船舶海水管系腐蚀与防护

　　船舶海水管系是船舶推进保障系统、发电机组保障系统和辅助系统的重要组成部分，对于保证船舶动力装置、辅助机械和设备的正常工作具有重要的作用。船舶海水管系担任着冷却主辅机、消防、压载、清洗等任务，在保证船舶主要设备正常运行及安全、船舶平衡等方面起着重要作用。海水管系输送的均为海水,致使海水管系必然面临着严重的腐蚀问题，从而严重影响了设备的正常运行和船舶安全运行，大量维修也造成很大的人力、物力上的损失。因此，分析海水管系的腐蚀情况、提出有效防腐措施具有重要的意义。

　　1.概述

　　1.1海水管系材料

　　海水管系材料的种类繁多，目前我国船舶使用过和正在使用的主要海水管路材料包括钢管、铜及铜合金、不锈钢、铝合金、钛合金等。早期的海水系统大多采用碳钢、铸铁建造，钢制海水管路由于耐海水腐蚀性能较差，仅在辅助船舶中表面处理后少量使用。铜合金海水管路配套的泵阀材料以铸造黄铜和锡青铜等为主，我国针对B10海水管路提出，配套的海水泵等构件用铸造合金也改为与B10耐海水腐蚀性能相当的铸造镍铝青铜，以降低海水系统的全寿命成本。

　　国内有关单位近年来研制了新型的Ni-A1一Fe—Mn含铬镍铝青铜，并开展了该材料用于海水泵、阀以及海水管路制造方面的研究工作。不锈钢由于在溶解氧含量高的动态海水中可以钝化、耐蚀性较好而在海水管系中得到应用，而双相不锈钢由于具有较高的耐海水腐蚀性能，在国外海水管路特别是化工行业中得到成功应用，我国曾采用双相不锈钢作为海水管路材料应用于部分船舶。但由于存在工艺和材料匹配等方面的问题而出现了较多的腐蚀问题，其使用受到了限制。

　　由于重量和材料配套原因，铝质快船的大部分管路材料为铝管，如我国某铝合金快船的海水管路即采用与船体相同的耐蚀铝合金。铝管用于海水系统时，对其使用寿命的反映不一，容易出现点蚀穿孔现象，特别是消防管系在使用2～3年以后。钛合金具有优异的耐海水腐蚀性能，各国都非常重视船用钛合金的研究开发，俄罗斯和美国己成功将钛合金用于各类动力的船舶、水面船舶。

　　美国海军对薄壁钛合金管从费效角度进行评价，作为水面船舶海水冷却系统的候选管材，减轻90/10铜镍合金管的腐蚀和冲刷破坏，但由于钛合金管系与当前使用的海水阀材料电偶不匹配，它们间的电绝缘造价高。为确定与钛管系匹配且成本低的新阀体材料，美海军对当前使用的包括90/10Cu-Ni、Alloy400和M35镍基合金等管系材料与候选海水阀材料，包括奥氏体及超级奥氏体不锈钢、超级双相不锈钢、镍-铬-铝合金、钴合金以及钛合金进行了对比试验。

　　美国TicoTitanium，Inc.也对钛合金与船用海水管系材料90/10、70/30铜镍合金、316不锈钢的各种性能进行了对比，认为钛合金耐蚀性能优异，可减轻腐蚀维护费用、降低重量、延长使用周期。我国从上世纪60年代起开始研究开发船用钛合金，可基本满足各类船舶不同强度级别使用要求并适用于包括海水管系在内的不同部位。钛合金具有密度小、高比强度、耐蚀及抗剥蚀破坏的能力，适用于制造小直径的薄壁管路、阀及配件。俄罗斯军舰使用BT1-0、ⅡT-7M、3M、3B、ⅡT-3B等钛合金产品的实际情况表明，船舶海水管系使用钛合金的效果很好，不论是综合力学及加工性能还是耐海水腐蚀性能，其可靠性都是很高的。

