銅鎳合金海水管路犧牲陽極加裝設計

施方樂， 黃 雷

(滬東中華造船(集團)有限公司，上海 200129)

0 引 言

目前，國內艦船普遍采用銅鎳合金管作為海水管路，常用型號有B10和B30。其中，B10主要用于系統管路，B30主要用于設備冷卻器冷卻管路。

銅鎳合金管具有良好的耐腐蝕性，主要通過在其表面生成的一層致密氧化層實現[1-2]。在實際使用中，由于泥沙沖刷等原因，其表面氧化層經常被破壞，致使其防腐蝕性能無法充分發揮。經過多年研究積累，目前對于銅鎳合金海水管路的防腐防漏可采取異種金屬電絕緣隔離、流速控制、加裝海生物防腐防污裝置等多種手段。相關調研結果顯示，目前艦船銅鎳合金海水管在未采取犧牲陽極保護措施的情況下，平均使用壽命約為3～5年。德國銅鎳合金管材供應商KME公司研究表明，在采用犧牲陽極及其他合適措施的情況下，銅鎳合金管使用壽命可達30年。因此，銅鎳合金管加裝犧牲陽極已是大勢所趨。

通過分析銅鎳合金海水管的腐蝕原因，并參照水下附件犧牲陽極加裝設計方法，對銅鎳合金海水管路實施犧牲陽極加裝設計，以保護管路及管系內銅合金材質的閥件和附件。

1 銅鎳合金管的腐蝕原因

相關研究表明，在艦船運行過程中，海水管路和管路中的閥件、附件，以及設備冷卻器冷卻水管面臨的腐蝕問題是由不同金屬材料之間的電位差引起的電流產生的，主要包括以下幾種類型：

(1) 海水富含導電的鹽溶液，在海水、管路中不同電位的金屬材料之間會形成電流回路，引發電化學(電解)反應，從而引起低電位材質因陽極效應損失電子而產生腐蝕。

(2) 設備接地效果差等原因造成雜散電流，電流引發電化學(電解)反應，導致低電位材質腐蝕。

(3) 直接接觸的不同金屬材料之間因電位差產生電流，進而引發電偶腐蝕，造成低電位材質腐蝕。

2 犧牲陽極加裝設計步驟和計算原理

根據銅鎳合金管的腐蝕原因，在海水管路加裝犧牲陽極，即通過在管路中設置低電位材料作為犧牲陽極，可實現在上述電化學反應中對海水管路、閥件和附件，以及設備管路的保護。

海水管路犧牲陽極加裝設計的具體實施流程如圖1所示。

圖1 實施流程

犧牲陽極可根據具體海水管路材質進行選擇，選擇原則是犧牲陽極的發生電流須達到被保護金屬構件達到保護電位時的極化電流。

犧牲陽極使用數量可根據下式估算：

(1)

式中：I1為保護電流密度，即被保護金屬構件達到保護電位時單位面積所需的極化電流，mA/m2；s為被保護構件浸水面積，m2；I2為每塊犧牲陽極的發生電流，mA。

犧牲陽極壽命按以下公式估算：

(2)

式中：Y為犧牲陽極有效使用壽命，a；G為犧牲陽極的凈重，kg；Q為犧牲陽極的實際電容量，A·h/kg；If為犧牲陽極的發生電流，mA；a為犧牲陽極發生電流平均因數，一般取0.6～0.8；K為犧牲陽極利用因數，一般取0.85。

犧牲陽極發生電流按以下公式計算：

(3)

式中：ΔE為驅動電位，V；R為犧牲陽極接水電阻，Ω。

犧牲陽極接水電阻按以下公式計算：

(4)

式中：ρ為海水電阻率，Ω·cm；S為犧牲陽極尺寸的當量長度，cm。

(5)

