疏浚船管道磨損和腐蝕行為研究

1.江蘇科技大學 材料科學與工程學院 江蘇鎮江 212003 2.中交上海航道裝備工業有限公司 上海 201208 3.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院 江蘇鎮江 212003

1 研究背景

裝備制造業被視為工業的心臟和支撐國家綜合國力的重要基石,高度發達的裝備制造業是實現工業化的必備條件,也是國家強大綜合競爭力的重要標志[1]。目前,我國經濟社會快速發展,疏浚工程在國民經濟中占有十分重要的位置。疏浚船管道作為疏浚工程的主要輔助設備,其磨損、腐蝕具有不可避免性。因此,研究疏浚船管道磨損、腐蝕行為,不斷發展新的耐磨損、腐蝕材料,是一項重要的課題。隨著我國海洋戰略的逐步實施,技術人員對材料制備、材料性能進行更深入的研究,新材料、新技術迅速發展。如何提高疏浚船管道內壁的耐磨損和耐腐蝕性能,使其更好地服務于疏浚事業,避免不必要的經濟損失,已成為表面工程及新材料領域的研究熱點。

2 疏浚船管道磨損原理

疏浚船管道的磨損程度主要取決于疏浚土質類別、施工排距、施工排高、土體內天然雜質及其它雜質等。相同動力條件下,輸送泥漿的流態取決于排距、排高。研究表明,流態是導致管道異常磨損的重要因素,但通常不被人們所重視。土質類別、天然雜質及其它雜質是管道磨損的內在因素。一般認為,沖蝕過程存在著延性和脆性兩種磨損,當塑性材料受到粒子沖擊時,會引起變形磨損和切削磨損,通常情況為兩種磨損共存的復合磨損。脆性材料受到粒子沖擊時,在較小變形或未出現變形時,便會產生裂紋。裂紋擴展,導致局部表層脫落。

2.1 變形磨損

具有較高動能的固體物質法向沖擊疏浚船管道時,在管壁上產生的局部應力大于管材的屈服強度,這些應力的疊加和應變共同對管壁表面產生破壞。較大直徑固體物質以大沖角沖擊管材表面時,沖擊壓力的豎直分量引起無法恢復的塑性變形,即沖擊凹坑。在凹坑邊緣有因塑性變形而擠出的材料堆積物,堆積物重新受擠壓變形而從材料表面脫落。直徑較小的砂石,其沖擊壓力較小,顆粒不能直接壓入材料表面。經大量小直徑固體顆粒長期反復沖擊,最終也會造成管材內壁材料疲勞脫落。

2.2 切削磨損

工程中天然雜質,如鐵錳結核物、砂礓石中含有一定量的SiO2。其它雜質中,磚渣含有Fe2O3。以上雜質若硬度大于管壁表面的硬度,且以斜向小角度沖擊管材表面,則尖角與管壁表面接觸點很小,會產生很大的沖擊壓力。切屑的形成是法向力和切向力共同作用的結果。法向力使磨粒壓入管壁表面,形成壓痕。切向力使磨粒向前移動進行切削,形成切屑。切削磨損模型如圖1所示[2]。

3 疏浚船管道磨損影響因素

在惡劣的疏浚工況條件下,疏浚船管道的磨損情況復雜。疏浚工程工況存在不確定性,漿體流態、排高、排距不同,疏浚土質千差萬別,尖棱砂礫,土體內天然雜質及其它雜質等都對疏浚船管道的磨損造成或大或小的影響。管內流態對疏浚船管道的磨損產生重要影響,漿體流動性不同于液體流動,要考慮固體顆粒對混合物性質的影響及顆粒本身的慣性力。當管道中出現滑動或不動的顆粒淤積層時,會形成淤積流,這種流態是相對不穩定的。疏浚管道中土塊處于懸浮狀態,經水力作用,大土塊分解為小土塊,隨后分解為泥漿,泥漿黏性高,土中含有的鐵錳結核物等天然雜質沉降速度加快,形成凝聚并向前推進,在管底進入跳躍移動狀態,在管道外部可明顯聽到摩擦聲,對管道的破壞性極強[3]。疏浚管道自身的耐磨損性能是影響自身壽命的主要因素,普通碳鋼的耐磨損性能相對較差,耐磨復合鋼管由于加入合金元素,大大提高了耐磨損性能。Cr、Mo、W屬于中強碳化物形成元素,既能形成合金滲碳體,如(Fe·Cr)3C等,又能形成特殊碳化物,如Cr7C3、Cr23C6、MoC、WC等,這些碳化物的熔點、硬度、耐磨損性能及穩定性都比滲碳體高。V、Nb、Ti是強碳化物形成元素,它們在鋼中優先形成特殊碳化物,如VC、NiC、TiC等,穩定性強,熔點高,硬度大,耐磨損性能也強。不同合金元素的加入對性能產生不同的影響,不同合金之間的組合效果也不同,因此確認合適的合金元素配比對提高耐磨復合鋼的耐磨損性能至關重要。

