艦船海水管路系統電偶腐蝕控制技術

羅雯軍，彭 戈，蔡淑艷

(中國艦船研究設計中心，上海201108)

0 引 言

海水管路系統遍布全船，包括各種管路、泵、閥、冷卻設備及其他附屬設備，承擔著主/輔機和其他動力、機電、空調等系統的冷卻以及艦船消防、海水淡化等任務，是維持艦船正常運行的重要組成部分。鑒于海水管路系統組成及材料的復雜多樣性，其腐蝕控制也是海軍艦船維護的重點所在。20世紀70年代，美國、歐洲、俄羅斯等國外海軍艦船海水管路系統主干材料開始逐步由紫銅向耐腐蝕性能更好的銅鎳合金材料過渡。20世紀90年代后，隨著鎳基合金和鈦合金管路加工、焊接技術水平的提升以及成本的下降，具有良好耐蝕性、耐沖刷性的鎳基合金和鈦合金材料開始逐步在美國海軍艦船上獲得大量應用。進入21世紀后，耐腐蝕性更高的鈦及鈦合金材料在海水管路系統中更是得到了大量應用。

從總體趨勢來看，管路材料向耐海水腐蝕性能尤其是耐沖刷腐蝕性能越來越高的方向發展，但鑒于成型焊接工藝等問題，泵、閥、設備等附件材料仍大量使用鑄造青銅合金，導致高電位管路與低電位附件之間的電偶腐蝕等腐蝕風險相應提高。由此，從20世紀90年代，美國等國外海軍開始逐步將海水管路系統腐蝕控制的研究重心轉入電偶腐蝕等方面[1–3]。

1 電偶腐蝕控制技術研究重點

電偶腐蝕驅動力是2種或更多金屬或合金之間在傳導介質中電位不同，形成陰陽極間的電偶電流。2種或多種異種金屬電偶腐蝕程度影響因素包括：陰陽極面積比、溶液電導率、離子遷移速率、溶液流動特征、溫度、部件幾何形狀、鈍化膜穩定性、金屬間電位差、溶液氧含量、陰極效能或合金的極化特征等。

浸入到既定電解液中和到達穩態的金屬或合金有不同的電位。當2種不同合金被連接在一起時，更負電位的合金發生陽極溶解。陽極氧化過程導致過量電子通過金屬流動到更正電位的合金表面上，并通過陰極反應被消耗，在海水中通常是氧的還原。電位序是不同合金和金屬在特征既定電解液條件下腐蝕電位的列表（見圖1）。它可預測電偶腐蝕趨勢，并作為潛在的電偶腐蝕驅動力，當2種或多種合金被連接在相同回路中時，電位序可有效地預測哪種金屬或合金將是陽極或陰極。

圖1 海水管路系統材料體系在靜態海水中的電位序Fig.1 Potential of seawater piping system materials in still seawater

減緩電偶腐蝕的基本思路包括：1）盡量選擇電位差接近的材料；2）改變環境介質；3）隔斷電連接的傳導路徑；4）設計中盡量將異種金屬的連接縫隙做到最小化，并考慮更合理的幾何形狀和陰陽極面積比；5）通過涂層或陰極保護改變電偶對的陰極或陽極反應。

同時，管路系統的電偶腐蝕控制必須考慮如下5個問題。一是由于不同金屬的綜合耐腐蝕性或力學性能不匹配性，使用替代合金的選擇通常是不現實的；二是通過添加緩蝕劑或除去海水中的氧，改變影響電偶電流回路的環境也是不現實的，因為它們常常需要連續應用導致較高的運行成本；三是通過電絕緣阻斷可能存在的導電路徑是有效的；四是應避免2種電位序相距甚遠的異種金屬直接接觸，并保證陰極和陽極總電流相等；五是通過對陰極施加絕緣涂層可有效提升有利的陰陽極面積比（小陰極大陽極），通過更小陰極面積產生的陰極電流被傳播在更大的陽極面積上；陽極絕緣涂層應避免漏涂而導致小陽極大陰極這種不良的陰陽極面積比。含硫化物海水中會導致電偶對發生反轉，同時未形成偶對的銅鎳合金在含硫化物的流動海水中也會發生加速腐蝕[4–5]。

2 電偶腐蝕控制技術陸上試驗裝置考核

從20世紀90年代末開始，美國海軍研究局、海軍研究實驗室等研究機構對于鈦、鎳基合金管路對B30等銅鎳合金管路帶來的電偶腐蝕風險及電偶腐蝕控制技術進行了長期評估和考核試驗研究。通過在賓夕法尼亞州的LaQue腐蝕科學研究中心等地搭建管路系統陸上模擬試驗裝置，對TA2工業純鈦、625鎳基合金等陰極管路與B30銅鎳合金形成偶對時的3類電偶腐蝕控制技術進行了系列考核評估[6–7]。主要包括：

