海洋環(huán)境下新型長(zhǎng)效海水過(guò)濾元件研制

李華峰，王小鋒，郁 飛

(核動(dòng)力艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)國(guó)防科技實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430064)

0 引言

海水濾器的主要作用是過(guò)濾海水中較大的雜質(zhì)，防止損傷冷卻水泵葉輪、換熱設(shè)備及堵塞流道，保證系統(tǒng)及動(dòng)力裝置的正常安全運(yùn)行。目前船用耐壓海水濾器選用CB1039－1995《耐壓海水濾器》，過(guò)濾精度10目/英寸，但在實(shí)船應(yīng)用中暴露出濾筒短期內(nèi)就因腐蝕致功能失效，通常3個(gè)月內(nèi)即完全破損，如圖1所示。

鑒于上述情況，海水濾器的濾筒短期內(nèi)便功能失效，其任務(wù)剖面與實(shí)船使用需求嚴(yán)重不匹配，核心矛盾是濾筒在海洋環(huán)境下的可靠性，因此有必要提高其使用壽命。

1 功能失效原因分析

1.1 海水沖刷致材料腐蝕嚴(yán)重

圖1 原濾器失效形貌Fig.1 The disabled appearance of quondam filte

海水系統(tǒng)的海水泵由于動(dòng)力裝置工況變化大，實(shí)際工作點(diǎn)可能偏離額定工作點(diǎn)。經(jīng)初步估算海水泵吸入口流速經(jīng)常達(dá)到2.8 m/s，甚至更大。如果按照濾網(wǎng)通流面積與公稱(chēng)通徑面積比為3進(jìn)行計(jì)算，海水通過(guò)濾網(wǎng)流速已超過(guò)濾網(wǎng)選用材料(H68)所允許的最大流速0.9 m/s，其對(duì)應(yīng)的沖刷腐蝕速率已處高位。考慮到海水中有一定的含砂量，尤其是近碼頭處運(yùn)行時(shí)，更會(huì)加劇這一沖刷腐蝕過(guò)程。此外，H68是銅鋅二元合金，在海水中會(huì)發(fā)生脫鋅腐蝕生成白色腐蝕產(chǎn)物，加速縮短濾網(wǎng)有效工作時(shí)間。

1.2 濾網(wǎng)絲徑細(xì)，與海洋環(huán)境下材料腐蝕速率失配

海水濾器濾網(wǎng)的銅絲網(wǎng)的絲線直徑為0.5 mm，黃銅H68在靜止海水中的腐蝕速率為0.014 mm/a，但在流動(dòng)海水中的腐蝕速率可達(dá)0.33 mm/a，銅絲網(wǎng)浸在海水中雙面沖刷腐蝕，所以短期內(nèi)就可將銅絲網(wǎng)腐蝕掉。

圖2 H68合金含鋅量與材料強(qiáng)度關(guān)系Fig.2 The relation between the material intensity and the H68

1.3 濾筒結(jié)構(gòu)剛度弱

濾網(wǎng)材料H68是銅鋅二元合金，組分中約含30%～33%的鋅。資料表明含鋅量與材料強(qiáng)度有著密切關(guān)系，如圖2所示。從中可以看出，如果銅合金中含有不大于15%的鋅，則因脫鋅作用而導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低不明顯。對(duì)于H68，如果長(zhǎng)期浸泡在海水中，強(qiáng)度降低可達(dá)20% ～60%。此外，海水濾器濾網(wǎng)采用銅絲編織而成，并焊接固定在濾筒的構(gòu)架上，對(duì)于每根銅絲來(lái)說(shuō)是兩端固定的結(jié)構(gòu)，當(dāng)其中1根腐蝕破壞時(shí)，就會(huì)變成2根單端固定的懸臂結(jié)構(gòu)，剛度明顯減弱，在來(lái)流海水沖刷作用下與此根銅絲相關(guān)的所有孔隙通流面積發(fā)生變化，海水從孔隙小的孔眼高速流過(guò)，進(jìn)一步加大了濾網(wǎng)的沖刷腐蝕，最終導(dǎo)致濾網(wǎng)破損。

2 濾筒改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 濾筒材料選型

H68在流動(dòng)海水中耐腐蝕能力差，對(duì)脫鋅腐蝕敏感而導(dǎo)致材料強(qiáng)度顯著降低，不適用于海水濾器選型。目前較好適用于海水系統(tǒng)的常用材料有TUP、BFe30-1-1、超低碳雙相不銹鋼HDR以及鈦合金Ti-75等，幾種材料的特性見(jiàn)表1及圖3所示。

表1 材料特性對(duì)比表Tab.1 The contrast of the material characterisc

圖3 流速對(duì)紫銅腐蝕速率的影響、HDR與2種銅鎳合金的腐蝕速率對(duì)比、與鈦合金偶合面積比對(duì)其他材料腐蝕速率影響圖Fig.3 The relation about the speed of sea-water excert an influence on the rate of copper corrosion，the contrast of corrosion rate between the HDR and two albate(B10，B30)，the relation about the defferent aera ratio contact to Titanium alloy excert an influence on other materail concern with the corrosion rate

綜合各材料腐蝕速率、拐點(diǎn)特性、腐蝕匹配性等方面分析，確定濾器濾筒材料選用BFe30-1-1。

圖4 濾筒流場(chǎng)分析結(jié)果Fig.4 The result of the analysis about the filter flow-filed

2.2 濾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于對(duì)濾筒剛度、過(guò)濾精度、生產(chǎn)工藝等方面要求，并考慮到絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)整體剛度若等固有不足，提出圓柱和倒圓臺(tái)2種高剛度板孔濾筒結(jié)構(gòu)，并針對(duì)開(kāi)孔尺寸、空間距、開(kāi)孔布局等方面參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并針對(duì)2種相對(duì)較優(yōu)方案采用Fluent進(jìn)行流場(chǎng)分析，如圖4所示。

表2 流阻估算結(jié)果Tab.2 The estimated result of the flow resistance

綜合流阻、流場(chǎng)分布均勻性等方面分析，倒圓臺(tái)濾筒結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)更為突出，此外倒圓臺(tái)結(jié)構(gòu)存在水力向下切力，有利于使過(guò)濾物沉積到濾器下部收集器中。因此選用倒圓臺(tái)板孔濾筒結(jié)構(gòu)。

2.3 樣機(jī)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

根據(jù)上述分析并結(jié)合具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，生產(chǎn)了1套新型濾筒，如圖5所示。

為了驗(yàn)證新型濾筒在海洋環(huán)境下使用壽命，將樣機(jī)進(jìn)行實(shí)船試用3個(gè)月，結(jié)果表明新型濾筒使用壽命較原濾筒大大提高，試用期內(nèi)腐蝕量較小，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)換算，預(yù)計(jì)使用壽命可達(dá)5年。

圖5 新型海水濾器樣機(jī)三維設(shè)計(jì)及實(shí)物圖Fig.5 The picture of the three-dimensional design and practicality about the new sea-water filter

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)導(dǎo)致原濾筒短期內(nèi)過(guò)濾功能失效的主要因素，如材料在海洋環(huán)境下匹配性差、整體結(jié)構(gòu)剛度弱等問(wèn)題，有針對(duì)性的采取了措施，同時(shí)深入論證分析，最終選用BFe30-1-1倒圓臺(tái)板孔狀過(guò)濾結(jié)構(gòu)，并經(jīng)實(shí)船試用，表明新型濾筒的使用壽命大大提高。目前該結(jié)構(gòu)濾筒已取得實(shí)用新型專(zhuān)利。

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