某型艦船淡化海水管路腐蝕失效原因及治理建議

王廣夫,董彩常,吳 恒,張 波

(1. 海軍駐大連426廠軍事代表室,大連 116300; 2. 鋼鐵研究總院 青島海洋腐蝕研究所,青島 266071)

失效分析

某型艦船淡化海水管路腐蝕失效原因及治理建議

王廣夫1,董彩常2,吳 恒2,張 波2

(1. 海軍駐大連426廠軍事代表室,大連 116300; 2. 鋼鐵研究總院 青島海洋腐蝕研究所,青島 266071)

某型艦船淡化海水管路材質為鍍鋅管，使用一段時間后，鍍鋅管內部銹蝕嚴重，管內水質變差。通過腐蝕形貌觀察、點蝕深度測量等手段，進行了宏觀腐蝕形貌觀察；采用熒光光譜、紅外光譜和X射線衍射(XRD)等微觀分析手段，分析了鍍鋅管的腐蝕產物成分。結果表明：鍍鋅管腐蝕類型為局部腐蝕，點蝕嚴重。鍍鋅管腐蝕嚴重的主要原因是淡化海水腐蝕性較強，水質呈弱酸性；管路銹層主要成分為不穩定的γ-FeOOH和Fe3O4，且銹層疏松，不能對底層基體提供保護。建議后期對淡化海水管路的維修更換和設計選材時選用耐蝕性更強的316L不銹鋼，且需對淡化海水進行礦化調質。

淡化海水管路;腐蝕;失效分析

某型艦船淡化海水管路材質設計為鍍鋅管，服役較短時間后即發現腐蝕現象非常嚴重，這對船上官兵的日常生活造成了極大的影響。鍍鋅管是我國早期鋪設城市自來水管的主要管材，后因易發生比較嚴重的腐蝕問題而逐漸被淘汰，而由于鍍鋅鋼管價格低廉，在一些領域仍然繼續使用。

本工作通過實船取樣，對某型艦淡化海水管路鍍鋅管的腐蝕問題進行了實驗室分析，通過腐蝕形貌宏觀觀察和腐蝕產物成分分析等方法，研究了鍍鋅管在淡化海水中發生嚴重腐蝕的主要原因，并在此基礎上提出了相應的治理方案。

1 試驗

1.1 宏觀觀察

采用線切割剖開實船的鍍鋅鋼管樣品，使用尼康D50相機采集鍍鋅管內的腐蝕形貌。用3.5 g六次甲基四氨+500 mL鹽酸+500 mL蒸餾水配成酸洗溶液對腐蝕產物進行清洗，去除腐蝕產物后，觀察分析基體腐蝕形貌和類型。

1.2 點蝕深度測量

使用點蝕測量儀測量點蝕坑深度，判斷腐蝕嚴重程度和腐蝕類型。

1.3 化學成分分析

使用Fluorolog-3型熒光分光光度計，分析內銹層、外銹層中各元素含量，判斷腐蝕產物的來源；使用Bruker/D8 ADVANCE型X射線衍射儀(XRD)，分別對內外銹層進行測試，分析腐蝕產物的成分，并驗證紅外光譜分析結果，探究鍍鋅管的腐蝕原因。

2 結果與討論

2.1 宏觀形貌觀察

由圖1可見，鍍鋅管內部銹蝕非常嚴重，腐蝕產物層呈不規則狀，厚薄不均。外表面腐蝕產物呈現黃褐色，手觸感覺有一定硬度，腐蝕產物較易脫落，且在脫落處可看出底層明顯的黑色內銹層。

圖1 鍍鋅管法蘭處腐蝕形貌Fig. 1 Corrosion morphology of galvanized pipe flange

由圖2可見，銹層并不是非常均勻地附著在整個管路內部表面，而是以山丘隆起狀分布的，銹層形狀為片狀，與碳鋼在海水中的腐蝕形貌有比較明顯的差別。管路內部銹層覆蓋的程度不一，大部分區域銹層很薄，小部分區域銹層較厚，較厚的部位外銹層脫落后可以看到內部呈現黑色，初步判斷可能為Fe3O4。

