船用海水過濾器的腐蝕和防護

王全柱

(洛陽船舶材料研究所，洛陽 471039)

船舶配備有設(shè)備冷卻、船艙壓載、消防和淡化制水等功能的各種海水管路系統(tǒng)，對保證船舶動力、壓載管理和輔助設(shè)備正常工作具有重要作用。海水含有大量雜質(zhì)、微生物、藻類等，不能直接使用，因此需在管路系統(tǒng)中配備相應的過濾器如壓載水管理系統(tǒng)中的過濾器，以濾除這些污物，使水質(zhì)達到使用要求。而過濾器及其管路系統(tǒng)經(jīng)常會被海水腐蝕和生物污損[1-3]，所以其耐海水腐蝕和污損的能力影響著管路系統(tǒng)和船上設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)和使用壽命。

本工作對船用海水過濾器的結(jié)構(gòu)、運行特點及可能出現(xiàn)的腐蝕原因和類型進行了介紹，并從材料選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計、腐蝕防護、維護保養(yǎng)等方面提出了防護措施。

1 海水過濾器的結(jié)構(gòu)及運行特點

海水過濾器結(jié)構(gòu)型式多樣、大小不一，并已逐漸形成系列化，但其基本構(gòu)成大致相同，主要有濾器筒體、濾芯組件、吸排污系統(tǒng)、動力及傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理是海水自進水口進入過濾器內(nèi)，經(jīng)粗、細濾網(wǎng)濾掉絕大部分雜質(zhì)后，由出水口流出，進入各類管路。經(jīng)過細濾網(wǎng)時，水中的微生物等雜質(zhì)逐漸積聚在細濾網(wǎng)的內(nèi)表面，濾網(wǎng)內(nèi)外形成壓力差。當壓差達到設(shè)定值時，自清洗功能啟動，此時排污閥打開，在細濾網(wǎng)內(nèi)部工作壓力和大氣壓差的作用下，吸污系統(tǒng)產(chǎn)生吸力，細濾網(wǎng)表面的雜質(zhì)經(jīng)吸嘴、排污管、反沖洗腔，由排污閥排出。自清洗結(jié)束后，排污閥關(guān)閉。在自清洗過程中，過濾器正常過濾不間斷。

(a) 總裝圖 (b) 剖面圖 圖1 海水過濾器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of seawater filter structure:(a) assembly groups; (b) cross sectional view

自清洗功能通過海水過濾器的控制系統(tǒng)控制：在濾器進出口間設(shè)置一個壓差開關(guān)，以實時檢測進出口間的壓差變化；當壓差超過預設(shè)值時，壓差傳感器把壓差信號傳入可編程控制器(PLC)，可編程控制器(PLC)發(fā)出指令，清洗程序啟動，控制吸污傳動系統(tǒng)和排污閥的運行；同時，通過內(nèi)嵌定時器功能實現(xiàn)清洗程序的定時控制；清洗程序遵循壓差優(yōu)先原則，并設(shè)有壓差、定時和手動控制三種模式。可編程控制器上預留有若干輸出觸點，可實現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)信息的遠程傳輸和監(jiān)控。

海水過濾器運行期間，由于受到流動海水沖刷、滯留、船體顛簸振動和海洋大氣環(huán)境作用，將不可避免地產(chǎn)生各種腐蝕失效問題。

2 海水過濾器的腐蝕

2.1 常見的腐蝕現(xiàn)象

海水過濾器長期在潮濕海洋大氣及船體振動環(huán)境中運行，并持續(xù)受到海水沖刷、浸泡，會出現(xiàn)比較嚴重的腐蝕問題。其常見的腐蝕現(xiàn)象有：過濾器筒體內(nèi)、外部表面出現(xiàn)較大范圍的點狀、帶狀或塊狀銹蝕；法蘭間的縫隙產(chǎn)生腐蝕；過濾器與船體連接部位如底座支撐腿和地腳螺栓產(chǎn)生腐蝕疲勞；過濾器筒體與法蘭/封頭焊縫、進出水口管道與筒體焊縫等部位產(chǎn)生條帶狀焊縫腐蝕；法蘭連接螺栓產(chǎn)生松動，法蘭螺栓孔周圍漆膜脫落和腐蝕；在海水浸泡環(huán)境中不同材料的零部件長時間配合接觸和運動磨損，產(chǎn)生腐蝕；吸污管等過流零部件產(chǎn)生點蝕；濾芯出現(xiàn)腐蝕，如濾網(wǎng)接縫處的焊縫、濾網(wǎng)局部出現(xiàn)腐蝕，或構(gòu)成濾芯的不同材料的零部件發(fā)生腐蝕。

