油船貨油艙用鋼及焊縫耐蝕性研究綜述

張曉柏，李 昊，蔣 勇，余祖孝，羅 宏，白智鴻，段 松

(1. 四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川 自貢 643000；2. 四川理工學院材料科學與工程學院，四川 自貢 643000)

近年來，原油海上運輸量逐年增大，據德國不來梅航運經濟和物流研究所(ISL )統計 ，2014年世界油船隊300總噸以上的油船6816艘，4.324億DWT，我國進口原油90%以上依賴海上運輸[1-2]。油輪的腐蝕問題主要集中在貨油艙內部，艙內主要是原油和少量的H2O，還含有O2，CO2，SO2，N2等防爆的惰性氣體，以及由原油中揮發出來的H2S。上甲板冷凝水中溶解酸性氣體發生均勻腐蝕，下底板沉積水膜中溶解的酸性H2S氣體和高濃度的Cl-腐蝕引起的局部腐蝕。

據統計，油輪運行過程中上甲板最大腐蝕速率超過0.3 mm/a，內底板最大腐蝕速率超過4 mm/a，這將大大縮短船的壽命，直接威脅到原油運輸的安全[3-6]。因此，對于油船貨油艙用鋼及焊縫耐蝕性的研究極為重要。

1 內底板耐蝕性

1.1 腐蝕機理

貨油艙底板的腐蝕原因是油膜遭到破壞后，裸露的內底板與高Cl-含量的沉積水接觸，基體以Fe2+形式發生溶解，隨著腐蝕過程的進一步發展，Fe2+發生水解，該反應生成H+，鋼中的MnS與H2O反應產生H+，導致點蝕坑內pH值降低，促進了陽極的進一步溶解[7-8]。

1.2 合金元素的影響

16MnCu比16Mn具有更好的耐蝕性[9]，含Cu的ZSE36比E36具有更好的耐蝕性[7]，Cu的加入，降低了鋼在強酸性環境中Cl-腐蝕的熱力學傾向，Cu元素以富Cu顆粒的形式出在鋼表面，降低了基體的溶解速度。E36鋼中加入0.086%的Mo元素，可以增加組織中小角度晶界的比例，提高耐蝕性能[10]。Cu和Ni的加入能夠提高鋼基體的耐均勻腐蝕能力[11]。焊縫中W、Sb等合金元素的影響也在研究中。鋼中合金元素對耐蝕性的影響極為復雜，必須綜合考慮鋼的冶煉、軋制及焊接等熱加工過程，鋼的力學性能等因素。

1.3 夾雜物的影響

焊縫中的S的夾雜物會誘導點蝕的發生和擴展，硫含量較低時點蝕起源于氧化夾雜物，中高含硫量時點蝕起源于氧化和硫化混合夾雜物[12]。文獻Cu-Ni系成分的油輪貨油艙耐蝕船板鋼EH36，MnS夾雜對于腐蝕極為敏感，加入Ca可以減少其危害[13]。點蝕的起源一般為Si-Al-Ca-O的夾雜物或鋼表面的碳化物，在高濃度的Cl-環境中會加速蝕坑內的自催化過程，點蝕迅速擴展，通過冶煉工藝的優化，減小夾雜物的尺寸和數量，添加Ca 對夾雜物的形狀進行改性，降低點蝕發生的傾向[11]。點蝕傾向于發生在曲率半徑相對較小的夾雜物，夾雜物的形狀并沒有太大的影響[14]。

2 甲板耐蝕性

2.1 腐蝕機理

油船貨油艙上部的蒸汽區，含有O2、CO2、SO2、N2等氣體，還有由原油中揮發出來的H2S，由于O2的氧化性和H2S 的還原性使貨油艙的腐蝕環境復雜而獨特。上甲板的內表面由于晝夜溫差的變化，蒸汽中的水蒸氣在上甲板內表面形成冷凝液膜，使內表面處于干濕交替的環境中，H2S、CO2、SO2等腐蝕性氣體溶解于液膜，形成酸性腐蝕溶液對上甲板造成腐蝕[15]。李灝等[16]研究了低合金船體鋼在模擬防爆氣體(SO2+CO2+O2+N2)和原油揮發性氣體(H2S+%N2)以及兩者棍和存在條件下的差異，結果表明模擬防爆氣體造成的腐蝕量遠大于原油揮發氣體，原因是H2S與CO2、SO2發生還原反應生成多邊形塊狀且光滑的單質硫，促進銹層發生剝離脫落。

2.2 合金元素的影響

在傳統D36級船板鋼中添加Cu、Ni、Cr、Nb、Ti、Zr等合金元素，在模擬上甲板的腐蝕環境中，年腐蝕量為傳統D36級鋼的1/3，25年外推減薄量小于2mm[17]。Peng ZHOU[18]等研究了含Cr量分別為1.02%、2.02%、2.97%的低合金鋼，模擬上甲板的腐蝕環境，用蒸餾水和模擬貨油艙氣體(4%O2～13%CO2-(100×10-6)SO2-(50×10-7)H2S-83%N2)環境，進行49d的干濕交替環境下的腐蝕性能評價，結果表明，含Cr量為2.97%的具有更好的耐蝕性。

3 焊接材料的研發

谷森等[17]研究了EH36級貨油艙耐蝕鋼配套藥芯焊絲熔敷金屬及焊接接頭的耐蝕性，模擬上甲板的腐蝕環境，進行49d的干濕交替環境下的腐蝕性能評價，耐蝕性能合格。

目前，各鋼廠生產的油艙耐蝕鋼，合金體系選擇，特別是微量元素的控制存在差異，必須匹配對應的焊接材料，增加研發成本，生產周期長，給船舶建造與管理增加了風險。四川大西洋焊接材料股份有限公司與四川理工學院、中國船級社重慶分社合作，協同創新，開展油船貨油艙耐腐蝕鋼用焊接材料焊接兼容性的基礎研究，并在此基礎上研制焊接材料，滿足油船建造相關技術規范，兼容不同鋼廠油船所用的耐蝕鋼，增強焊接材料通用性，適用性，保證產品質量的可靠性，降低焊材給船舶建造和管理帶來的風險。

4 結語

油船貨油艙耐腐蝕鋼上甲板和內底板的腐蝕機理研究較為深入，鋼中Cu、Ni、Mo等的加入能夠顯著提高鋼基體的耐腐蝕能力，焊縫中W、Sb等合金元素的影響也在研究中，鋼或焊縫中的夾雜物對點蝕性能有較大影響。另外，油倉內底部的腐蝕環境PH值和氯離子濃度也有較大影響。

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