圖2 鍍鋅管剖開后表面腐蝕形貌Fig. 2 Corrosion morphology of galvanized pipe after cutting

由圖3可見,鍍鋅管內壁整體出現了非常嚴重的坑蝕，腐蝕類型為局部腐蝕，而非全面腐蝕，管壁出現嚴重腐蝕斑的面積已達到管壁面積的90%以上。

圖3 除銹后鍍鋅管表面腐蝕形貌Fig. 3 Corrosion morphology of galvanized pipe after derusting

由圖4可見,鍍鋅管內部腐蝕坑已發展較深，部分蝕斑連接成片。采用點蝕深度測量儀對腐蝕坑點的深度進行測量，結果表明，最大坑蝕深度為1.42 mm，對于3.5 mm壁厚的鍍鋅管來說，其最大腐蝕深度已達到壁厚的40%。

圖4 點蝕坑處放大形貌Fig. 4 Enlarged view in pitting position

綜上所述，鍍鋅管在淡化海水中腐蝕嚴重，可能是由于淡化海水對鍍鋅管具有較強的腐蝕性。有關淡化海水水質的研究結果表明，與海水相比,一級反滲透產水(RO)的pH呈弱酸性,雖然一級反滲透產水中的鹽度、Cl-等已有大幅降低，但依然具有較強腐蝕性[1-2]。

根據調研，該型船淡化海水依然是一級反滲透產水，故水中含有的少量的Cl-。而Cl-由于半徑小、活性大，在介質中對鍍鋅層的破壞力極大。Cl-可從保護性鍍層結構的缺陷處滲入，直接與鋼基體發生反應。露出的金屬基體便是活化-鈍化腐蝕電池的陽極，未被穿透的大面積保護性鍍層區域便是腐蝕電池的陰極。這種大陰極、小陽極的腐蝕電池促成了鋼基體的局部腐蝕。

2.2 化學成分分析

由表1可見,外銹層的元素成分比較復雜，除了常規鐵銹元素如鐵和氧元素外，其鋅含量也比較高，可以推測外銹層中除了常規的氧化鐵系列腐蝕產物外，還存在一定比例的鍍鋅層發生腐蝕后生成的腐蝕產物;此外，外銹層中雖含有一定量的鈣，但含量極少，因此，可以推斷鍍鋅管內壁形成的銹層并沒有出現鈣、鎂氧化物等常規的水垢層。內銹層中鋅的質量分數僅為3.26%，分析原因應該是內銹層取樣時不小心混入一定的外銹層所致。從鋅的含量也可以推測，鍍鋅管內壁銹層的形成是由內向外逐漸發展的。

表1 鍍鋅層內、外銹層中的化學成分Tab. 1 Chemical composition of inner and outer rust of galvcnized steel pipe %

由圖5可見,內、外銹層都含有Fe3O4(587 cm-1)，并都有少量γ-FeOOH(1 162,1 020,745 cm-1)。從圖中峰的強度可以判斷，內、外銹層中Fe3O4含量均較多，α-FeOOH含量均較少。鐵的腐蝕產物Fe3O4和γ-FeOOH都具有一定的反應活性，而α-FeOOH相對來說是一種熱力學穩定物質。從紅外光譜分析結果可以看出，銹層產物主要為Fe3O4和γ-FeOOH，α-FeOOH幾乎檢測不到，可以推測在淡化海水中鍍鋅管的腐蝕產物處于活化狀態，其腐蝕產物層并不像海水中致密的腐蝕產物層一樣可以阻止底層金屬的發生腐蝕。

圖5 外銹層、內銹層紅外光譜分析結果Fig. 5 Infrared spectrum analysis results of outer and inner rust layer

另外，從外銹層的紅外光譜圖可以看出,在1 624 cm-1有明顯的單峰，此處的吸收峰是Zn(OH)2的特征峰。在712 cm-1處是CaCO3紅外吸收特征峰，而此處峰并不明顯，所以外銹層中鈣含

量較少，未發現鎂的特征峰。此部分的分析結果與銹層熒光分析結果相符。

由圖6可見,銹層主要由Fe3O4、γ-FeOOH和β-FeOOH等活性成分組成，而α-FeOOH幾乎檢測不到。從峰的強度對比可以看出，外銹層的羥基氧化鐵含量比內銹層的多，而內銹層主要以Fe3O4為主，這與紅外光譜的分析結果相吻合。

