艦船海水管路腐蝕狀態檢測方法研究

張魯君，賀 國，潘興隆

(海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033)

艦船海水管系是艦船推進裝置保障系統、發電機組保障系統和輔助系統的重要組成部分，主要由海底門、過濾器、海水泵、冷卻器、氣水分離箱、金屬管路、法蘭和閥件等設備和部件組成，擔負著冷卻主副機、洗消、壓載等任務，對于保障主機和發電柴油機組的良好運轉、艦船航行的穩性以及其他輔助機械和設備的正常工作具有重要的作用[1]。由于艦船海水管路和海水接觸密切，常年受到海水的腐蝕作用。海水是一種天然的電解質溶液，含鹽量在32.0%～37.5%之間，主要成分是氯化鈉、硫酸鹽和一定量的可溶性碳酸鹽，氯離子能夠破壞金屬表面的致密氧化物薄膜，阻止金屬鈍化，加速金屬的腐蝕。海水管路的工作環境大多為溫度高、濕度大的船舶機艙，管路內壁經常受到海水的沖刷和泥沙的磨損，腐蝕問題尤為嚴重。

艦船管系就像人體的血管一樣，負責為船舶設備輸送油、氣、水等物質，從而保證艦船的正常運行。海水管路是最重要的船舶管路之一，海水管路的腐蝕或者由海水管路腐蝕引起的設備故障，輕則會給船員的日常生活造成不便，重則會引起安全事故，導致重大經濟損失甚至危及船員生命安全。因此，研究檢測海水管路內壁腐蝕狀況的技術方法，對保障艦船設備的安全運行具有重要意義。

1 艦船海水管路的主要腐蝕類型及其危害

海水的腐蝕性是導致艦船海水管路產生腐蝕的直接原因，海水溫度、海水溶氧量、海水流速、海水含沙量、海洋微生物等諸多因素都會促使腐蝕的發生，多種腐蝕因素的聯合作用使海水管路的腐蝕機理也更加復雜[2]。海水管路的腐蝕主要有海水腐蝕、沖擊腐蝕、電化學腐蝕、空泡腐蝕、應力腐蝕、微生物腐蝕等[3-4]。海水腐蝕的機理是，管路內壁在氧氣的作用下，與海水中的硫酸根、氯等離子發生緩慢的氧化還原反應。沖刷腐蝕是指含有泥沙的海水在管路中高速流動時，海水的沖擊和泥沙的磨損使管路內壁的防腐蝕涂層和金屬氧化物薄膜等保護層破壞，加劇了海水對管路的腐蝕速度和腐蝕程度。如圖1所示，沖刷腐蝕多發生在彎管部位，造成彎管部位外側管壁腐蝕穿孔。電化學腐蝕是由于異金屬接觸和管材的不均勻性產生的，主要發生在法蘭處、管路附件連接處和加工缺陷處。空泡腐蝕產生的機理是，海水發生湍流時會有氣泡在管路內壁表面不斷地生成和潰滅，氣泡潰滅對管路內壁的沖擊力足以使韌性金屬發生塑性變形或使脆性金屬開裂，從而使管路內壁產生點蝕和表面粗化。空泡腐蝕一般發生在管徑突變處、彎管部位。應力腐蝕一般發生在合金金屬中，從宏觀上屬于脆性斷裂。海水管路在加工制造過程中會產生殘余應力，并且在工作過程中也會受到外應力的作用。在應力的作用下，金屬管壁會發生裂紋，從而加速海水腐蝕介質對管壁的侵蝕，造成細長狀的腐蝕缺陷。微生物腐蝕是指附著在管路內壁上的海洋微生物釋放出的二氧化碳和死亡的海洋微生物分解出的硫化氫增加了周圍海水的酸性，促進海水對管路內壁的腐蝕作用。