　　研究及使用经验表明，船用钛合金产品可以承受不低于1.2×105h的腐蚀，这就使得设备正常运行时间超过了40年。钛合金的综合力学性能和抗海水冲刷腐蚀的性能优异，适合用来建造海水管路系统，尤其是在海水的流速与压力比较大的情况下。船舶管路系统采用钛合金来制造，最显著的优势是需要设计的管路壁厚的腐蚀余量减小，另外，用钛合金建造的海水管路能承受大的水流速度，从而管路的直径和壁厚就减小，管路的质量减轻。但是钛合金设备与其它材料的设备一起使用的时候，比较容易出现接触腐蚀问题，为了防止这一问题的出现，还需要设计、制造与之相匹配的其它钛合金设备(钛泵、钛阀等)。

　　1.2腐蚀原理

　　实际海水管路的腐蚀形式多样，分述如下。(1)根据腐蚀的机理,可分为电化学腐蚀、化学腐蚀和物理腐蚀。这几种腐蚀形式接触的介质不同，化学腐蚀是纯化学反应造成的，接触的是非电解质;物理腐蚀是因固体颗粒的物理溶解，对金属引起的划伤磨损破坏;电化学腐蚀是海水管路最普遍、最常见的腐蚀种类，接触介质为电解质。(2)根据金属的腐蚀破坏特性，金属腐蚀又分为均匀腐蚀和局部腐蚀。局部腐蚀通常不易预测，危险性更大，容易造成严重的事故。常见的局部腐蚀有点蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、湍流腐蚀及空泡腐蚀等。

　　(3)弯头处由于海水流向发生改变，对弯头内壁有较大冲击力，既加速了腐蚀产物的迁移，又加剧了电化学腐蚀，造成管壁明显变薄或有马蹄形蚀坑，甚至断裂，即还发生了冲击腐蚀和湍流腐蚀。(4)法兰在安装中，螺栓上紧过程中可能存在受力不均，连接处的焊缝也存在残余应力，除了电化学腐蚀外还发生了应力腐蚀等;由于法兰、螺栓、钢管三者间为异金属连接,存在小面积的阳极大面积阴极，造成腐蚀加剧。由此可见，管路的海水腐蚀种类繁多，由于海水的电阻率低，在金属表面容易形成微电池和宏观电池，腐蚀范围较广，发生腐蚀种类也比较多，同时存在均匀腐蚀和多种局部腐蚀。

　　1.3腐蚀分类

　　依照环境进行分类，可分为三类：干蚀、温蚀及微生物的腐蚀。干蚀包括硫腐蚀与高温氧化所产生的腐蚀等;温蚀包括化学药品、大气以及水溶液(淡水、海水及其它溶液)等;微生物的腐蚀包括藻类、真菌、细菌腐蚀等。依照腐蚀的形态进行分类，可分为两类：全面腐蚀与局部的腐蚀。

　　全面腐蚀是指在发生在整体表面上的均匀腐蚀;局部的腐蚀是指点、缝隙及晶间的腐蚀等。依照腐蚀的原因及现象进行分类，可分为四种：电偶的腐蚀、晶间的腐蚀、缝隙的腐蚀以及积物的腐蚀等。动态环境当中的腐蚀有冲击的腐蚀、应力的腐蚀、泡的腐蚀、疲劳的腐蚀。海洋环境不同产生的腐蚀有海上的大气区域、飞溅区域、潮差区域、全浸的区域腐蚀。

　　2.船舶海水管系腐蚀研究现状

　　2.1影响海水管系腐蚀的主要因素

　　(1)材料的影响海水管系材料大部分都与输送介质直接接触，因此管路内的腐蚀在很大程度上取决于材料本身的耐蚀性。常用的海水管路材料耐蚀性能递增顺序为：钢、镀锌钢、铝黄铜、铜镍合金、70-30铜镍合金。(2)气蚀的影响由于海水的扩散、旋涡和流道过窄及振动，在流体中形成低压区，在金属管壁与海水的界面上，由于大量气泡的不断破裂使管壁表面膜产生机械损伤，从而形成气蚀。由于气蚀的存在，使管壁被腐蚀成马蜂窝状的麻孔。