2.2 腐蝕類型及其原因

分析船用海水過濾器出現(xiàn)的腐蝕現(xiàn)象及運行過程發(fā)現(xiàn)，其腐蝕類型主要有電偶腐蝕、縫隙腐蝕、點蝕、晶間腐蝕、沖刷腐蝕、腐蝕疲勞和焊縫腐蝕。

2.2.1 電偶腐蝕

海水中，碳鋼、316L不銹鋼的腐蝕電位分別為-0.40，+0.15 V。如果碳鋼筒體防護涂層完好封閉，基本上不與海水接觸，一般不會發(fā)生腐蝕。但是，一旦防護涂層出現(xiàn)破損、氣孔、漏涂等缺陷，涂層的封閉性被破壞，筒體等將不可避免地發(fā)生腐蝕。

過濾器及其附件產(chǎn)生電化學腐蝕需滿足的基本條件為：存在電解質(zhì)溶液，海水含有大量氯離子，屬于典型的電解質(zhì)溶液；存在電勢差，兩種及以上腐蝕電位不同的金屬材料或同種金屬材料中由于材料局部不均勻，都會產(chǎn)生電勢差[4-5]；陰極和陽極之間應形成電流回路。

腐蝕電位不同的金屬或同種金屬材料的不同部位會形成腐蝕原電池。腐蝕電位低的金屬或部位成為陽極，不斷腐蝕溶解；而腐蝕電位高的金屬或部位成為陰極，得到保護。電偶腐蝕同時受到陰陽極面積比和局部海水流動狀態(tài)的影響。不銹鋼法蘭蓋與碳鋼法蘭之間的腐蝕，筒體內(nèi)部的腐蝕，不同金屬材料零部件長時間配合接觸產(chǎn)生的腐蝕都屬于電偶腐蝕。

2.2.2 縫隙腐蝕

在縫隙腐蝕初期階段，縫隙內(nèi)外均勻地發(fā)生腐蝕，隨著腐蝕深入，因滯留關(guān)系，氧只能向縫隙內(nèi)緩慢擴散傳遞，使得縫隙內(nèi)的氧含量供應不足，氧化還原反應終止，而縫隙外的氧可隨時得到補充，氧化還原反應繼續(xù)進行。這樣，縫隙內(nèi)外構(gòu)成了氧濃差電池，縫內(nèi)為陽極，縫外為陰極，并形成大陰極小陽極。這種大陰極小陽極的特征使得縫隙腐蝕進行得很快。陰陽極分離及腐蝕產(chǎn)物在縫隙口的不斷堆積，使其逐漸形成了閉塞電池。隨著縫隙內(nèi)陽極金屬的不斷溶解，縫隙內(nèi)的金屬陽離子難以遷移到縫隙外，在縫隙內(nèi)積累，促使縫隙外遷移性強的氯離子向縫隙內(nèi)遷移，形成金屬氯化物。金屬氯化物在縫隙內(nèi)發(fā)生水解，使得縫隙內(nèi)的pH降低，這一過程又加速了陽極的溶解。陽極加速溶解和氯離子遷入相互促進，這樣便形成了自催化過程，使得腐蝕加速進行[6]。縫隙腐蝕一般發(fā)生在法蘭連接面、螺栓墊片連接面，濾器內(nèi)水線附近。

2.2.3 點蝕

海水中的氯離子作用于不銹鋼表面鈍化膜，使得鈍化膜局部破壞露出金屬基體，在海水的不斷沖刷下，金屬基體溶解而發(fā)生局部腐蝕[6]。嚴重的點蝕可能會導致不銹鋼過濾器筒體發(fā)生腐蝕穿孔。點蝕主要發(fā)生在使用316L不銹鋼的零部件上。