圖1 彎管部位的沖刷腐蝕

由于海水管路工作條件的復雜性，在服役過程中，管路內壁會受到整體或局部的腐蝕、磨損、沖蝕等破壞性作用，導致管壁逐漸地減薄[5]。均勻腐蝕對管壁厚度的影響較小，不會對海水管路的安全運行造成太大威脅。但是，沖刷腐蝕、空泡腐蝕、局部電化學腐蝕等非均勻腐蝕作用會使管壁厚度局部大量減小，降低了管路的強度。在海水壓力增大時，海水管路可能產生漏泄或爆破穿孔，情況嚴重者會引發輪機設備故障，對艦船的安全航行造成威脅。如圖2所示，某船海水管路彎頭部位腐蝕導致管壁局部減薄，在管路內壓的作用下發生線狀的裂紋穿孔破損。經檢修發現，該管段只有彎頭部位腐蝕較為嚴重，導致了穿孔破損。而其他部分為均勻腐蝕，且腐蝕程度較輕，管壁厚度仍然可以滿足工作強度的要求。艦船海水管路的腐蝕會降低管路的結構強度，減小管路的實際工作壓力，不僅增加了船舶設備日常維護的工作量，還給船舶的安全運行造成了威脅。經實船調研發現，巡檢過程中，檢查人員無法直觀地觀察海水管路內壁的腐蝕情況，難以從外觀判斷海水管路的腐蝕程度，有些腐蝕后的海水管路會因為巡檢不及時產生破損漏泄，進而引發機艙設備故障。目前存在海水管路維護管理困難，檢修不及時等問題[6-7]，檢修工作往往在管路發生漏泄，對設備運行產生影響后才得以展開，這樣無疑增加了對艦船安全運行的威脅性。因此，對海水管路進行定期檢查時需把壁厚檢測作為主要的檢查項目之一。

圖2 海水管路的腐蝕穿孔破損

2 海水管路腐蝕檢測方法

通過管路壁厚檢測，可估算海水管路腐蝕部位管壁可承受的最大應力，從而確定腐蝕海水管路的剩余強度。目前，檢測金屬管路壁厚的常用方法有漏磁通檢測法[8]、脈沖渦流檢測法[9]、遠場渦流檢測法[10]、超聲波檢測法[11-12]。表1給出了4種檢測方法的基本原理、技術特點和適用范圍。此外，可用于內壁腐蝕金屬管路壁厚檢測的方法還有射線照相檢測法、錄像檢測等。雖然壁厚檢測的方法很多，但是對于金屬管路的壁厚檢測仍以超聲波檢測方法最為常用。

超聲波是頻率高于20 000 Hz的聲波，具有傳播方向性好、能量高、穿透力強等特點，當超聲波在傳播過程中遇到異質界面時，會在兩種不同介質的交界處發生波的反射、折射和波形轉換[13]。因此，超聲波在均勻連續彈性介質中傳播時，產生的能量損失極少，但當材料中存在著晶界、缺陷等不連續阻隔時，將產生反射、折射、散射和衰減等現象，從而損失比較多的聲波能量，通過對超聲回波的信號特征進行處理分析，就可以將檢測結果圖像化或數字化，從而達到探傷或測厚的目的。

脈沖回波式超聲波測厚法是利用脈沖超聲波進行檢測的，脈沖波是由間歇性振動的波源產生，在介質中間歇性輻射的超聲波。根據超聲波的反射特性和聲傳播的恒速性，通過檢測脈沖超聲波在被測件上下底面之間往返一次傳播的時間求得被測件的厚度[14]。其檢測原理如圖3所示。探頭發射出的脈沖超聲波T通過探頭和被測件表面之間的耦合劑到達被測件表面，其中一部分能量被反射回來形成界面波S，另一部分能量則透射到被測件內部，在被測件另一側表面產生反射，反射波B再次穿過被測件及耦合劑到達探頭。通過測量界面波S和反射波B到達探頭的時間差，可以測得厚度。計算公式如下。

式中：d為管壁厚度；v為超聲波在被測件內的傳播速度；t為發射波和反射波之間的時間差。

圖3 脈沖式測厚法原理圖

脈沖超聲波具有能量大、精度高、速度快、成本低等優點，脈沖反射式超聲波測厚法原理簡單，可靠性高，對于大于1 mm的工件厚度檢測精度很高，主要應用于具有晶體結構的金屬材料和非金屬材料[15]。基于脈沖式測厚原理的測厚設備造價較低、技術成熟、種類多、對人體沒有輻射傷害，且便于操作，廣泛應于工業中的壁厚檢測。

3 超聲測厚設備的選擇

艦船機艙設備多，而機艙空間有限，海水管路往往布置在狹小的空間內，不適于進行復雜的管路腐蝕檢測作業，而且在艦船運行過程中，無法對海水管路內壁進行拆檢。利用遠場渦流檢測法進行壁厚檢測，需要在管路內部安裝檢測裝置，它不適用于海水管路腐蝕壁厚的在役檢測。海水管路工作環境復雜，管路附件多，漏磁通檢測法易受檢測環境干擾，檢測精度低，不能滿足壁厚檢測的要求。脈沖渦流檢測法檢測穩定性差，對管路表面質量要求高，而海水管路表面刷有油漆，因此使用脈沖渦流檢測法難以獲得理想的檢測結果。超聲波能量高，穿透力強，傳播方向性好，對人體無害。超聲波檢測設備具有便攜、容易操作、檢測精度高、檢測結果顯示直觀、檢測速度快等優點，而且具有良好的人機界面，能夠顯示檢測波形，檢測人員可以根據波形的特點判斷腐蝕缺陷的形貌和腐蝕深度。因此，超聲波檢測法能夠適應檢測艦船海水管路的復雜條件。