1）在陰、陽極管路之間施加PVC絕緣管段。此前，美國海軍在銅鎳合金與異種金屬連接部位曾加裝犧牲陽極管段（如鋼質管段），然而由于腐蝕較快需不斷更換，造成維護成本增加，因此后來逐步考慮加裝絕緣管段的方法。為此，海軍研究實驗室開展了在625/B30合金中間加裝PVC絕緣管段技術的電絕緣性能的試驗。

2）對TA2，625合金管路施加石灰石涂層、聚氨酯涂層及陽極氧化涂層等3類絕緣涂層抑制陰極反應。其中，石灰石涂層是以鈦合金管路為陰極，鋅電極為陽極，通過電沉積的方式使鈦合金在慢速流動（<0.3m/s）天然海水中逐步形成石灰石（碳酸鈣）沉積物涂層。

3）使用雙電極反向電流補償裝置（Bi-electrode Device,BED），對偶對中的陽極管路施加陰極保護（見圖2）。

圖2 雙電極反向電流補償裝置原理圖Fig.2 Schematic diagram of bi-electrode reverse current compensation device

異種金屬管路在海水中形成電連接時，由于電位差的存在可引起電偶電流流動，為完成電偶回路和維持電中性，管路內的海水必須流經等量的離子電流。這樣，小電阻海水的流動就可導致陽極和陰極管段之間存在歐姆降，亦即電位梯度。雙電極反向電流補償裝置其原理是在鈦合金和B30管路之間加裝一對環形鍍鉑鈦電極，在電極上施加與電偶腐蝕電位降相反的電壓，使之形成與腐蝕電流方向相反的補償電流，并保持耦合電流低于5μA，以抵消異種金屬電位差，并使2種金屬的腐蝕電位維持在自身的自腐蝕電位附近。雙電極反向電流補償裝置最初是將2個100mm寬的鍍鉑環間隔嵌入長度為250mm，DN50的PVC管段中。該裝置具有陰極保護和電流補償2種模式。雙電極反向電流補償裝置的優勢是：1）不需要陽陰極管段間的機械隔離或物理隔離進行電絕緣；2）不會輸送電流到陽極或陰極管段，因此不存在保護面積限制；3）不要求對陽極或陰極管段本身的電連接。其不足之處一是必須置于陽極和陰極管段之間，并需要外部電源供應；二是如果與后續裝置連接起來（如陰極保護系統）或如果操作太高電流，將引起管路腐蝕。

該陸上試驗裝置（見圖3）每種金屬管段規格均為 DN50×3000mm。B30 銅鎳合金管選用 MIL-T-16420KΙ類無縫管，鈦管選用 ASTM B-337TA2 無縫管，625合金管選用ASTM B705-82II級焊接管。海水總管是DN150的PVC管，共包含12支回路，每個回路支管通過DN100的PVC三通和DN50的PVC球閥與總管并聯。每個支路出口安裝轉子流量計控制海水流速為1.8m/s。海水溫度范圍為7～28℃。12個支管中前6個支管的異種金屬管路電絕緣采用DN50×6mm的PVC管，以便于零阻電流計（ZRA）檢測電絕緣狀態。其他6個支路異種金屬管段采用DN50×250mm的PVC管進行電絕緣，或安裝相同長度的雙電極補償裝置。

3 結 語

通過電偶腐蝕控制技術陸上試驗，美國海軍主要獲得了如下結論[8]：

圖3 海水管路系統陸上試驗裝置Fig.3 Onshore test device for seawater pipeline system

1）大部分B30銅鎳合金管路的電偶腐蝕缺陷多發生于距離海水入口端300～450mm以內，鈦、鎳基合金等與銅鎳合金管路形成電偶對時，電偶腐蝕特性的轉變拐點一般處于距離海水入口端250mm部位。

2）電絕緣涂層是最為有效的電偶腐蝕控制技術，可使異種金屬間電偶電流降低95%～99%。所驗證的3種鈦合金管路電絕緣涂層性能排序依次是：陽極氧化涂層>聚氨酯涂層>石灰石涂層。

3）雙電極反向電流補償裝置對于電偶腐蝕控制具有良好的可行性，而且由于管路中電流的存在，還使鈦合金管路中的海生物污損生長困難。然而，由于雙電極施加的電流需要依靠智能調節設備，并且通常會超過所需電流，易導致類似于陰極保護電流過大引起的腐蝕加速，由于目前技術尚未成熟而限制了其實船應用。

4）在異種金屬管路間施加PVC等電絕緣管段是最易實施的電偶腐蝕控制技術，250mm長的PVC絕緣管段可使電偶電流降低20%～50%，但受設計、艙內施工空間等因素限制，加裝電絕緣管段往往受到一定限制。