　　(3)海水流速的影响海水的流动使空气中的氧扩散到金属表面的速度加快，同时，它还会冲刷掉在金属表面所形成的各种保护膜。随着海水流动速度的增加，水流会呈紊流状态流动，使管壁处的氧供应量得到充分保证，因而氧的去极化作用一直处于高峰状态，导致腐蚀电流较大。在流动体系中，腐蚀介质与金属表面间的相对运动会加剧金属腐蚀。金属表面和腐蚀性流体之间由于高速相对运动引起的金属损坏现象，称为流动腐蚀，也是机械性冲刷和电化学腐蚀交互作用的结果。还会让海水接触到的管道表面出现空气泡或蒸汽泡破裂，导致冲击压力更大，加快管道的损耗。

　　(4)腐蚀环境特点的影响船舶海水管道在使用期间，遭受动态海水的冲刷作用。在关闭期间遭受海水浸蚀或潮湿海洋大气的作用。经常停泊于淡水港内或河口港内的船舶管道，由于易遭有机物质的沉积和污染海水或河水的作用，不仅发生沉积腐蚀的可能性增加，还可导致硫酸盐还原菌腐蚀，加速材料的破损。在不同的地理位置，船舶所受到的腐蚀性也会不同。例如：在南海行驶的船舶就会由于那里的海水和大气温度高而导致海水管系腐蚀的程度严重。随着海水温度的增加，海水中的溶解度就会降低，促使导电率、腐蚀电流增加，腐蚀速度会变快。

　　(5)管道构型的影响流体紊乱的地方最易发生冲击腐蚀，如分流处、汇流处、弯管处、管径变化处等，在同样流速下，直管部分可能仅遭全面均匀腐蚀，而上述地方可能出现明显的马蹄形蚀坑或管壁明显变薄的现象，危害较大。船舶海水管系的腐蚀还直接受船舶海水管系连接方式的影响。管子连接之间的缝隙处易因缝隙腐蚀而破坏，管子连接处的的下游段易形成湍流而破损。异种金属接触也影响海水管道的腐蚀。如紫铜管路与装有铜镍合金的冷凝器连接时，都会加速管道的腐蚀。

　　管材连接时要安装大小头、三通、四通、弯头等管子附件，不全是同一管径直管。海水流到这些地方，容易发生紊乱，对管材内壁造成较大的冲击，使得管子连接处出现不太规则形状的凹坑或管壁变薄的现象，这些部位容易出现局部腐蚀。船舶海水管系的腐蚀还直接受船舶海水管系连接方式的影响。管子一般采用法兰连接，焊接处焊缝要做特殊处理，否则会加重腐蚀异金属接触也影响海水管道的腐蚀。

　　(6)海洋生物的影响海洋生物的存在一方面使海水中含氧量增加，另一方面是海洋生物活动中放出CO2或分解出H2S，从而使周围海水酸化，两者都将导致海水管系腐蚀速度加快。微生物腐蚀的特征是局部腐蚀如孔蚀、缝隙腐蚀、膜下腐蚀、脱成分腐蚀和应力腐蚀开裂，因而其危害性更大。对微生物腐蚀敏感的金属材料有：碳钢、不锈钢、铜合金、镍合金等。

　　不同的金属和合金在海水中被海洋生物污损的速度是不同的，铜及其合金能有效防止海洋生物污损。在快速流动的和洁净的海水中，微生物的含量比较少，对材料腐蚀的影响也不明显，但如果船舶大部分时间处于停泊状态，这时管系中往往存有滞流的海水，并沉积大量的淤泥(在南海尤其如此)，就会给微生物的大量繁殖提供温床，这时微生物腐蚀就会成为材料失效的主要原因。海水管系是目前船舶腐蚀最严重的部位之一，经常发生腐蚀泄漏事故。

　　目前发现的造成海水管系腐蚀的细菌主要有四大类：硫酸盐还原菌(Sulfate-reducingbacteria，简称SRB，下同)、产粘泥细菌(Slime-producingbacteria)、产酸菌(Acid-producingbacteria)、产氨菌(Ammoniumproducingbacteria)。2.2国外船舶管系材料的环境腐蚀研究现状在海水管系材料的环境腐蚀研究方面，各国均进行了大量的基础和应用性研究，早期工作主要集中在材料的环境腐蚀数据的积累。