超聲無損檢測因其檢測信息豐富、分辨率高、對人體無害等優點，已廣泛應用于機械、核能、石油化工、航空航天和船舶等工業領域。目前市面上適用于檢測船舶海水管路壁厚信息的超聲波檢測儀有以下3種：常規超聲波測厚儀、電磁超聲波測厚儀、相控陣超聲波檢測儀。常規超聲波測厚儀技術成熟，價格低，操作簡單，檢測結果顯示直觀，通用性比較好。但是，它只能檢測某一點管壁的厚度信息，檢測結果價值小。電磁超聲測厚儀無需耦合劑，環境適應性強，但檢測精度較低，換能效率不高。相控陣超聲檢測儀可實現自動化檢測，檢測效率高，檢測結果信息量大，不僅能夠直觀地讀取壁厚值，還能顯示檢測波形，根據波形的特征能夠判定腐蝕金屬管路管壁的減薄形式。

艦船海水管路內壁腐蝕情況往往比較復雜，管路內壁局部腐蝕存在凹坑，管壁減薄程度大小不一，內壁附著銹蝕產物。海水管路內壁腐蝕形貌如圖4所示。腐蝕內壁的附著物會影響檢測精度，腐蝕凹坑使檢測結果離散性增大。腐蝕海水管路的超聲波檢測并不是簡單的檢測剩余壁厚，而是需要盡可能全面地檢測管路的腐蝕缺陷，獲得剩余壁厚、腐蝕缺陷尺寸大小、腐蝕缺陷形貌等信息。只有基于盡可能全面的檢測數據，才能準確地分析計算海水管路腐蝕之后管壁的剩余強度。只用常規超聲波檢測儀逐點檢測腐蝕海水管路壁厚，可能漏掉腐蝕程度比較大的凹坑部位，當檢測部位內壁有附著物時，其檢測數據的離散性較大，檢測數據也變得不可靠。電磁超聲波測厚儀雖然不需要耦合劑，操作簡單，但是也存在和常規超聲波測厚儀一樣的問題，而且檢測精度較低。相控陣超聲波檢測儀可以對管路表面進行掃查，全面檢測管路腐蝕缺陷，根據檢測波形的特征獲悉艦船海水管路的腐蝕缺陷大小、形貌和壁厚等信息，檢測結果可靠性高。其檢測結果如圖5所示。區域1是超聲波沿管道徑向傳播，顯示的是管壁腐蝕缺陷深度信息。區域2是超聲波沿管道軸向傳播，顯示的是沿管路軸線方向管壁的縱截面圖；區域3不同的顏色代表了管路的腐蝕程度，兩線相交處即為區域1、2所顯示的管道缺陷處。因此，相控陣超聲波檢測儀對海水管路內壁腐蝕缺陷的檢測具有良好的適應性。

圖4 海水管路內壁腐蝕形貌

圖5 相控陣超聲波檢測儀檢測腐蝕海水管路圖

4 結束語

艦船海水管路腐蝕破損會引發艦船動力裝置等設備的故障，造成經濟損失和安全事故。腐蝕海水管路的剩余強度是海水管路健康管理的重要指標，定期對海水管路進行檢測，確定腐蝕缺陷的形貌、尺寸、剩余壁厚等數據，可分析計算腐蝕后管壁的剩余強度，從而預防事故的發生。海水管路布置空間狹小，工作環境復雜，腐蝕往往從管路內壁開始，巡檢人員無法及時發現。由于超聲波的能量高、穿透力強、傳播方向性好，超聲波檢測法與其他壁厚檢測方法相比，具有檢測精度高、速度快、操作簡便等優點。脈沖回波式超聲波測厚法可檢測的厚度范圍大，對于1 mm厚度以上的工件檢測精度高，適宜于檢測各種規格壁厚的海水管路。相控陣超聲波檢測儀配合相控陣探頭可對海水管路進行掃查，獲得完可靠的海水管路內壁腐蝕缺陷信息，能夠為艦船海水管路的健康管理提供可靠的數據。