2.2.4 晶間腐蝕

過濾器筒體一般采用表面涂有防腐蝕涂層的Q235B或Q345R等碳鋼，在海洋大氣和海水沖刷、浸泡下，腐蝕防護涂層易發(fā)生老化、破損。由于這些鋼材中含有較多雜質(zhì)，因此極易發(fā)生晶間腐蝕。

2.2.5 沖刷腐蝕

沖刷腐蝕是流體沖刷與腐蝕相互促進協(xié)同作用的結(jié)果，海水高速流動破壞、減薄或去除金屬表面的保護膜(如氧化膜、漆膜)或腐蝕產(chǎn)物，使得新鮮的金屬表面與腐蝕介質(zhì)直接接觸，從而加速金屬腐蝕。這種腐蝕多發(fā)生在流體方向、速度發(fā)生改變和增大紊流的部位，如海水過濾器進出水腔、封頭等截面突然變化的位置。

2.2.6 腐蝕疲勞

腐蝕疲勞是交變載荷與腐蝕介質(zhì)共同作用的結(jié)果，即在疲勞與電化學腐蝕相結(jié)合情況下，金屬材料會發(fā)生加速腐蝕。海水過濾器常發(fā)生腐蝕疲勞的部位為連接船體的底座或支撐腿、地腳螺栓，法蘭連接螺栓產(chǎn)生松動，螺栓孔周圍漆膜脫落和腐蝕也是由腐蝕疲勞引起的。

2.2.7 焊縫腐蝕

海水過濾器制造中涉及到大量的焊接過程，焊接過程對基體材料產(chǎn)生的各種變化和不利影響，以及焊接缺陷等均會影響后續(xù)的防腐蝕涂裝，進而影響過濾器的耐海水腐蝕性能[7]。焊縫表面成形狀況、焊縫位置及局部焊接缺陷如氣孔、未熔合、裂紋、焊渣等都會導致防腐蝕涂層的附著強度較低，涂裝不到位，涂層易剝落等缺點，這些缺點都會引起筒體腐蝕。筒體腐蝕也會進一步加速涂層的開裂和剝落，涂層的開裂和剝落又促進筒體腐蝕，如此惡性循環(huán)。過濾器各部位焊縫產(chǎn)生的條帶狀腐蝕即為焊縫腐蝕。

3 海水過濾器的腐蝕防護措施

為了保證海水過濾器長期安全穩(wěn)定運行，根據(jù)可能出現(xiàn)的腐蝕原因及類型，從設(shè)計、制造和腐蝕防護等方面采取多種防腐措施進行聯(lián)合保護[8-12]。

3.1 合理選擇材料

根據(jù)海水過濾器各組成零部件所處的腐蝕環(huán)境和運行狀態(tài)，選擇合適的耐蝕材料或腐蝕防護措施。同時解決好不同材料之間的電偶匹配問題，應選用電位差小的材料，盡量避免小陽極大陰極的出現(xiàn)，并采取絕緣措施，避免發(fā)生因材料不配套導致的腐蝕現(xiàn)象。

對于海水過濾器筒體，可以選用耐海水腐蝕性能較好的316L、2507不銹鋼或鈦合金等金屬及其復合鋼板。為了降低材料成本，也可選用Q235B或Q345R等碳鋼，但這些材料需經(jīng)過防腐蝕環(huán)氧涂料涂裝或在其內(nèi)襯橡膠或塑料等內(nèi)襯。而對于易磕碰的裝配結(jié)合面，如與濾芯配合的法蘭、支撐端、封頭法蘭等部位，應采用防腐蝕性能不低于316L不銹鋼的襯層/套或堆焊層。

海水過濾器內(nèi)部過流零部件應采用具有良好耐蝕性的金屬和非金屬材料，如濾芯采用316L、2507、904L等不銹鋼，動力傳動和密封材料采用聚四氟乙烯(PTFE)、錫青銅QSn10-5、各類橡膠等，分水板/擋水板采用ABS樹脂,而對于吸污零部件或內(nèi)部不易于涂裝的管件可以選用316L、2507等不銹鋼材料。

