海水消防系統腐蝕問題的研究

史天華

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

1 引言

大型國際化港口通常采用獨立的消防系統，考慮經濟及后續保養問題，一般采用臨近的海水作為消防用水，因此，港口消防系統設計采用海水取水泵系統。海水是一種高強的腐蝕性介質，對整體消防系統的耐腐蝕性具有很大的影響。如何提升消防系統的耐腐蝕性能，對海水消防系統的選擇至關重要。本文依托厄瓜多爾波索爾哈多用途碼頭項目海水消防系統銹蝕的案例，分析其銹蝕原因，對照相關原因提出對應措施，為同類海水消防系統的選擇及施工提供借鑒。

2 項目概況

2.1 消防系統概況

厄瓜多爾波索爾哈多用途碼頭項目消防系統設計為海水消防，消防系統總長4612 m，其中，地下消防采用高密度聚乙烯（HDPE）管道，總長4552 m。地下消防至消防泵采用316LSS不銹鋼管，管道總長60 m。共有消防海水泵站1座，穩壓泵1個，消火栓55處（地下）+1處（地上）及消防閥門21個，設計工作壓力0.7～1 MPa。工作原理：工作時消防海水泵將海水加壓輸送至項目現場各個消火栓，而非工作時間段由穩壓泵根據壓力設置值保持消防管道內的壓力，即穩壓泵保壓，消防泵工作，消防泵站如圖1所示。

圖1 消防泵站

2.2 消防系統銹蝕情況

項目消防系統完工3個月后，消防系統逐漸出現了較大的腐蝕問題，主要出現了以下3種銹蝕問題：（1）消防閥門銹蝕（見圖2）；（2）消防316LSS不銹鋼管銹蝕（見圖3）；（3）消防泵管銹蝕（見圖4）。

圖2 消防閥門銹蝕

圖3 消防316LSS不銹鋼管銹蝕

圖4 消防泵管銹蝕

3 銹蝕問題及其影響

根據銹蝕狀況可以看出，現場銹蝕問題主要為兩種，即鐵件的面銹蝕和不銹鋼的點銹蝕。由于存在銹蝕問題，導致整個消防泵不間斷地漏水泄壓，引起整體消防泵系統的穩壓泵頻繁啟動，嚴重影響消防系統的整體運營及后期使用[1]。

4 原因分析

4.1 鐵件在海水中的析氫與吸氧腐蝕

此類腐蝕在鐵質構件中是比較常見的電化學腐蝕，本項目的消防井內主要先產生吸氧腐蝕，進而產生析氫腐蝕。消防井施工完成后，由于與大氣相連通，井內含有的腐蝕性氣體為氧氣（O2）與二氧化碳（CO2），消防井內腐蝕氣體分布如圖5所示。

圖5 消防井內始腐蝕性氣體分布

井在具備氧氣的情況下，消防鐵質閥門首先進行吸氧腐蝕，鐵在海水介質中失去電子形成亞鐵離子（Fe2+），而氧氣與水（H2O）得到電子形成氫氧根離子（OH-），二者相互結合形成氫氧化亞鐵[Fe（OH）2]，而氫氧化亞鐵中亞鐵離子（Fe2+）極易被二次氧化為鐵離子（Fe3+），從而最終形成三氧化二鐵（Fe2O3），即鐵銹，腐蝕過程總反應式如下：

總反應：

當井內的氧氣不斷地與消防鐵質閥門發生銹蝕反應而不斷被消耗，導致井內的腐蝕性變為惰性氣體二氧化碳（CO2），而惰性氣體二氧化碳（CO2）溶于海水形成碳酸（H2CO3），但碳酸（H2CO3)在水中以氫離子（H+）與碳酸氫根離子（HCO3-）的形式存在。當鐵在海水介質中失去電子形成亞鐵離子（Fe2+），而氫離子（H+）得到電子形成氫氣（H2），亞鐵離子（Fe2+）極易被二次氧化為鐵離子（Fe3+），從而最終形成三氧化二鐵（Fe2O3），即鐵銹，反應式如下：

