艦船海水管路B10材料標準分析與思考

夏齊強，朱 韜

（海軍研究院，上海 200235）

0 引言

海水管路選材是艦船腐蝕防護的重點和難點。海水管路一旦出現腐蝕泄漏或海生物污損堵塞管道，將嚴重影響管路以及設備的正常運行，不僅會給用戶使用維修、日常維護等帶來影響，有時甚至直接危害艦船的安全性和生命力，做好艦船海水管路選材設計對于解決艦船海水管路的腐蝕問題意義重大。B10材料由于具有優良的耐海水腐蝕和抗海生物污損性能，以及良好的塑性和韌性，在國外各類艦船海水管路上廣泛應用，我國艦船海水管路也逐漸采用B10合金管代替紫銅管。由于我國對艦船海水管路用B10材料研究工作起步較晚，B10管材基本是引進研仿后形成國產化，關于B10材料研究不是很充分，B10材料的性能試驗也很少，材料標準也隨著研仿后固化下來，較少考慮與國外B10材料標準的差別及存在這些差別的相關影響。本文主要對艦船海水管路用B10材料標準進行分析與探討，旨在為艦船海水管路防腐設計提供參考。

1 發展和應用現狀

管系材質的耐蝕性是影響海水管系腐蝕破壞的主要因素。B10材料由于耐海水沖刷蝕性能優良，國外早在20世紀40年代開始在大型軍船和民船上逐步推廣應用B10管路材料。我國自20世紀60年代開始著手艦船海水管路選材設計，艦船海水管路普遍釆用的TUP紫銅管。隨著B10銅鎳合金管的進口引入和國產化研制，自20世紀90年代中期開始，我國艦船海水管路，包括海水冷卻管路、水消防管路、泡沫滅火管路、艙底水管路、壓載水系統、日用海水管路等，均采用了防流動海水腐蝕效果較好的B10銅鎳合金管，有效提高了艦船防腐能力。同時，管子附件也逐漸釆用B10銅鎳合金，B10銅鎳合合金海水管路系統材料配套體系在逐步完善。近年來對艦船海水管系的防腐防漏設計、施工工藝等提出了更多要求，在實際應用中也取得了較好的效果，但是缺乏一個統一的B10材料海水管路系統防腐蝕設計的方法標準及配套產品規范。如閥門選取何種材料、哪些地方需要電絕緣、哪些地方需要犧牲陽極保護及保護的形式、防污措施如何選取、海域泥沙含量較高的海域其海水流速如何限定等，缺少統一的認知、方法和試驗數據和標準支撐。總體來說，我國在海水管路選材配套體系建設和防腐蝕設計方法方面還存在一定不足，由于海水管系選材不當、流速控制不準、異種金屬材料匹配不佳等原因，造成管系中設備、閥附件、接頭等的腐蝕問題還是無法避免，影響了先進材料應用的總體效果，對海水管路系統防腐蝕設計工作帶來了較大的困擾。

2 相關標準分析

2.1 國內標準規范情況

國內關于艦船海水管路材料相關標準主要有GJB 4000—2000《艦船通用規范》[1]和GJB 5908—2006《艦船用白銅管材規范》[2]。

GJB 4000—2000規定海水管、艙底疏水管、冷卻水管、液壓油管、生活污水管、冷藏管、水幕管、蒸汽加熱盤管、深度計管、計程儀管、消防水管、泡沫滅火管等管子材料采用無縫銅管；消防水管、流速較高的其他海水管采用銅鎳合金管或雙相超低碳不銹鋼管。GJB 4000作為艦船設計通用要求，從頂層上提出了管路設計的原則，主要對各種管系采用材料進行了規定，明確指出了銅鎳合金管的應用范圍，但GJB 4000對于B10銅鎳合金管規格、化學成分等沒有要求，對管材的設計選型缺乏指導。

