艦船海水管路體系典型材料的性能

王廣夫,賈智棋,董彩常,亓云飛

(1. 海軍駐大連地區(qū)第一軍事代表室，大連 116300； 2. 青島鋼研納克檢測防護技術有限公司，青島 266071)

海水管路系統(tǒng)遍布艦船各個角落，承擔著主/輔機和其他動力機電、武備、空調(diào)系統(tǒng)的冷卻以及艦船的消防任務。管路系統(tǒng)是維持艦船正常運行的重要組成部分，其相關的腐蝕研究也是艦船工業(yè)關注的重點。艦船管路系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了三代。第一代為紫銅管路，第二代是以銅鎳合金為主干材料的海水管路系統(tǒng)，自20世紀90年代以來，隨著鎳基合金和鈦合金價格的降低以及管路加工、焊接技術水平的提升，具有良好耐蝕性、耐沖刷性的鎳基合金和鈦合金作為第三代海水管路系統(tǒng)材料逐步在艦船工業(yè)上獲得大量應用。

本工作選取第一代管路材料TUP紫銅，第二代管路材料B10銅鎳合金及第三代管路材料TA2鈦合金作為三代管路材料的代表性的材料，對其性能進行全面對比研究，重點對管路材料的海水腐蝕行為進行研究，以期為艦船海水管路腐蝕規(guī)律的研究及應用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗材料為TUP紫銅、B10銅鎳合金、TA2鈦合金，化學成分見表1。

1.2 試驗方法

1.2.1 力學性能測試

拉伸試驗參照標準GB/T 228-2010進行，將TUP紫銅、B10銅鎳合金、TA2鈦合金材料制成如圖1所示的啞鈴狀試樣。拉伸試驗在WDW3200萬能電子試驗機上進行，拉伸速率為1.0 mm/min，記錄抗拉強度及斷后伸長率。

表1 試驗材料的化學成分Tab. 1 Chemical composition of test materials %

圖1 拉伸試樣的尺寸Fig. 1 Size of tensile specimen

1.2.2 海水長期暴露試驗

海水長期暴露試驗用試樣尺寸為200 mm×100 mm×5 mm，表面為原始狀態(tài)。將試樣固定在試樣框架上，投放在青島海水試驗站中。青島海水環(huán)境因素見表2。暴露時間為1,2,4,8,16 a，暴露方法及試樣處理過程參照國標GB/T 5776-2005《金屬和合金的腐蝕 金屬和合金 在表層海水中暴露和評定的導則》。計算試樣的腐蝕速率和平均點蝕深度。

表2 海水環(huán)境因素Tab. 2 Seawater environmental factors

1.2.3 海水沖刷試驗

將TUP紫銅、B10銅鎳合金、TA2鈦合金三種材料加工成圖2所示試片。每種材料取兩個平行樣，試片表面磨光，試驗前丙酮除油，稱量待用。

圖2 沖刷試片尺寸Fig. 2 Scour coupon size

通過特制卡具將沖刷試片安裝到管路中，試驗介質(zhì)為青島小麥島海水，流速為1，3，5 m/s，試驗周期10 d。試驗結束后，參照GB/T 16545-1996《金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除》清除腐蝕產(chǎn)物并稱量，計算腐蝕速率。在沖刷過程中，最后7 d，同步進行電位測試，用UT56型萬用表測量沖刷電位，以飽和甘汞電極(SCE)作參比電極，沖刷試片為工作電極，管道外壁為輔助電極。

2 結果與討論

2.1 力學性能

由圖3可見:該批TUP紫銅試樣的抗拉強度僅為187 MPa，TA2鈦合金的抗拉強度最高，達506 MPa。 TUP紫銅、B10銅鎳合金、TA2鈦合金三種材料的抗拉強度依次增大。但這三種材料的斷后伸長率相差不大。

TUP紫銅因成分單一，結構簡單，強度、硬度等力學性能較差[1]。B10銅鎳合金中的銅與鎳兩種元素無限固溶形成α單相合金，且添加的Fe可借助亞穩(wěn)分解來改善其性能，有效細化B10銅鎳合金晶粒，從而提高強度，故B10銅鎳合金的力學性能比TUP紫銅顯著增強[2-3]。TA2鈦合金是一種常用的工業(yè)純鈦，含有較多的氧、氮、碳及其他雜質(zhì)元素，這些元素使其強度大大提高[4]，所以TA2鈦合金的抗拉強度遠高于TUP紫銅和B10銅鎳合金。

