某船鎳銅管海水系統(tǒng)失效原因分析

孫宏坤 吳鵬飛 宋嘉睿

（駐廣州地區(qū)第一軍事代表室、中船黃埔文沖船舶有限公司、廣東省艦船先進(jìn)焊接技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 前言

船舶管路系統(tǒng)是保障推進(jìn)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)的重要組成部分，其耐海水腐蝕問題研究仍是船舶行業(yè)廣泛關(guān)注的問題之一。我國船舶行業(yè)所使用的海水管路系統(tǒng)從最初采用的TUP紫銅管到目前使用B10鎳銅管替代，管路系統(tǒng)地使用壽命大幅度增加。但是由于海洋環(huán)境及管路系統(tǒng)工作條件苛刻，管路系統(tǒng)仍然因海水浸泡腐蝕、泥沙沖刷、雜散電流腐蝕等問題而造成管路泄漏現(xiàn)象發(fā)生。

1 問題描述

某型船在交付船東使用后陸續(xù)接到反饋，該船在使用過程中存在不同程度鎳銅管銹蝕穿透并泄漏的情況，主要涉及冷藏、冰溫海水冷卻管、全船海水冷卻總管至艙室空調(diào)冷卻支管等共計(jì)15個(gè)部位。

相關(guān)技術(shù)人員針對全船各系統(tǒng)鎳銅管腐蝕質(zhì)量問題進(jìn)行現(xiàn)場勘查，損漏部位主要為冰機(jī)冷藏海水進(jìn)回水管、全船海水冷卻至大氣冷凝器進(jìn)回水管、全船海水冷卻至聲學(xué)設(shè)備實(shí)驗(yàn)室空調(diào)支管、全船海水冷卻至調(diào)查裝備主操控室空調(diào)支管、全船海水冷卻至艉部空調(diào)支管、全船海水冷卻至地球物理實(shí)驗(yàn)室空調(diào)支管，部分泄漏管路如圖1所示，圖1（a）與（b）所示均為彎管連接變向處發(fā)生腐蝕，1（c）中直管直接開支管小徑管路處發(fā)生腐蝕，1（d）為實(shí)驗(yàn)室空調(diào)支管的連接彎管焊縫熱影響區(qū)內(nèi)發(fā)生腐蝕。

圖1 鎳銅管路系統(tǒng)泄漏宏觀形貌

通過現(xiàn)場勘查，該船鎳銅管腐蝕穿透泄漏的部位全部集中在管路系統(tǒng)彎頭部位，距離焊縫邊緣5-20mm的區(qū)域。腐蝕嚴(yán)重的鎳銅彎頭分布在管徑30mm，38mm和44.5mm的管路上。

2 原因分析

2.1 合金成分及組織分析

失效管路材料的成分分析結(jié)果如表1所示，對比技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，鎳銅管的實(shí)測Cu、Ni、Fe、Mn等合金主要成分及Pb、S、P、C、Zn等雜質(zhì)成分含量均滿足要求。

表1 鎳銅管成分（%）

從發(fā)生泄漏現(xiàn)象的管路系統(tǒng)中截取合適部位制備試樣以觀察管路的微觀組織，鎳銅管內(nèi)微觀組織如圖2所示，如圖2（a）所示，直管部位發(fā)現(xiàn)其金相組織內(nèi)存在大量加工變形條紋組織，且越靠近內(nèi)壁則變形條紋越加明顯。如圖2（b）焊縫組織特征為典型的樹枝晶，熱影響區(qū)域晶粒十分粗大，因此熱影響區(qū)域組織結(jié)構(gòu)相對較為薄弱。在彎頭位置管路內(nèi)海水流向改變產(chǎn)生紊流加劇了對彎頭熱影響區(qū)的沖刷，導(dǎo)致鎳銅彎頭腐蝕嚴(yán)重。

圖2 金相微觀組織

2.2 管路設(shè)計(jì)分析

根據(jù)設(shè)計(jì)院的管路系統(tǒng)原理圖及管子材料訂貨清單，該型船海水系統(tǒng)管路材料選用鎳銅管，并根據(jù)工廠工藝體系編制并經(jīng)過船東、船檢簽字認(rèn)可的《管子加工原則工藝》和《管子安裝原則工藝》指導(dǎo)管路生產(chǎn)設(shè)計(jì)，使用計(jì)算機(jī)三維軟件開展管路放樣，在設(shè)計(jì)過程中貫徹執(zhí)行防腐防漏技術(shù)要求。

