國外海軍艦船海水管系雜散電流腐蝕和縫隙腐蝕研究概述

田清正，管勇

（1.解放軍航天工程大學，北京 101416；2.中國科學院金屬研究所，遼寧 沈陽 110016）

海水管路系統(tǒng)包括各種管路、泵、閥、冷卻設備及其他附屬設備，承擔著動力、機電、武備、空調(diào)等系統(tǒng)的冷卻以及消防等任務，是維持艦船裝備正常運行的重要系統(tǒng)之一。由于海水管路系統(tǒng)材料體系復雜多樣，其腐蝕控制一直是海軍艦船腐蝕控制的重點。進入本世紀以來，隨著銅鎳合金、鈦及鈦合金、鎳基合金等高電位金屬的上艦應用范圍的大幅增加，與原有泵閥、冷卻設備中的黃銅、青銅合金、鋼鐵等金屬連接時的電偶腐蝕問題逐步浮出水面。為解決異種金屬接觸引起的電偶腐蝕問題，需要通常采用電絕緣組件、撓性接管等非金屬材料以及外加電流保護裝置，這樣又會帶來雜散電流腐蝕問題，以及鈍性金屬的縫隙腐蝕等新的腐蝕形式。由此，美國海軍對于海水管路系統(tǒng)新材料上艦應用帶來的雜散電流腐蝕和縫隙腐蝕問題開展了考核評估試驗研究，以此來避免新材料應用帶來的腐蝕失效風險[1-3]。

1 雜散電流腐蝕研究

為提高艦船海水管路系統(tǒng)整體耐海水腐蝕性能，上世紀90年代美國海軍開始考慮使用625 鎳基合金（USN N06625）部分取代B30 銅鎳合金（UNS C71500），但需要解決由此引發(fā)的電偶腐蝕風險問題。在管路接口處進行電絕緣隔離是當前采用普遍的技術措施，鑒于此，美軍艦船將雙金屬橡膠嵌入式隔聲耦合裝置(RISICS)和絕緣撓性接管兩種技術納入新建艦船的海水管路系統(tǒng)的設計中。然而，由于艦船上存在數(shù)量眾多的電連接方式，使得RISICS 和撓性接管不能實現(xiàn)不同金屬管線間有效的電氣隔離。由此就會給銅鎳合金等其他材質(zhì)的海水管路帶來顯著的電偶腐蝕和雜散電流腐蝕風險[4]。

鑒于上述問題，美國海軍海上系統(tǒng)司令部組織相關科研院所開展了B30 銅鎳合金與625 合金等形成異種金屬接觸時的電偶腐蝕和雜散電流腐蝕控制技術的陸上試驗裝置考核評估研究。該項目旨在確定B30/625 合金形成偶對時的電偶腐蝕電流大小和分布，以及利用不同材料的電絕緣管段隨長度變化時的電絕緣效果，并確定雜散電流腐蝕發(fā)生在RISICS 隔離器上的可能性。同時，此研究的目的還在于確定在相同的電位下，法蘭連接部位的雙金屬縫隙與單一材料的類似縫隙相比，是否會導致更大的縫隙腐蝕風險[3,4]。

圖1 電偶腐蝕/雜散電流腐蝕陸上試驗裝置

通過上述雜散電流腐蝕試驗研究，可以得出如下結論：

（1）電絕緣裝置可以顯著降低625/B30 白銅耦合狀態(tài)下的電偶腐蝕風險，1～3m 長度可以達到最佳效果，絕緣段越長越易發(fā)生雜散電流腐蝕，并且腐蝕深度也較大；

（2）625 合金對于電偶腐蝕和雜散電流腐蝕的耐受性均高于B30 合金，625 合金最主要的腐蝕形式是雜散電流腐蝕引發(fā)的縫隙腐蝕；

（3）高流速海水中的電偶腐蝕及其引發(fā)的雜散電流腐蝕風險更大;

（4）小直徑B30 管比大直徑管更易遭受電偶腐蝕和雜散電流腐蝕；

（5）建議海軍艦船使用兩端絕緣處理的1m 長鈦合金絕緣段，以降低DN50 直徑異種金屬海水管路接頭的電偶腐蝕風險。

2 縫隙腐蝕研究

海軍水面艦艇的海水管路系統(tǒng)及其泵、閥相關附件在實際使用過程中有著很高的腐蝕失效率，與海水管路泵閥等部件相關的腐蝕成本，已經(jīng)被認為是在海軍水面艦艇整個維護預算的中的重要組成。為了減少海水管路泵閥的使用成本，合金鈍化工藝目前大量被用于提升當前閥門材料（通常是銅和銅鎳合金）的耐蝕性的。這些鈍化膜能夠預防大多數(shù)形式的腐蝕，并提高與鈦等高電位材料的兼容性。然而這些鈍性合金也容易發(fā)生縫隙腐蝕。

對此，美國海軍水面戰(zhàn)中心對于當前艦船海水管路采用的系列泵閥材料進行了靜態(tài)和流動海水中的縫隙腐蝕性能測試及腐蝕控制技術評估（圖2和圖3）[5,6]。

圖2 靜態(tài)海水縫隙腐蝕試樣

圖3 流動海水縫隙腐蝕試樣

縫隙腐蝕試驗結果表明：

（1）海軍黃銅、鎳鋁青銅、M35、K500 以及B10、B30 在180 天靜態(tài)或流動海水中均顯示出縫隙腐蝕敏感性；

（2）在靜態(tài)和流動海水中，654SMO、C22、686、59、C2000、Ti-45Nb、Ultimet 和25 等許多合金表現(xiàn)出完全的耐縫隙腐蝕性能；

（3）Ti6Al4V 和TA2（有及沒有陽極氧化）在靜態(tài)海水條件下對縫隙腐蝕具有完全抗性；

（4）在靜態(tài)海水耐縫隙腐蝕性方面，橡膠襯墊法蘭面使用粗糙表面（12.7～25.4μm）比光滑表面（0.5～1.5μm）略有改善；

（5）在靜態(tài)和流動海水條件下，鍛造合金耐縫隙腐蝕性能通常比高于鑄造合金，可能是由于鑄造結構缺陷或化學偏析等因素；

（6）試驗中由于縫隙幾何形狀和縫隙面積比的原因，流動海水中鎳基合金和不銹鋼的耐縫隙腐蝕性比靜態(tài)海水有所提高。

3 結論

為應對鎳基合金、鈦及鈦合金在海水管路系統(tǒng)上的應用對原有銅鎳合金管路帶來的電偶腐蝕風險及其所引起的雜散電流和縫隙腐蝕風險，美國等國外海軍研究機構通過開展陸上試驗和實驗室試驗研究進行了大量考核評估。研究結果表明：

（1）電絕緣管段技術可以顯著降低電偶腐蝕及雜散電流腐蝕風險，1m 長度的絕緣管段即可將腐蝕量降低50～60%；

（2）高流速、小管徑服役環(huán)境更易發(fā)生電偶腐蝕和雜散電流腐蝕；

（3）625 鎳基合金對于電偶腐蝕和雜散電流腐蝕的耐受性明顯高于B30 銅鎳合金；

（4）在縫隙腐蝕試驗所測試的多種金屬材料中，幾乎所有銅基合金在靜態(tài)和動態(tài)海水中均存在縫隙腐蝕風險，而奧氏體不銹鋼、鎳基合金和鈦及鈦合金等則不存在；

（5）鍛造合金的耐縫隙腐蝕性能通常高于鑄造合金；

（6）在靜態(tài)海水耐縫隙腐蝕性方面,橡膠襯墊粗糙表面比光滑表面略有改善。