沖蝕磨損是固體顆?；蛄黧w沖刷、打擊固體表面,造成表面材料不斷流失的一種磨損形式。一般造成沖蝕磨損的粒子都比較硬,但當流動速度高時,軟粒甚至水滴也會造成沖蝕。影響沖蝕磨損的因素主要有磨粒運動參數、特性,以及工件表面特性、環境特性等。粒子速度對沖蝕磨損的影響很大,是造成材料沖蝕的主要原因,這是因為沖蝕磨損與磨粒的動能直接相關。沖擊角是磨粒與工件壁面間的傾角,也稱為攻角或入射角。磨粒相對于面壁的沖擊角不同,對材料破壞的磨損形式也不同,沖蝕磨損率與磨粒沖擊角的關系如圖2所示。

圖2 沖蝕磨損率與磨粒沖擊角關系

對于脆性材料而言,隨著沖擊角的增大,沖蝕磨損率不斷增大。沖擊角為90°時,沖蝕磨損率達到最大。脆性材料的沖蝕磨損存在一個臨界沖擊角α0,當沖擊角不大于α0時,不發生脆性沖蝕。塑性材料的沖蝕磨損率隨著沖擊角的增大而增大,當沖擊角達到臨界沖擊角αcr1時,沖蝕磨損率達到最大。之后隨著沖擊角的繼續增大,沖蝕磨損率減小。實際上,大多數材料的沖蝕磨損是塑性和脆性的復合沖蝕磨損,其臨界沖擊角為αcr[4]。趙建華等[5]對在不同沖擊角下的CrMoV堆焊層沖蝕磨損表面形貌進行觀察。沖擊角為30°時,材料沖蝕磨損表面呈明顯的切削和犁溝剝落。沖擊角為60°時,沖蝕磨損表面出現沖擊碎片及空蝕洞,磨損機制為疲勞損傷和微切削。沖擊角為90°時,試樣表面的犁溝消失,取而代之的是或大或小的沖蝕凹坑及擠壓唇。隨著沖擊角的增大,CrMoV堆焊層的沖蝕磨損機制逐漸由微切削轉變為疲勞損傷和局部塑性變形,堆焊層最大磨損沖蝕率對應的沖擊角在45°～60°之間。

磨粒的顆粒大小、形狀和軟硬程度對沖蝕的影響很大,硬粒子造成的破壞比軟粒子嚴重,尖銳粒子造成的破壞比球形粒子嚴重。沖蝕磨損率與磨粒大小之間存在一臨界尺寸,大于臨界尺寸后,磨粒尺寸產生的影響很小,可不考慮。粒子的可碎性也是影響沖蝕磨損的一個因素,隨著沖擊角、沖擊力的增大,脆性粒子沖擊后發生破碎的概率增大,粒子破碎產生的屑片會對材料表面造成二次沖蝕。姜勝利等[6]對20SiMn低合金鋼在六種砂粒粒徑下的多相流損傷進行了研究,表明粒徑的變化引起了材料損傷機制的變化,小粒徑時為選擇性沖蝕破壞機制,大粒徑時為犁削破壞機制;大粒徑下空蝕的存在對失重有顯著影響,而小粒徑的影響很小,粒徑對失重總的影響趨勢是粒徑越大,失重率也越大;砂粒粒徑達到粒徑范圍150～250 μm時,影響趨勢不明顯,即在這一范圍內,失重對粒徑的變化不敏感。