式中：L為犧牲陽極長度，cm；B為犧牲陽極寬度或直徑，cm。

3 銅鎳合金管的犧牲陽極加裝設計

3.1 犧牲陽極材料選擇

本研究選定的主要保護對象為銅鎳合金管，含B10和B30管，其次被保護的對象為海水管路中銅合金材質的閥件和附件等。

艦船設計防腐防漏的相關文件要求,銅合金海水管路犧牲陽極選材時保護電位推薦控制在-450～-750 mV范圍。鋅-鉛-鎘合金，其工作電位約為-1 000～-1 050 mV，銅合金的工作電位為-150～-300 mV，即以鋅-鉛-鎘合金作為犧牲陽極時，與銅合金管之間的保護電位為-850～-750 mV，符合銅合金海水管路犧牲陽極選材時保護電位推薦范圍。鑄鐵工作電位約為-750 mV，與銅合金之間的保護電位為-600～-450 mV，符合銅合金海水管路犧牲陽極選材時保護電位推薦范圍。因此，選擇鋅-鉛-鎘合金和鑄鐵作為犧牲陽極。

3.2 犧牲陽極安裝型式選擇

犧牲陽極可選擇不同的安裝型式，如直接在管壁上安裝，或安裝于連接法蘭或接頭之間。綜合考慮擴大犧牲陽極與被保護管路的面積比、管路內流體介質的穩定性等要求，建議選擇安裝于連接法蘭或接頭之間的型式。典型安裝型式如圖2所示。

圖2 典型安裝型式

在圖2中，為形成電流回路，防止因異種金屬接觸造成接觸面不均勻腐蝕，影響犧牲陽極使用壽命，墊片應使用絕緣墊片，并應設置導通電纜。

選擇以上安裝型式具備以下優點：

(1) 犧牲陽極安裝于法蘭之間，安裝方便。

(2) 犧牲陽極內徑與管路一致，不會造成管路內徑突變，影響流速，形成紊流。

(3) 可通過選擇犧牲陽極的長度，即圖示的L值，增減犧牲陽極的接水面積，由此可計算犧牲陽極的布置數量和使用壽命。

3.3 犧牲陽極布置設計

GJB 157-1986《水面艦船犧牲陽極保護設計和安裝》[3]規定，裸露的青銅、黃銅等銅合金和不銹鋼材料的保護電流密度一般取300～350 mA/m2，即在該保護電流密度下，被保護的銅鎳合金管材和系統內的銅合金閥件、附件可達到保護電位時單位面積所需的極化電流。取保護電流密度I1=300 mA/m2，海水電阻率ρ=25 Ω·cm。

計算得到犧牲陽極的當量長度如表1所示。為便于計算取值，犧牲陽極規格即其內徑近似取管路通徑值,犧牲陽極長度可根據需要選取，表1選取的長度僅作為計算數據使用。

表1 犧牲陽極當量長度計算表 cm

將當量長度S代入式(4)計算各規格犧牲陽極接水電阻，再將電阻結果代入式(3)計算發生電流，算出各規格犧牲陽極推薦安裝間隔值，結果如表2所示。其中，安裝間隔包括管路中閥件和附件的長度，由于閥件和附件內部形腔較為復雜，建議實際加裝時閥件和附件長度按兩倍長度計算。

表2 犧牲陽極安裝間隔推薦值

3.4 犧牲陽極使用壽命估算

利用式(2)求得犧牲陽極使用壽命，如表3所示。在計算質量時，由于銅鎳合金海水管采用松套法蘭型式，犧牲陽極內徑取管子內徑值，外徑取連接法蘭密封面外徑值，法蘭連接及密封面按照GB 569-1965[4]標準，鋅-鋁-鎘合金電容量Q=780 A·h/kg，鑄鐵電容量Q=900 A·h/kg。

表3 犧牲陽極使用壽命估算表

4 總 結

本文主要闡述了銅鎳合金海水管的腐蝕原因、防腐措施及犧牲陽極加裝設計的理論依據和計算方法，并參考艦船設計防腐防漏相關文件對犧牲陽極保護電位的要求，選擇鋅-鋁-鎘合金和鑄鐵兩種材料作為犧牲陽極，進行兩種犧牲材料布置間隔和使用壽命計算，供使用者選擇。

本文對犧牲陽極的結構型式僅作示意，在實際使用中可根據需要進行細化設計。在計算結果中，布置間隔、使用壽命也僅起演示作用，具體加裝設計時可根據實際情況對犧牲陽極的長度和具體結構進行設計，再進一步進行計算。