艦船海水管路B10材料標(biāo)準(zhǔn)分析與思考

夏齊強(qiáng)，朱 韜

（海軍研究院，上海 200235）

0 引言

海水管路選材是艦船腐蝕防護(hù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。海水管路一旦出現(xiàn)腐蝕泄漏或海生物污損堵塞管道，將嚴(yán)重影響管路以及設(shè)備的正常運(yùn)行，不僅會(huì)給用戶使用維修、日常維護(hù)等帶來影響，有時(shí)甚至直接危害艦船的安全性和生命力，做好艦船海水管路選材設(shè)計(jì)對(duì)于解決艦船海水管路的腐蝕問題意義重大。B10材料由于具有優(yōu)良的耐海水腐蝕和抗海生物污損性能，以及良好的塑性和韌性，在國外各類艦船海水管路上廣泛應(yīng)用，我國艦船海水管路也逐漸采用B10合金管代替紫銅管。由于我國對(duì)艦船海水管路用B10材料研究工作起步較晚，B10管材基本是引進(jìn)研仿后形成國產(chǎn)化，關(guān)于B10材料研究不是很充分，B10材料的性能試驗(yàn)也很少，材料標(biāo)準(zhǔn)也隨著研仿后固化下來，較少考慮與國外B10材料標(biāo)準(zhǔn)的差別及存在這些差別的相關(guān)影響。本文主要對(duì)艦船海水管路用B10材料標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析與探討，旨在為艦船海水管路防腐設(shè)計(jì)提供參考。

1 發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀

管系材質(zhì)的耐蝕性是影響海水管系腐蝕破壞的主要因素。B10材料由于耐海水沖刷蝕性能優(yōu)良，國外早在20世紀(jì)40年代開始在大型軍船和民船上逐步推廣應(yīng)用B10管路材料。我國自20世紀(jì)60年代開始著手艦船海水管路選材設(shè)計(jì)，艦船海水管路普遍釆用的TUP紫銅管。隨著B10銅鎳合金管的進(jìn)口引入和國產(chǎn)化研制，自20世紀(jì)90年代中期開始，我國艦船海水管路，包括海水冷卻管路、水消防管路、泡沫滅火管路、艙底水管路、壓載水系統(tǒng)、日用海水管路等，均采用了防流動(dòng)海水腐蝕效果較好的B10銅鎳合金管，有效提高了艦船防腐能力。同時(shí)，管子附件也逐漸釆用B10銅鎳合金，B10銅鎳合合金海水管路系統(tǒng)材料配套體系在逐步完善。近年來對(duì)艦船海水管系的防腐防漏設(shè)計(jì)、施工工藝等提出了更多要求，在實(shí)際應(yīng)用中也取得了較好的效果，但是缺乏一個(gè)統(tǒng)一的B10材料海水管路系統(tǒng)防腐蝕設(shè)計(jì)的方法標(biāo)準(zhǔn)及配套產(chǎn)品規(guī)范。如閥門選取何種材料、哪些地方需要電絕緣、哪些地方需要犧牲陽極保護(hù)及保護(hù)的形式、防污措施如何選取、海域泥沙含量較高的海域其海水流速如何限定等，缺少統(tǒng)一的認(rèn)知、方法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)支撐。總體來說，我國在海水管路選材配套體系建設(shè)和防腐蝕設(shè)計(jì)方法方面還存在一定不足，由于海水管系選材不當(dāng)、流速控制不準(zhǔn)、異種金屬材料匹配不佳等原因，造成管系中設(shè)備、閥附件、接頭等的腐蝕問題還是無法避免，影響了先進(jìn)材料應(yīng)用的總體效果，對(duì)海水管路系統(tǒng)防腐蝕設(shè)計(jì)工作帶來了較大的困擾。

2 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析

2.1 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范情況

國內(nèi)關(guān)于艦船海水管路材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要有GJB 4000—2000《艦船通用規(guī)范》[1]和GJB 5908—2006《艦船用白銅管材規(guī)范》[2]。