圖6 內銹層、外銹層的X射線衍射分析結果Fig. 6 X-ray diffraction analysis results of the outer and inner rust layers

從紅外光譜和XRD的分析結果來看，腐蝕產物主要是鐵的氧化物，主要包括Fe3O4、γ-FeOOH和β-FeOOH等活性成分，而α-FeOOH幾乎檢測不到，外銹層的羥基氧化鐵含量應比內銹層的多，而內銹層主要以Fe3O4為主，主要是因為外層的γ-FeOOH不穩定，不斷轉化為Fe3O4[3]，這導致Fe3O4不斷在銹層中積累，這也是在宏觀腐蝕形貌中發現有較厚黑色內銹層的原因[4]。

3 結論和建議

鍍鋅鋼在淡化海水中的腐蝕非常嚴重，腐蝕類型是局部腐蝕，點蝕是其主要表現形式。造成鍍鋅管腐蝕嚴重的原因：一方面是淡化海水水質的腐蝕性仍較強，呈弱酸性；另一方面是銹層表面形成的γ-FeOOH不穩定，且銹層質地疏松，不能對銹層下的基體提供保護。

為了避免艦船淡化海水管路繼續發生比較嚴重的腐蝕問題，建議如下：

(1) 對已安裝使用的鍍鋅管路，建議結合維修等級更換耐蝕性更好的管路，如采用316L不銹鋼管替換腐蝕嚴重的鍍鋅管；

(2) 新型艦船設計建造時，對于淡化海水管路的選材宜直接選用耐蝕性更好的316L不銹鋼管材料；

(3) 對淡化海水采取礦化及消毒措施，調節水質pH，減輕介質對管路材料的腐蝕。

[1] 王宏義,周東輝,梁沁沁,等. 碳鋼在海水及海水淡化一級反滲透產水中的腐蝕行為[J]. 熱力發電,2012(7):72-75.

[2] 李敬,劉貴昌,王瑋,等. 碳鋼在反滲透水中耐蝕性研究[J]. 廣州化工,2009(4):103-105.

[3] 劉栓,孫虎元,范匯吉,等. 鍍鋅鋼腐蝕行為的研究進展[J]. 材料保護,2012(12):50-53.

[4] 胡家元,曹順安,謝建麗. 銹層對海水淡化一級反滲透產水中碳鋼腐蝕行為的影響[J]. 物理化學學報,2012,25(5):1153-1162.

Corrosion Reason and Management Advice for Desalination Seawater Piping in a Certain Ship

WANG Guang-fu1, DONG Cai-chang2, WU Heng2, ZHANG Bo2

(1. Navy Representative Office at Dalian 426 Plant, Dalian 116300, China; 2. Qingdao Research Instiute for Marine Corrosion, Central Instiute for Iron and Steel, Qingdao 266071, China)

Galvanized steel pipes were used for desalination seawater pipe in a certain type of ship. Galvanized steel pipe internal corrosion was serious and the water quality became bad after a period of time at sea. Through the corrosion morphology observasion and pitting depth measurement, the macroscopic corrosion morphology was observed; using the microscopic analysis methods such as fluorescence, IR and XRD, the corrosion products of galvanized pipe were analyzed. The results show that the galvanized pipe corrosion type is localized corrosion and pitting corrosion is serious. The main reasons for the galvanized pipe corrosion were as follows: firstly, corrosion of the seawater was rather strong and the water quality was in weak acid,secondly, unstable γ-FeOOH and Fe3O4were main ingredients in the pipe, and rust layer was loose, which provide protection to the underlying substrate. It is suggested that for seawater pipeline replacement and maintenance in the late design, 316L stainless steel with stronger corrosion resistance should be chosen, and mineralization process should be carried out in desalination.

desalination seawater pipe; corrosion; failure analysis

10.11973/fsyfh-201701012

2016-03-22

董彩常(1980-)，高級工程師，碩士，主要從事腐蝕與防護，cengmeng80@163.com

TG172.3

A

1005-748X(2017)01-0054-03