但在該船完工管路中可以看到，由于管路布置位置的原因，部分管路在設(shè)計(jì)中采用直接開支管的形式，如圖3所示，并且管路布置中直彎部位較多，部分管路需要變徑時(shí)沒有采用定型變徑接頭過渡，易導(dǎo)致海水流向突變，產(chǎn)生紊流現(xiàn)象，加劇海水泥沙沖刷彎頭力度。

圖3 直接開支管形式

同時(shí)在勘驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)海水彎頭破漏集中的區(qū)域?yàn)槔洳乇鶞睾Ｋ鋮s系統(tǒng)4個(gè)及鍋爐大氣冷凝器海水冷卻系統(tǒng)5個(gè)占破漏總量的60%，其系統(tǒng)管內(nèi)流速分別為5.2m/s和3.03m/s超出設(shè)計(jì)的常規(guī)要求，如圖4所示。

圖4 流速測定

鑒于鎳銅管腐蝕失效部位全部生于彎頭部位，不排除由于系統(tǒng)內(nèi)部分流速偏高、直接開支管及未使用定型變徑接頭過渡的設(shè)計(jì)方式加快鎳銅彎頭腐蝕速度。

2.3 施工工藝分析

2.3.1 工藝制定

建造廠家自1994年已開始使用德國KME公司生產(chǎn)的鎳銅合金管及附件，施工工藝得到德國KME公司認(rèn)可，制定的施工工藝包括《管子加工及安裝工藝》、《管路防腐、防漏工藝》和《鎳銅管焊接評定工藝》，以及專門針對鎳銅管路制作編制的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《不銹鋼管路、有色金屬管路設(shè)計(jì)指引》。明確規(guī)定了鎳銅管材及附件在管路設(shè)計(jì)、生產(chǎn)設(shè)計(jì)評審及出圖、入庫檢驗(yàn)、管子加工和安裝、成品檢驗(yàn)等方面的要求，工藝體系完善。因此排除因施工工藝不完善導(dǎo)致鎳銅管管路腐蝕問題的原因。

2.3.2 施工過程

（1）制作加工

鎳銅管制作嚴(yán)格按照工藝要求執(zhí)行。采用鎢極氬弧焊，氬氣純度及流量符合要求；純度≥99.9%；流量約8L/min，焊接部位采用有機(jī)清潔劑清潔干凈區(qū)域軸向長度≥30mm。放樣管子全部內(nèi)場制作，船校管子現(xiàn)場校后送內(nèi)場焊接，打樣管子現(xiàn)場打樣后在內(nèi)場制作焊接。

（2）管路安裝

實(shí)船安裝時(shí)，嚴(yán)格按照工藝要求執(zhí)行。在異種金屬相接觸部位，使用絕緣墊片、電絕緣螺栓組件；按照管路原理圖要求安裝犧牲短管；管路法蘭、接頭安裝要求自然對中，避免產(chǎn)生應(yīng)力；管路采用DJ橡膠減震管碼，間距合理，確保使用過程中無異常振動(dòng)現(xiàn)象。

2.3.3 質(zhì)量監(jiān)督方面

（1）入庫驗(yàn)收

每船套鎳銅管到貨后，按技術(shù)規(guī)格書要求，針對外觀、壁厚、規(guī)格、出廠合格證書進(jìn)行查驗(yàn)外，同時(shí)按批次取樣，使用便攜式合金分析儀檢測化學(xué)成分。在公司建造各類軍、民品船舶中，軍、民品材料分倉庫存放，材料按托盤領(lǐng)用，杜絕材料混用的可能。

（2）制作及安裝檢驗(yàn)

管子內(nèi)場裝配焊接檢驗(yàn)合格后按系統(tǒng)壓力要求進(jìn)行液壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)無泄漏。實(shí)船安裝嚴(yán)格按照各管路系統(tǒng)原理圖及《管子加工及安裝工藝》和《管路防腐、防漏工藝》、《不銹鋼管路、有色金屬管路設(shè)計(jì)指引》企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等規(guī)范要求對系統(tǒng)正確性、電絕緣措施、螺栓規(guī)格等級及緊固情況、管路法蘭及設(shè)備對中情況、管碼布置、系統(tǒng)密性等方面進(jìn)行檢驗(yàn)。各工序環(huán)節(jié)經(jīng)自檢、互檢、專檢合格后提交船東船檢驗(yàn)收。