GJB 4000—2000規(guī)定海水管、艙底疏水管、冷卻水管、液壓油管、生活污水管、冷藏管、水幕管、蒸汽加熱盤管、深度計(jì)管、計(jì)程儀管、消防水管、泡沫滅火管等管子材料采用無縫銅管；消防水管、流速較高的其他海水管采用銅鎳合金管或雙相超低碳不銹鋼管。GJB 4000作為艦船設(shè)計(jì)通用要求，從頂層上提出了管路設(shè)計(jì)的原則，主要對(duì)各種管系采用材料進(jìn)行了規(guī)定，明確指出了銅鎳合金管的應(yīng)用范圍，但GJB 4000對(duì)于B10銅鎳合金管規(guī)格、化學(xué)成分等沒有要求，對(duì)管材的設(shè)計(jì)選型缺乏指導(dǎo)。

GJB 5908—2006《艦船用白銅管材規(guī)范》規(guī)定了艦船用自銅拉制管材的要求、質(zhì)量保證規(guī)定、交貨準(zhǔn)備等，主要對(duì)管材的牌號(hào)、狀態(tài)和規(guī)格、管材的化學(xué)成分、管材的室溫力學(xué)性能、管材的工藝性能、管材的尺寸、外形及偏差提出了詳細(xì)要求，用于艦船海水管路用B10管材的設(shè)計(jì)選型和檢驗(yàn)驗(yàn)收。由于該標(biāo)準(zhǔn)頒布時(shí)間較早，部分技術(shù)要求與國外差距較大，部分要求未明確或遺漏，導(dǎo)致實(shí)際工作中B10管材會(huì)出現(xiàn)異常腐蝕的情況，不能較好地滿足艦船海水管路系統(tǒng)B10銅鎳合金管的腐蝕防護(hù)工作要求。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)內(nèi)容分析

2.2.1 化學(xué)成分

B10管材化學(xué)成分是影響抗腐蝕能力的關(guān)鍵因素。為了取得最佳的抗腐蝕能力，應(yīng)對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行嚴(yán)格限制。GJB 5908—2006《艦船用白銅管材規(guī)范》對(duì)管材的化學(xué)成分規(guī)定如表1所示。關(guān)于B10銅鎳合金管路材料標(biāo)準(zhǔn)，國外流行的主要有德國KME公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、歐標(biāo)、德標(biāo)、英標(biāo)、美標(biāo)、日標(biāo)等，其具體化學(xué)成分見表2。從表1中可見，這些標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)Ni、Fe和雜質(zhì)含量范圍進(jìn)行了規(guī)定，這些材料標(biāo)準(zhǔn)主要區(qū)別在Ni含量和Pb、S等雜質(zhì)成分控制，多數(shù) B10銅鎳合金標(biāo)準(zhǔn) Ni含量在9.0%～11.0%，少數(shù)控制住10.0%～11.0%，雜質(zhì)成分規(guī)定上限越少越好。

表1 BFe10-1.6-1管材的化學(xué)成分

目前，我國艦船各型號(hào)使用的海水系統(tǒng)管路主要采用國產(chǎn)化B10管材，其化學(xué)成分設(shè)計(jì)定型主要根據(jù)GJB 5908—2006《艦船用白銅管材規(guī)范》。該規(guī)范規(guī)定Ni的含量為9.0%～11.0%，與德國標(biāo)準(zhǔn)、美國標(biāo)準(zhǔn)、日本標(biāo)準(zhǔn)中 Ni含量要求一致，但德國KME公司B10企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)和英國標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Ni的含量要求為10.0%～11.0%，比我國軍標(biāo)的要求要高。理論上，鎳含量越高耐腐蝕性能越好。但是，鎳含量的提高大大增加了成本，與銅鎳合金管（B30管）相比，B10管含較少鎳，成本大大降低。而且由于海水浸泡同樣可以形成富鎳富鐵的表面膜，因而經(jīng)過一段時(shí)間，其耐蝕性可以接近B30管。

