镍合金，前两年较平稳，第4年急增后又下降，B10铜镍合金的平均点蚀深度增长较平缓；在试验前期,这两种合金的最大点蚀深度与平均点蚀深度的变化规律相似，在第4年，TUP紫铜出现峰值，之后急降。而B10铜镍合金在后期缓慢增加，相对稳定。总体呈现的结果是B10铜镍合金的耐蚀性较TUP紫铜好。

(a) 腐蚀速率 (b) 平均点蚀深度 (c) 最大点蚀深度图4 三种材料在青岛海域全浸区的16 a腐蚀数据Fig. 4 16-year corrosion data of three materials in Qingdao sea area full immersion area: (a) corrosion rate; (b) average pitting depth; (c) maximum pitting depth

钛的化学活性很高，暴露于任何含氧介质中，都会立即形成一层致密、附着力强、情性大的氧化膜[4-5]，这种表面氧化膜的存在可以很好地解释TA2钛合金为什么在海水中完全耐蚀。B10铜镍合金的耐蚀性能较TUP紫铜要好，且点蚀深度优势尤为明显。林乐耘等[6]的研究表明，B10铜镍合金在海水中会形成富镍富铁的氧化膜，该氧化膜阻碍了氧向表面的扩散，提供了强有力的保护作用，从而大大降低腐蚀速率。另外TUP紫铜和B10铜镍合金随腐蚀时间延长，平均腐蚀速率总体呈降低趋势，这是由于随着试验时间的延长，铜及铜合金表面形成的腐蚀产物膜不断增厚，膜的保护作用逐渐增强。而B10铜镍合金在试验第16年出现腐蚀速率增大现象，这可能是由于腐蚀产物膜脱落，保护作用减弱[7-8]。

2.3 海水冲刷试验

由图5可见：在短期冲刷试验中，随流速增加，TUP紫铜与B10铜镍合金的腐蚀失重增大，总体上B10铜镍合金的腐蚀速率稍小于TUP紫铜； TA2钛合金几乎没有腐蚀失重。

TA2钛合金的耐冲刷性能较好，试验前后钛合金表面状态没有发生明显变化，没有明显的腐蚀产物附着。TUP紫铜与B10铜镍合金的腐蚀失重随流速增加而增大，这是因为随着流速增加，材料表面腐蚀反应生成的氧化膜层受流动海水剪切力作用而遭受一定程度破坏，腐蚀产物外层膜被冲刷，内层氧化膜层随着流速增加也逐渐减薄，保护作用减弱使腐蚀速率增加[9]。因冲刷腐蚀试验时间较短，所以B10铜镍合金与TUP紫铜的腐蚀速率差别不大，若要使这两者的腐蚀速率产生明显差距，后续可进行长期冲刷腐蚀试验。

由图6可见：TUP紫铜与B10铜镍合金的电位随试验时间的延长均呈现波动现象；TUP紫铜的电位波动范围较大，B10铜镍合金较小。随着海水流速的增加，TUP紫铜与B10铜镍合金的电位呈现不规律的变化，而TA2钛合金的电位随海水流速增大呈现增加趋势。

(a) TUP (b) B10 (c) TA2图6 不同流速条件下，三种材料的电位-时间变化曲线Fig. 6 Potential-time curves of the three materials under different flow rate conditions

TUP紫铜与B10铜镍合金出现电位波动可能与表面形成复杂的氧化物有关。这两种材料表面都会形成内、外双层腐蚀产物膜，外层产物膜多是铜的二价腐蚀产物，较为疏松且与基体的结合力不强，内层主要是CuO产物膜，对基体有保护作用。冲刷过程中，外层氧化物被冲落，内层膜受到冲刷作用而减薄、破裂，基体裸露，这有利于生成新的产物膜，如此反复，造成电位波动[10]。TA2钛合金在高流速海水中，携带了更充足的氧，形成了致密氧化膜，表面更加稳定，故其电位随流速增大而正移。

3 结论

(1) TUP紫铜成分较单一，强度较低；B10铜镍合金因合金元素的添加，强度增加，且塑性未见明显降低；TA2钛合金强度较高，但合金元素过多也降低了其塑性。

(2) 青岛海域全浸区为期16 a的实海浸泡试验结果表明， TUP紫铜有较高的腐蚀速率，且在浸泡后期点蚀深度有明显增加，而B10铜镍合金表现出优异的耐蚀性且点蚀深度增长平稳；TA2钛合金因表面形成了惰性表面膜，在海水环境中完全耐蚀。

(3) 海水冲刷试验中，铜合金的腐蚀速率随流速增加而增大，但电位随流速增加的变化规律不明显。其中TUP紫铜的冲刷电位波动范围较大，B10铜镍合金波动较小，这可能与其生成的复杂氧化膜有关；TA2钛合金在冲刷试验中未见明显腐蚀，电位随冲刷速度增加而正移。