3.2 優(yōu)化防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于海水過濾器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，應優(yōu)化流場，避免過流零部件被海水直接高速沖刷，并防止滯留海水，如為了防止過濾器停運和排空期間內(nèi)部海水引起氧濃差電池腐蝕和沉積物腐蝕，可以在過濾器底部設(shè)置底排管，以排盡滯留海水。采用適當?shù)暮附庸に嚕苊舛嗟朗┖福刂坪附淤|(zhì)量，焊后對焊縫及周邊進行仔細打磨清理，以去除焊接飛濺物、焊瘤、氣孔等焊接缺陷，為后續(xù)防腐蝕涂裝創(chuàng)造有利條件。對于碳鋼筒體，應避免涂裝盲區(qū)和死角，以便控制防腐蝕涂裝的質(zhì)量。

3.3 犧牲陽極與涂層聯(lián)合防護

對海水過濾器碳鋼筒體及零部件涂裝耐海水腐蝕的涂料或內(nèi)部襯膠/涂塑，并同時采用犧牲陽極保護，可大大提高設(shè)備的腐蝕防護效果。

涂層本身的微孔、老化，施工不良導致的漆膜針孔、漏涂、鼓包，及在安裝、搬運、運輸過程中可能產(chǎn)生的機械損傷等，都會導致涂層產(chǎn)生開裂、剝落，使基體金屬外露。而裸露的金屬與涂層形成小陽極大陰極的局部腐蝕電池，會加速金屬腐蝕和涂層進一步破壞。如果采用涂層和犧牲陽極聯(lián)合防護，即使金屬表面因涂層破壞而裸露，也可以通過犧牲陽極獲得保護，彌補涂層缺陷，阻止涂層進一步劣化；而涂層的使用也降低了電流消耗和改善電流的分散能力，使得設(shè)備各部位的電位分布比較均勻，大大降低犧牲陽極的消耗，延長其使用壽命。

安裝犧牲陽極時，應盡量消除因結(jié)構(gòu)復雜造成的遮蔽作用，如在濾芯周邊、反沖洗腔體內(nèi)增設(shè)犧牲陽極。合理選擇犧牲陽極材料(如選用鋁合金陽極)、尺寸，增加陽極數(shù)量，可延長犧牲陽極的使用壽命。

3.4 定期維護保養(yǎng)和腐蝕修復

定期對海水過濾器進行檢查和維護，對盡早發(fā)現(xiàn)和修復腐蝕，防止發(fā)生重大設(shè)備故障是十分重要的。

濾器筒體腐蝕的修復：首先對腐蝕區(qū)域進行修磨，徹底清除腐蝕部位周圍的銹蝕、腐蝕產(chǎn)物等，露出新鮮的基體金屬；然后按照焊接工藝規(guī)范對腐蝕部位進行補焊，滲透著色、探傷檢查，并修磨光順；最后按照涂裝工藝涂刷防腐蝕涂料。

更換新濾芯是濾芯腐蝕最好的修復方法；在濾芯設(shè)計過程中各組成部件應選用同種材料或腐蝕電位相近的材料，如316L、904L、2507等，以減小不同材料的電位差，避免電化學腐蝕；濾網(wǎng)焊接采用與濾網(wǎng)材質(zhì)相匹配的耐腐蝕焊材，并避免多道焊接。

4 結(jié)論

(1) 由于海水的強腐蝕性和船體的振動顛簸，船舶海水過濾器在使用過程中會產(chǎn)生電偶腐蝕、縫隙腐蝕、電化學腐蝕、沖刷腐蝕、孔蝕等腐蝕現(xiàn)象。這些腐蝕通常是共同作用和相互促進的，一種腐蝕會引發(fā)或促進另一種類型腐蝕的發(fā)生。

(2) 根據(jù)海水過濾器可能出現(xiàn)的腐蝕現(xiàn)象，分析了腐蝕機理，提出了從設(shè)備材料的選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化、防護措施的合理采用如犧牲陽極保護與涂層聯(lián)合防腐蝕等源頭設(shè)計方面提高海水過濾器的耐腐蝕性能，通過定期維護保養(yǎng)，對過濾器出現(xiàn)的腐蝕早發(fā)現(xiàn)早修復，提高海水過濾器運行的可靠性，延長其使用壽命。