從表2中可以看出，含10%Ni用作耐蝕材料的銅鎳合金，實(shí)際都含有1.0%～2.0%的鐵及適量的錳，對(duì)不同 Fe含量的銅鎳合金在靜態(tài)和高流速海水中進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e含量低的合金形成的腐蝕產(chǎn)物中氧含量高；Fe含量高的合金所形成的腐蝕產(chǎn)物中富Ni，氧含量低。在B10合金中，由于鐵的存在，大大提高了保護(hù)膜的耐腐蝕能力，但隨著鐵含量的增加，B10點(diǎn)蝕敏感性也增加了，其中改性元素Fe含量對(duì)B10合金的耐海水腐蝕性能有較顯著的改善，特別是抗流動(dòng)海水沖刷腐蝕性能。雜質(zhì)Pb和S對(duì)材料的腐蝕性能也有一定的影響，它們會(huì)與其他元素一起形成低熔混合物，由于熔點(diǎn)非常低，從而導(dǎo)致一些不良的效果，比如在焊接和熱成型時(shí)會(huì)出現(xiàn)熱裂和熱脆問題[3-6]。

表2 不同標(biāo)準(zhǔn)B10材料化學(xué)成分

國內(nèi)B10管材成分Ni、Fe、Mn、Cu主要參照國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行確定，但在S、Pb等雜質(zhì)含量上略有不同，這些雜質(zhì)元素成分主要是在參照國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，根據(jù)當(dāng)時(shí)國內(nèi)實(shí)際制造能力和技術(shù)水平進(jìn)行確定的。總的來說，合金的成分以及雜質(zhì)的影響是一個(gè)非常復(fù)雜的問題。含Ni量及其雜質(zhì)成分肯定影響材料的耐蝕性、耐沖刷性及壽命，但是之間的相關(guān)性研究不多，基本是研仿后形成國產(chǎn)化，材料標(biāo)準(zhǔn)也是在研仿后固化下來的，較少考慮如何改進(jìn)和如何創(chuàng)新發(fā)展。

2.2.2 工藝性能

目前，GB/T 8890—2015《熱交換器用銅合金無縫管》[7]、GB/T 1527—2006《銅及銅合金拉制管》[8]、GB/T 31977—2015《核電冷凝器用銅合金無縫管》[9]、CB 1133—1985《BFe30-1-1管材技術(shù)條件》[10]等規(guī)范均對(duì)管件工藝性能進(jìn)行了規(guī)定，主要包括擴(kuò)口試驗(yàn)和壓扁試驗(yàn)，這對(duì)于保證艦船海水B10管質(zhì)量也十分重要，可為艦船海水管路用管材出廠檢驗(yàn)驗(yàn)收要求提供有力依據(jù)。

2.2.3 金相組織

材料的金相組織是影響其耐腐蝕性能的一個(gè)因素。目前國內(nèi)部分管材標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 1527—2006《銅及銅合金拉制管》、GB/T 31977—2015《核電冷凝器用銅合金無縫管》等標(biāo)準(zhǔn)提出了材料金相組織的要求，明確了平均晶粒度范圍。但由于管材用途要求不一、制造水平及檢驗(yàn)方法手段有限，目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于艦船用B10管材更是如此。

2.2.4 無損檢驗(yàn)

檢驗(yàn)方法及要求是確保B10管材產(chǎn)品質(zhì)量的重要保證。GJB 5908—2006《艦船用白銅管材規(guī)范》僅對(duì)渦流探傷進(jìn)行了規(guī)定，沒有涉及超聲波檢測(cè)。渦流檢測(cè)和超聲檢測(cè)是從不同的角度檢測(cè)管材性能的，渦流檢測(cè)對(duì)材料表面、近表面存在缺陷，但是較難檢驗(yàn)測(cè)出厚壁管埋藏的缺陷，理論上都應(yīng)該檢驗(yàn)，但目前沒有合適的超聲波探傷方法和要求，無法指導(dǎo)實(shí)際檢驗(yàn)操作。

3 思考與建議

3.1 提高相容性配套性認(rèn)識(shí)