4 疏浚船管道腐蝕原理

疏浚船管道的腐蝕有電化學腐蝕、空蝕、沖刷腐蝕、點蝕、應力腐蝕等,主要為電化學腐蝕和空蝕。

4.1 電化學腐蝕

金屬與電解質溶液發生電化學反應,導致金屬材料腐蝕破壞,稱為電化學腐蝕。材料在電解質溶液中的腐蝕電位可表征相對活潑程度。漿體中的腐蝕失重主要由電化學腐蝕引起,特別是鋼中C元素形成的碳化物顆粒,在基體中充當陰極,促進電化學腐蝕的發生。漿體的流動使管壁處的O2供應量得到充分保證,當空氣中O元素擴散到金屬表面的流速加快時,會加劇電化學反應,所以抑制電化學腐蝕的發生是改善管道耐磨蝕性能的一個途徑。傳統的耐候鋼通過添加Cu、Cr、Ni、Si等元素在材料表面形成保護性層,以提高耐腐蝕性能,但這些保護層與基體的附著性較差,在磨損、腐蝕過程中容易被去除,從而導致更嚴重的腐蝕失重。

4.2 空蝕

空蝕指在高速多相流條件下,液體介質中局部壓力變化致使空泡形成和潰滅,材料連續受到高壓、高速微射流沖擊作用,進而產生表面破壞?？瘴g一般發生在流體機械高速相對運動的部件中,由于存在復雜多變的疏浚工況,不同失效管道的空蝕作用機制不盡相同。目前,對于空蝕的機制存在多種解釋。射流作用機制認為在空泡潰滅時伴有瞬時高速射流,射流沖擊壁面造成空蝕破壞。激波理論認為在空化現象發生過程中,空泡在潰滅時會產生向四周擴散的激波,激波攜帶能量不斷作用在材料的表面,最終造成材料破壞。氣泡破滅的沖擊波、高速射流與腐蝕的聯合作用,在工件表面產生強大的破壞力。空蝕的存在明顯增大了大粒子的動量,縱向運動速度也有所加快,進而縮短粒子接觸材料表面的時間。空蝕使固體顆粒運動狀態發生變化,與固體顆粒對空泡形成和潰滅過程的影響有關。

5 疏浚船管道腐蝕影響因素

疏浚船管道腐蝕受很多因素影響,對于普通碳鋼管而言,其組織形態、晶粒大小、化學成分等都將影響腐蝕類型及速度。對于高鉻鋼管而言,主要利用合適的表面技術在低碳鋼、碳鋼上形成高鉻合金層,在合金層不受破壞的前提下,影響腐蝕的主要因素是合金層的化學成分、組織結構。通過研究純金屬和合金材料的抗空蝕性能,發現金屬材料的抗空蝕性能主要與固體中的晶體結構、結合鍵,以及材料的相轉變、變形能力有關。材料的化學成分、表面形貌及一些外界環境條件對金屬材料空蝕行為的影響有許多共同點,塑性、韌性較好的材料,耐空蝕性能強。腐蝕性介質、固體顆粒等會促進材料的空蝕破壞程度。一定程度的規則表面起伏,能夠延長空蝕的孕育期時間。從腐蝕角度分析,漿體溫度、溶解氧、鹽度、附著生物、污染程度、流速和腐蝕產物等因素都對疏浚船管道的腐蝕產生或大或小的影響,腐蝕不是單個因素作用的結果,而是多個因素甚至是整個腐蝕環境相互作用的結果。疏浚船管道腐蝕影響因素見表1。

表1 疏浚船管道腐蝕影響因素

6 提高耐磨損、腐蝕性能的方法

疏浚作業中管體以磨損為主,腐蝕的存在使腐蝕與磨損產生了明顯的相互促進作用,從而增大了材料的總失重。因此,對于疏浚管道用耐磨損、腐蝕材料,首先要考慮其耐漿體磨損的性能,同時抑制腐蝕的發生,從而實現耐磨損、腐蝕性能的改善,即要保證材料有足夠的硬度,存在可與泥沙相抗衡的硬質相,其次才是耐腐蝕。提高材料的耐磨損性能,主要有變形強化和第二相強化等技術。熱處理、微合金化、鈍化膜、表面處理等手段,則同時兼顧了耐磨損性能的改善和耐腐蝕性能的提高。