GJB 5908—2006《艦船用白銅管材規范》規定了艦船用自銅拉制管材的要求、質量保證規定、交貨準備等，主要對管材的牌號、狀態和規格、管材的化學成分、管材的室溫力學性能、管材的工藝性能、管材的尺寸、外形及偏差提出了詳細要求，用于艦船海水管路用B10管材的設計選型和檢驗驗收。由于該標準頒布時間較早，部分技術要求與國外差距較大，部分要求未明確或遺漏，導致實際工作中B10管材會出現異常腐蝕的情況，不能較好地滿足艦船海水管路系統B10銅鎳合金管的腐蝕防護工作要求。

2.2 標準主要技術內容分析

2.2.1 化學成分

B10管材化學成分是影響抗腐蝕能力的關鍵因素。為了取得最佳的抗腐蝕能力，應對其化學成分進行嚴格限制。GJB 5908—2006《艦船用白銅管材規范》對管材的化學成分規定如表1所示。關于B10銅鎳合金管路材料標準，國外流行的主要有德國KME公司的企業標準、歐標、德標、英標、美標、日標等，其具體化學成分見表2。從表1中可見，這些標準均對Ni、Fe和雜質含量范圍進行了規定，這些材料標準主要區別在Ni含量和Pb、S等雜質成分控制，多數 B10銅鎳合金標準 Ni含量在9.0%～11.0%，少數控制住10.0%～11.0%，雜質成分規定上限越少越好。

表1 BFe10-1.6-1管材的化學成分

目前，我國艦船各型號使用的海水系統管路主要采用國產化B10管材，其化學成分設計定型主要根據GJB 5908—2006《艦船用白銅管材規范》。該規范規定Ni的含量為9.0%～11.0%，與德國標準、美國標準、日本標準中 Ni含量要求一致，但德國KME公司B10企業標準、歐洲標準和英國標準對Ni的含量要求為10.0%～11.0%，比我國軍標的要求要高。理論上，鎳含量越高耐腐蝕性能越好。但是，鎳含量的提高大大增加了成本，與銅鎳合金管（B30管）相比，B10管含較少鎳，成本大大降低。而且由于海水浸泡同樣可以形成富鎳富鐵的表面膜，因而經過一段時間，其耐蝕性可以接近B30管。

從表2中可以看出，含10%Ni用作耐蝕材料的銅鎳合金，實際都含有1.0%～2.0%的鐵及適量的錳，對不同 Fe含量的銅鎳合金在靜態和高流速海水中進行腐蝕試驗后發現，Fe含量低的合金形成的腐蝕產物中氧含量高；Fe含量高的合金所形成的腐蝕產物中富Ni，氧含量低。在B10合金中，由于鐵的存在，大大提高了保護膜的耐腐蝕能力，但隨著鐵含量的增加，B10點蝕敏感性也增加了，其中改性元素Fe含量對B10合金的耐海水腐蝕性能有較顯著的改善，特別是抗流動海水沖刷腐蝕性能。雜質Pb和S對材料的腐蝕性能也有一定的影響，它們會與其他元素一起形成低熔混合物，由于熔點非常低，從而導致一些不良的效果，比如在焊接和熱成型時會出現熱裂和熱脆問題[3-6]。

表2 不同標準B10材料化學成分

國內B10管材成分Ni、Fe、Mn、Cu主要參照國際相關標準的規定進行確定，但在S、Pb等雜質含量上略有不同，這些雜質元素成分主要是在參照國際相關標準的同時，根據當時國內實際制造能力和技術水平進行確定的。總的來說，合金的成分以及雜質的影響是一個非常復雜的問題。含Ni量及其雜質成分肯定影響材料的耐蝕性、耐沖刷性及壽命，但是之間的相關性研究不多，基本是研仿后形成國產化，材料標準也是在研仿后固化下來的，較少考慮如何改進和如何創新發展。

2.2.2 工藝性能

目前，GB/T 8890—2015《熱交換器用銅合金無縫管》[7]、GB/T 1527—2006《銅及銅合金拉制管》[8]、GB/T 31977—2015《核電冷凝器用銅合金無縫管》[9]、CB 1133—1985《BFe30-1-1管材技術條件》[10]等規范均對管件工藝性能進行了規定，主要包括擴口試驗和壓扁試驗，這對于保證艦船海水B10管質量也十分重要，可為艦船海水管路用管材出廠檢驗驗收要求提供有力依據。