總反應：

根據上述分析，消防鐵質閥門的銹蝕主要位于漏水與外界空氣接觸區域，此區域由于在海水介質的作用下，鐵質構件發生了析氫腐蝕及吸氧腐蝕的電化學反應，從而導致整個閥門銹蝕漏水。

4.2 消防泵316LSS不銹鋼管的點蝕

此類腐蝕是比較罕見的一類腐蝕，是不銹鋼在含有活性氯離子（Cl-）的介質中，其表面的鈍化膜遭到破壞，從而形成表面的腐蝕坑，逐漸發展后形成點腐蝕。隨著點腐蝕面積的擴大，逐漸形成了面腐蝕。根據項目的腐蝕位置，此類腐蝕主要是由于消防泵在工作時，其通電作用下整個連接泵體的不銹鋼管處于一種低電壓的帶電狀態，從而發生了電化學腐蝕。

根據不銹鋼耐點蝕特性，一般用耐點蝕當量（PREN）來評定與標示不銹鋼在氯化物環境中抵抗點蝕的能力。通常認為，當PREN超過32時，可耐海水腐蝕。耐點蝕當量（PREN）的詳細計算如下：

當金屬材料為不銹鋼材料時：

當金屬材料為雙相不銹鋼材料：

式中，Cr%為鉻元素的質量分數；Mo%為鉬元素的質量分數；N%為氮元素的質量分數。

項目現場所采用的316LSS不銹鋼管的材料，其化學成分質量分數見表1。根據表1計算可得，316LSS不銹鋼的耐點蝕當量值PRENmax=30.9＜32。因此，項目采用的316LSS不銹鋼材料最大的耐點蝕當量值PRENmax＜32，不能滿足海水環境下的抗點蝕要求。因此，在海水高壓及水流作用下，導致不銹鋼管出現點蝕，造成316LSS不銹鋼管的銹蝕漏水[2]。

表1 316LSS不銹鋼材料主要化學元素質量分數%

5 措施方案

1）海水消防閥門要進行嚴格的防腐處理，避免任何部位外部漏水，降低與空氣接觸概率，從而減少產生化學腐蝕的機會。同時，要將閥門與大地相連接，避免閥門攜帶低壓電，減少對鐵件產生電化學腐蝕的催化作用。建議在相同條件下，盡可能采用橡膠或高密度聚乙烯制品。

2）海水消防系統，建議采用不腐材料或者耐點蝕當量值＞32的金屬材料，避免采用傳統不銹鋼（317LSS及以下的不銹鋼），建議采用S32750系列雙相不銹鋼，S32750雙相不銹鋼化學元素質量分數見表2。

根據表2計算可得，S32750雙相不銹鋼的耐點蝕當量值為37.74＞32。因此，S32750雙相不銹鋼材料最小的耐點蝕當量值PRENmin＞32，滿足海水耐點蝕當量值。

表2 S32750雙相鋼化學元素質量分數 %

3）海水消防系統所有金屬管路做好接地，避免管道攜帶電壓，減少管件電化學腐蝕的催化作用。

4）根據海水消防的特性及消防原理，建議按照常規設計一套淡水穩壓泵清洗系統，即穩壓泵及清洗系統全部采用淡水，在消防系統穩壓狀態下內部為淡水，僅在發生火災時，由主泵吸取海水工作，待主泵工作完成后由穩壓泵吸取淡水清洗整體消防系統內的海水并穩定壓力，降低海水與消防系統長時間的接觸而造成的腐蝕。

6 結論

結合項目實際情況對消防系統產生的腐蝕問題進行分析，發現項目消防系統設備材料設計及選取方面的不足，糾正傳統意義上不銹鋼材料就不腐的錯誤觀念。建議選擇海水消防系統時，設置穩壓淡水清洗系統，降低海水消防系統非工作時的海水接觸腐蝕。本文分析有助于在后續類似的海水消防系統設計中，確定合適的材料及選擇正確的設計方案。