6.1 涂層技術

目前疏浚行業使用的管材主要有普通鋼管、高鉻鋼管和超高分子量聚乙烯管。Q345低合金鋼磨損較快,但低合金鋼材價格便宜。耐磨損復合鋼管為高鉻合金,屬于白口鑄鐵系列,硬度高,合金成分高,適量Cr元素的加入提高了基體的自腐蝕電位,有利于減輕鋼的腐蝕傾向,同時提高耐磨損性能。另一方面,耐磨損復合管涂層或堆焊層與基體的結合力,以及自身的耐磨性、耐蝕性,仍有待提高。陳春江等[7]采用等離子噴涂技術在X70管線鋼表面噴涂Cr2O3復合涂層,粘結層+陶瓷層試樣的腐蝕速率顯著降低,這樣做對基體有很好的耐腐蝕保護作用。王劍[8]通過耦合電弧熱絲無極惰性氣體保護焊在20G鋼表面采用Inconel 625焊絲進行堆焊工藝試驗,堆焊層與基體界面熔合良好,無裂紋、氣孔等缺陷,堆焊層稀釋率降低,堆焊層成分得到了改善,從而降低了堆焊層的腐蝕速率。Kumar等[9]采用高速氧燃料涂層技術沉積WC-10Co4Cr涂層,對SS202、SS304兩種管道材料進行侵蝕磨損試驗,觀察到耐磨損、腐蝕性能顯著改善。

對于管道空蝕失效問題,多從材料升級、結構改造等方面提高管道的抗空蝕性能。不同失效管道的空蝕作用機制不盡相同,所以針對管道特定結構特性,準確分析管道內部流動和相應空蝕機制,找到空蝕失效影響因素及規律,是解決空蝕失效問題的關鍵。由于空蝕只發生在零件表面,因此采用涂層技術提高過流部件表面性能是解決空蝕問題的重要技術手段。熔覆層的晶粒細化可以提高耐空蝕性能,張松等[10]采用激光熔覆技術在Monel 400合金表面制備Ni基稀土合金熔覆層,熔覆層的抗空蝕性能是Monel 400合金的8.7倍,得出Ni基稀土合金熔覆層的細晶強化,以及空蝕過程中產生的阻斷晶界網狀結構是提高耐空蝕性能的關鍵。劉海濤等[11]通過比較不同系列Ni基合金噴熔層在NaCl溶液中的抗空蝕性能,得出NiCrBSiCuMo 噴熔層在NaCl 溶液中具有優異的抗空蝕性能,這是因為噴熔層不僅具有較高的硬度,而且還存在細化涂層組織與改善涂層韌性的Mo2C相、MoSi2相。

6.2 外加電流陰極保護

管道內壁外加電流陰極保護的基本原理是電解池化學反應。將要保護的金屬與外加電源的負極連接,作為電解池的陰極。將輔助電極與外加電源的正極連接,作為電解池的陽極。通過外加電流及外部輔助材料,大量電子聚集在被保護的金屬設備表面,使整個金屬處于負電位,成為整個系統的陰極,阻止金屬失去電子,從而降低腐蝕速度。外加電流保護系統由恒電位儀、參比電極、不溶性輔助陽極、接地裝置等組成。張兆云等[12]通過管道內壁涂層檢測,利用循環海水管道增加外加電流陰極保護系統,有效防止管道內壁腐蝕,延長使用壽命。鄭玉貴等[13]系統研究了室溫時外加電位對0Crl8Ni9Ti不銹鋼在10%H2SO4+15%剛玉砂介質中沖刷腐蝕行為的影響,結果表明,隨著外加陰極電位的負移,保護度逐漸增大,陰極保護能顯著降低沖刷腐蝕速率,保護度可達73.6%。

7 新材料應用展望

新材料為疏浚行業水中輸泥管道提供了新的發展空間。有機涂層相比金屬涂層,具有更好的抗腐蝕性能,在空蝕過程中,特別是在海洋環境下的空蝕過程中,可以有效降低基體材料發生電化學腐蝕的可能性。隨著新材料的發展,越來越多的新材料將應用于疏浚行業,所帶來的經濟利益是巨大的。