2.4 使用過程分析

2.4.1維護(hù)保養(yǎng)

根據(jù)《全船海水系統(tǒng)管路原理圖》鎳銅管無特殊維護(hù)保養(yǎng)要求，據(jù)現(xiàn)場勘查組調(diào)查船員維護(hù)保養(yǎng)情況，無異常，可排除因使用維護(hù)保養(yǎng)不當(dāng)造成鎳銅管腐蝕穿透的原因。

2.4.2使用環(huán)境分析

該船主要停泊區(qū)域?yàn)橹凵揭粠ШＳ?，受長江流域泥沙沖刷影響，東海海域水質(zhì)偏黃，其泥沙懸浮含量要明顯高于南海、黃海等其他海域，海水管路使用環(huán)境相對于交付南海及北海的船舶要惡劣，針對使用環(huán)境因素，分解了腐蝕較為嚴(yán)重的鎳銅管，勘察其內(nèi)部腐蝕情況，如圖5所示，圖5（a）中管路內(nèi)部表面布滿銅綠色銹，除銹后發(fā)現(xiàn)為管路試樣為均勻腐蝕，如5（b）所示。陽極在腐蝕消耗過程中，腐蝕均勻，銹層容易脫落。由此可得在泥沙沖刷下加劇陽極腐蝕速度。

圖5 管路內(nèi)部腐蝕形貌

經(jīng)實(shí)船勘驗(yàn)，拆除下來的管子彎管內(nèi)部可明顯觀察到彎頭內(nèi)側(cè)內(nèi)壁布滿由泥沙沖刷形成的凹坑非常明顯，且凹坑內(nèi)腐蝕產(chǎn)物為黑色。

2.5 改進(jìn)措施

上述分析結(jié)果表明，船舶系統(tǒng)管路發(fā)生腐蝕的主要原因是在管子彎頭處焊接時(shí)熱輸入較大，熱影響區(qū)晶粒粗大惡化，以及管路過渡設(shè)計(jì)不當(dāng)而造成流速突變。因此彎頭位置焊接時(shí)將采用自動(dòng)TIG替代原來的手工TIG焊接，嚴(yán)格控制焊接熱輸入。在管路設(shè)計(jì)時(shí)禁止直接開支管，添加特定的定型變徑接頭過渡，并進(jìn)行流速限定。為防止海水泥沙沖刷加劇管路系統(tǒng)的腐蝕速度，可采取超音速火焰噴涂鐵基非晶合金的形式進(jìn)行管內(nèi)防腐。

3 結(jié)論

通過對材質(zhì)的化驗(yàn)分析、施工工藝及施工過程排查、設(shè)計(jì)分析、使用環(huán)境分析及金相顯微分析等方法，得出該船鎳銅合金管彎頭腐蝕的主要原因與改進(jìn)措施有：

（1）鎳銅合金管管路設(shè)計(jì)過程中采用了直接開支管及未使用定型變徑接頭過渡的方式，導(dǎo)致海水流向突變，加之部分管路系統(tǒng)內(nèi)海水流速較大，彎頭部位受海水泥沙沖刷較大，導(dǎo)致鎳銅彎頭部位腐蝕嚴(yán)重，較其他部位更快穿透泄漏;

（2）在鎳銅管制作過程中不可避免采取了焊接的方式，在焊接過后焊縫附件會(huì)產(chǎn)生熱影響區(qū)，熱影響區(qū)域組織結(jié)構(gòu)相對較為薄弱，在彎頭位置管路內(nèi)海水流向改變產(chǎn)生紊流加劇了對彎頭熱影響區(qū)的沖刷，導(dǎo)致鎳銅彎頭腐蝕嚴(yán)重;

（3）該船航行區(qū)域主要為東海海域，其海水懸浮泥沙含量較高，海水中含有的較多泥沙沖刷導(dǎo)致鎳銅合金管腐蝕加快;

（4）改進(jìn)措施主要有在焊接過程中嚴(yán)格控制熱輸入防止熱影響區(qū)晶粒惡化，管路設(shè)計(jì)時(shí)采用定型變徑接頭過渡并進(jìn)行流速限制，利用超音速火焰噴涂鐵基非晶合金進(jìn)行管內(nèi)噴涂防腐。