　　英、美等国针对其Cu-Ni合金海水管路材料的海洋环境腐蚀及与其配套材料间的电偶腐蚀兼容性开展了大量的试验研究，英国的S.A.Campbell等进行了铜镍合金与双相不锈钢、316和416不锈钢间的电偶匹配试验研究。英国Southampton大学受国防科技实验室资助研究了海水中环境因素对Ni-Al青铜(NAB)腐蚀性能的影响。报道的NAB典型应用包括高性能螺旋桨和海水处理系统，海水泵、阀及管件等，以及海上平台和海船的冷却系统。

　　针对NAB(UNSC95800)材料，研究了溶解氧、海水温度及盐度环境因素对材料在海水中腐蚀的影响，开展了其与钛合金、Cu-Ni合金在海水中长达3年的电偶腐蚀研究。美国海军鉴于水面船舶海水管系及其配套管件(泵、阀等)在服役中经常有较高的破坏率，与海水阀门相关的费用已成为水面船舶总体维修费用中的一个主要因素。为了降低海水阀门全寿命费用，正在考虑将能形成钝化膜的合金如镍铝青铜和镍合金400替代现行阀门材料。研究结果表明，这些易钝化材料提高了阀门的耐海水腐蚀及其与钛合金的电偶腐蚀能力。

　　2.3国内船舶管系材料的环境腐蚀研究现状

　　我国近年来针对船舶海水管系的环境腐蚀开展的试验研究工作，主要集中在实海长期投样、实验室的材料腐蚀性能评价和腐蚀机理研究方面。七二五所进行了B10、HDR双相不锈钢与其它海水管系材料在实验室条件下的自然腐蚀行为和电偶腐蚀特性试验;杨民针对船舶海水管路在南海的腐蚀进行了实船研究，从材料、流速控制、使用方面分析了腐蚀原因并提出了防腐措施。

　　近年来国内外关于海水管系材料的环境腐蚀研究集中于材料的腐蚀机理研究、特种材料的腐蚀特性研究、新型管系材料的电偶腐蚀匹配性研究等方面。相对国外船舶海水管系材料的环境腐蚀研究而言，我国现有的环境腐蚀试验研究工作不够系统和深入，试验材料不够全面，针对管系构件的环境腐蚀研究开展不多，腐蚀环境因素在试验中未予重点考虑。

　　3.船舶海水管系腐蚀防护措施

　　目前应用于不同舰船海水管路的防腐蚀措施主要有：选用耐蚀管材(铜镍合金管材、HDR双相不锈钢)、牺牲阳极保护(锌环)、涂镀层保护(内表面涂塑)、镀膜保护(硫酸亚铁成膜)等。

　　3.1海水管系微生物腐蚀的控制

　　首先，阴极保护不能解决海水管系的微生物腐蚀问题。其次，电解防污技术也不能解决微生物腐蚀的问题。目前控制微生物腐蚀最有效的方法是添加杀菌剂、缓蚀剂和粘泥剥离剂。通过添加杀菌剂杀灭微生物，防止管系的微生物腐蚀。杀菌剂通过阻碍菌体的呼吸作用、抑制蛋白质的合成、破坏细胞壁、阻碍核酸的合成等方法杀灭微生物。

　　添加Cu-Ni合金高效缓蚀剂，控制合金的自然电化学腐蚀。缓蚀剂通过物理或化学吸附，与基体结合，阻碍腐蚀反应的进行。通过添加粘泥剥离剂，去除管壁的微生物粘泥，提高杀菌剂的杀菌效果，并有利于缓蚀剂起作用。粘泥剥离剂应具有杀菌作用。3.2防止海水管系腐蚀的措施从影响船舶海水管道腐蚀原因中可以看出,船舶海水管道的腐蚀,是诸多原因叠加的结果,消除某一个腐蚀原因,只能够部分地改善管道的腐蚀,不能完全解决管道的腐蚀问题。海水管路的防腐是一个综合性的研究课题。

　　4.结语

　　近些年来，随着高科技技术的发展，耐腐蚀性的材料越来越多，在当今的船舶行业得到广泛应用。随着相应部门对船舶海水管系腐蚀问题的深入研究，海水管系腐蚀问题在一定程度上也得到了解决，虽然如此，但是防腐措施还并不完善，今后还要继续研究和探索，从而在根本上解决船舶海水管系腐蚀问题，促进船舶行业发展。相信随着技术的进步，设计和建造水平的提高，腐蚀问题一定会得到更好的解决。

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