7.1 高密度聚乙烯

高密度聚乙烯管在受沖擊時表現出良好的柔韌性,彈性模量小,變形時產生的應力也很小。在防腐蝕方面,內壁不需要做相關處理,而普通鋼管耐化學腐蝕及電化腐蝕的能力則較弱。高密度聚乙烯管在水中可以呈自然彎曲布置,并且在承受風浪沖擊和其它外力時,不會產生應力集中而損壞管道,可以提高管道運行的安全性和可靠性[14]。

7.2 超高分子量聚乙烯

超高分子量聚乙烯管具有高強度、高耐磨、高耐沖擊、自潤滑、不結垢等優點,可取代普通鋼管和昂貴的合金鋼管、不銹鋼管,用于疏浚與輸油這兩大要求極為嚴格的工程領域。石油行業對高性能、節能環保管道有需求,大型多功能挖泥船對高強度、高安全性綠色管道有需求,都使超高分子量聚乙烯管脫穎而出[15]。

7.3 聚氨酯

聚氨酯具有高彈性、高拉伸強度、高抗疲勞性能,對鋼材有良好的附著力,可對任意曲面噴涂成形。蔣基安等[16]在實驗室模擬疏浚工程現場的實際工作情況,分別采用高鉻鋼、超高分子量聚乙烯、Q235-AF管道與聚氨酯管道進行耐磨損性能對比試驗。通過分析可知,對于直管道,四種材料的耐磨損性能從高到低依次是聚氨酯、高鉻鋼、超高分子量聚乙烯、Q235-AF,并且聚氨酯的耐磨損性能至少是Q235-AF的8倍。聚氨酯彈性體具有相對較高的損失因子,在高頻振動或受到外力沖擊時,能吸收60%以上的能量,可有效消除或減緩外力沖擊、高頻振動等所產生的破壞,是適宜制備抗空蝕彈性體的新型材料。

7.4 聚天冬氨酸酯聚脲

聚天冬氨酸酯聚脲是聚脲發展的最新成果。李寧等[17]研制了一種聚天冬氨酸酯聚脲彈性體材料,制成涂層后,在空蝕模擬試驗機上進行抗加速空蝕性能研究。試驗結果表明,聚天冬氨酸酯聚脲彈性體材料與改性環氧樹脂材料、剛性聚天冬氨酸酯聚脲材料相比,具有更優異的抗空蝕性能。由此可知,柔性高分子材料的抗空蝕性能比剛性高分子材料好,且材料的抗拉強度越高,抗空蝕性能越強。與傳統聚脲相比,聚天冬氨酸酯聚脲由于空間位阻的原因,與異氰酸酯組分反應緩慢,所制備的涂層對基材具有更好的浸潤性,且缺陷少。

8 結束語

疏浚船管道作為疏浚工程的重要輔助設備,耐磨損、腐蝕性能要求高,筆者就此對疏浚船管道的磨損、腐蝕行為進行了研究。

不同合金元素的加入對熔覆層性能的影響不同,相互影響的組合效果也不同,如何找到更為合適的合金元素配比以繼續提高涂層或堆焊層與基體的結合力,以及自身耐磨損、腐蝕性能,從而達到更長使用壽命的要求,還有待更深入研究。

不同的表面熔覆技術所形成的涂層或堆焊層,其組織結構、晶粒大小等不盡相同,性能也不同。在熔覆層與基體結合良好,表面無裂紋、氣孔等缺陷的情況下,將研究更好的表面熔覆技術,達到更高的耐磨損、腐蝕性能。

目前對疏浚船管道空蝕的研究較少,而空蝕問題對疏浚船管道產生了不可忽略的影響,造成的經濟損失較為嚴重。因此對于空蝕產生的原因,以及如何有效避免疏浚船管道的空蝕問題,需要進行進一步研究。

此外,開發新型高分子材料應用于疏浚船管道,同時改進制備工藝,研究性能更優、成本更低的疏浚船管道,同樣是業內關注的重點課題。

有效延長疏浚船管道使用壽命,將節省大量資金,為國家疏浚事業做出巨大貢獻。相信在不久的將來,隨著技術的發展、新材料的應用,疏浚船管道及疏浚事業將取得更大的進步。