2.2.3 金相組織

材料的金相組織是影響其耐腐蝕性能的一個因素。目前國內部分管材標準，如GB/T 1527—2006《銅及銅合金拉制管》、GB/T 31977—2015《核電冷凝器用銅合金無縫管》等標準提出了材料金相組織的要求，明確了平均晶粒度范圍。但由于管材用途要求不一、制造水平及檢驗方法手段有限，目前還沒有統一的標準，對于艦船用B10管材更是如此。

2.2.4 無損檢驗

檢驗方法及要求是確保B10管材產品質量的重要保證。GJB 5908—2006《艦船用白銅管材規范》僅對渦流探傷進行了規定，沒有涉及超聲波檢測。渦流檢測和超聲檢測是從不同的角度檢測管材性能的，渦流檢測對材料表面、近表面存在缺陷，但是較難檢驗測出厚壁管埋藏的缺陷，理論上都應該檢驗，但目前沒有合適的超聲波探傷方法和要求，無法指導實際檢驗操作。

3 思考與建議

3.1 提高相容性配套性認識

艦船海水管路系統包含管子、管路附件、閥門、泵、冷卻器、濾器等，設計時應考慮整個管路系統材料的相容性和配套性。在海水管選B10管后，對管系中的海水濾器、閥門、海水泵、冷卻器、壓力表接頭等附件的材質選取和防腐設計必須全系統綜合考慮，防止異種金屬間產生電偶腐蝕。海水管路防腐蝕設計涉及選材、流速優化設計、管路-設備-船體三者之間的連接、防海生物方法選取以及管路、設備的防腐蝕設計等，還需要考慮制作、安裝工藝和維修維護空間等，是一個系統工程。較長時間以來，在腐蝕控制方面常常出現“頭痛醫頭、腳痛醫腳”的事情，怎么達到全系統的腐蝕控制最優做得不多，出現高性能材料種類應用越多、先進方法越多、“系統級最優”越難的問題。建議設計者和相關管理部門用全局眼光、系統的思維來綜合考慮艦船海水管路防腐蝕設計問題，加快配套體系產品設計研制。

3.2 加強海水管路B10材料防腐蝕設計研究

B10管材的腐蝕性能優劣不僅與其材料本身性能有關，由于設計方法不優、流速控制不準、異種金屬材料匹配不佳、管路接頭設計選型等原因，容易造成管系中設備、閥附件、接頭等的腐蝕問題。要有效預防海水管系腐蝕，需要從系統設計、材質選型、管系結構布置、施工安裝工藝、海水流速限制、經常航行的海域海況及維護保養等多方面考慮海水腐蝕的影響，建議系統開展艦船海水管路使用B10情況調研與跟蹤，對其應用情況進行調研分析，查找問題，總結經驗；對比國外海軍艦船海水管路選材和防腐蝕設計方法，從系統角度完成基于B10材料為主的海水管路系統材料體系設計；開展艦船海水管路系統防腐蝕設計方法研究和系統、附件、設備材料配套方法研究及實海考核與試驗驗證，進一步摸清B10管材腐蝕防護的影響因素。

3.3 推進海水管路B10材料標準規范建設

艦船海水管路系統防腐設計是一個系統工程，管路系統要滿足使用方的方便可靠使用，不僅涉及到優質管路材料的供應，還與管路設計選型、加工制作、檢驗驗收密切相關。目前，國內B10材料防腐研究基礎相對薄弱，管路系統設計方法還需長期試驗數據支撐，與管路相關的管路附件、海水泵、閥門等配套標準規范缺少。為更好指導和保障艦船海水管路防腐設計，固化研究成果，建議加快推進艦船海水管路系統標準規范建設，以進一步規范艦船海水管路B10材料選型和防腐蝕設計技術要求、B10海水管路系統配套產品規范、B10管材施工工藝技術要求和B10管材檢驗驗收技術要求。

4 結論

隨著現代艦船使命任務越來越重、裝備質量與可靠性要求越來越高，對艦船海水管路腐蝕防護控制也越來越迫切，急需形成一套完善的艦船海水管材防腐設計方法標準，制定相應的配套產品規范或技術要求，更好的指導和規范海水管系的設計與制造安裝。