艦船海水管路系統(tǒng)包含管子、管路附件、閥門、泵、冷卻器、濾器等，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮整個(gè)管路系統(tǒng)材料的相容性和配套性。在海水管選B10管后，對(duì)管系中的海水濾器、閥門、海水泵、冷卻器、壓力表接頭等附件的材質(zhì)選取和防腐設(shè)計(jì)必須全系統(tǒng)綜合考慮，防止異種金屬間產(chǎn)生電偶腐蝕。海水管路防腐蝕設(shè)計(jì)涉及選材、流速優(yōu)化設(shè)計(jì)、管路-設(shè)備-船體三者之間的連接、防海生物方法選取以及管路、設(shè)備的防腐蝕設(shè)計(jì)等，還需要考慮制作、安裝工藝和維修維護(hù)空間等，是一個(gè)系統(tǒng)工程。較長(zhǎng)時(shí)間以來，在腐蝕控制方面常常出現(xiàn)“頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳”的事情，怎么達(dá)到全系統(tǒng)的腐蝕控制最優(yōu)做得不多，出現(xiàn)高性能材料種類應(yīng)用越多、先進(jìn)方法越多、“系統(tǒng)級(jí)最優(yōu)”越難的問題。建議設(shè)計(jì)者和相關(guān)管理部門用全局眼光、系統(tǒng)的思維來綜合考慮艦船海水管路防腐蝕設(shè)計(jì)問題，加快配套體系產(chǎn)品設(shè)計(jì)研制。

3.2 加強(qiáng)海水管路B10材料防腐蝕設(shè)計(jì)研究

B10管材的腐蝕性能優(yōu)劣不僅與其材料本身性能有關(guān)，由于設(shè)計(jì)方法不優(yōu)、流速控制不準(zhǔn)、異種金屬材料匹配不佳、管路接頭設(shè)計(jì)選型等原因，容易造成管系中設(shè)備、閥附件、接頭等的腐蝕問題。要有效預(yù)防海水管系腐蝕，需要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、材質(zhì)選型、管系結(jié)構(gòu)布置、施工安裝工藝、海水流速限制、經(jīng)常航行的海域海況及維護(hù)保養(yǎng)等多方面考慮海水腐蝕的影響，建議系統(tǒng)開展艦船海水管路使用B10情況調(diào)研與跟蹤，對(duì)其應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)研分析，查找問題，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)；對(duì)比國外海軍艦船海水管路選材和防腐蝕設(shè)計(jì)方法，從系統(tǒng)角度完成基于B10材料為主的海水管路系統(tǒng)材料體系設(shè)計(jì)；開展艦船海水管路系統(tǒng)防腐蝕設(shè)計(jì)方法研究和系統(tǒng)、附件、設(shè)備材料配套方法研究及實(shí)海考核與試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步摸清B10管材腐蝕防護(hù)的影響因素。

3.3 推進(jìn)海水管路B10材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建設(shè)

艦船海水管路系統(tǒng)防腐設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，管路系統(tǒng)要滿足使用方的方便可靠使用，不僅涉及到優(yōu)質(zhì)管路材料的供應(yīng)，還與管路設(shè)計(jì)選型、加工制作、檢驗(yàn)驗(yàn)收密切相關(guān)。目前，國內(nèi)B10材料防腐研究基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法還需長(zhǎng)期試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，與管路相關(guān)的管路附件、海水泵、閥門等配套標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范缺少。為更好指導(dǎo)和保障艦船海水管路防腐設(shè)計(jì)，固化研究成果，建議加快推進(jìn)艦船海水管路系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建設(shè)，以進(jìn)一步規(guī)范艦船海水管路B10材料選型和防腐蝕設(shè)計(jì)技術(shù)要求、B10海水管路系統(tǒng)配套產(chǎn)品規(guī)范、B10管材施工工藝技術(shù)要求和B10管材檢驗(yàn)驗(yàn)收技術(shù)要求。

4 結(jié)論

隨著現(xiàn)代艦船使命任務(wù)越來越重、裝備質(zhì)量與可靠性要求越來越高，對(duì)艦船海水管路腐蝕防護(hù)控制也越來越迫切，急需形成一套完善的艦船海水管材防腐設(shè)計(jì)方法標(biāo)準(zhǔn)，制定相應(yīng)的配套產(chǎn)品規(guī)范或技術(shù)要求，更好的指導(dǎo)和規(guī)范海水管系的設(shè)計(jì)與制造安裝。