圖3 三種試樣的拉伸試驗結果Fig. 3 Tensile test results of three specimens

2.2 海水長期暴露試驗

16 a腐蝕試驗由國家海水腐蝕網(wǎng)站統(tǒng)一組織，以獲得各種材料在我國各海域的實海腐蝕數(shù)據(jù)，本工作中篩選青島海水試驗站全浸區(qū)的銅合金及鈦合金的腐蝕數(shù)據(jù)作為研究數(shù)據(jù)。

由圖4可見：TA2鈦合金經(jīng)2，4，8，16 a試驗后并無腐蝕失重，即其在海水中是完全耐蝕的；TUP紫銅的腐蝕速率比B10銅鎳合金大，這兩種銅合金的腐蝕速率在試驗前期(前2 a)的都下降很快，試驗后期下降速度變緩，且B10銅鎳合金的腐蝕速率在腐蝕16 a時出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)。TUP紫銅在試驗期間的平均點蝕深度大于B10銅鎳合金，前兩年較平穩(wěn)，第4年急增后又下降，B10銅鎳合金的平均點蝕深度增長較平緩；在試驗前期,這兩種合金的最大點蝕深度與平均點蝕深度的變化規(guī)律相似，在第4年，TUP紫銅出現(xiàn)峰值，之后急降。而B10銅鎳合金在后期緩慢增加，相對穩(wěn)定。總體呈現(xiàn)的結果是B10銅鎳合金的耐蝕性較TUP紫銅好。

(a) 腐蝕速率 (b) 平均點蝕深度 (c) 最大點蝕深度圖4 三種材料在青島海域全浸區(qū)的16 a腐蝕數(shù)據(jù)Fig. 4 16-year corrosion data of three materials in Qingdao sea area full immersion area: (a) corrosion rate; (b) average pitting depth; (c) maximum pitting depth

鈦的化學活性很高，暴露于任何含氧介質(zhì)中，都會立即形成一層致密、附著力強、情性大的氧化膜[4-5]，這種表面氧化膜的存在可以很好地解釋TA2鈦合金為什么在海水中完全耐蝕。B10銅鎳合金的耐蝕性能較TUP紫銅要好，且點蝕深度優(yōu)勢尤為明顯。林樂耘等[6]的研究表明，B10銅鎳合金在海水中會形成富鎳富鐵的氧化膜，該氧化膜阻礙了氧向表面的擴散，提供了強有力的保護作用，從而大大降低腐蝕速率。另外TUP紫銅和B10銅鎳合金隨腐蝕時間延長，平均腐蝕速率總體呈降低趨勢，這是由于隨著試驗時間的延長，銅及銅合金表面形成的腐蝕產(chǎn)物膜不斷增厚，膜的保護作用逐漸增強。而B10銅鎳合金在試驗第16年出現(xiàn)腐蝕速率增大現(xiàn)象，這可能是由于腐蝕產(chǎn)物膜脫落，保護作用減弱[7-8]。

2.3 海水沖刷試驗

由圖5可見：在短期沖刷試驗中，隨流速增加，TUP紫銅與B10銅鎳合金的腐蝕失重增大，總體上B10銅鎳合金的腐蝕速率稍小于TUP紫銅； TA2鈦合金幾乎沒有腐蝕失重。

TA2鈦合金的耐沖刷性能較好，試驗前后鈦合金表面狀態(tài)沒有發(fā)生明顯變化，沒有明顯的腐蝕產(chǎn)物附著。TUP紫銅與B10銅鎳合金的腐蝕失重隨流速增加而增大，這是因為隨著流速增加，材料表面腐蝕反應生成的氧化膜層受流動海水剪切力作用而遭受一定程度破壞，腐蝕產(chǎn)物外層膜被沖刷，內(nèi)層氧化膜層隨著流速增加也逐漸減薄，保護作用減弱使腐蝕速率增加[9]。因沖刷腐蝕試驗時間較短，所以B10銅鎳合金與TUP紫銅的腐蝕速率差別不大，若要使這兩者的腐蝕速率產(chǎn)生明顯差距，后續(xù)可進行長期沖刷腐蝕試驗。

由圖6可見：TUP紫銅與B10銅鎳合金的電位隨試驗時間的延長均呈現(xiàn)波動現(xiàn)象；TUP紫銅的電位波動范圍較大，B10銅鎳合金較小。隨著海水流速的增加，TUP紫銅與B10銅鎳合金的電位呈現(xiàn)不規(guī)律的變化，而TA2鈦合金的電位隨海水流速增大呈現(xiàn)增加趨勢。

(a) TUP (b) B10 (c) TA2圖6 不同流速條件下，三種材料的電位-時間變化曲線Fig. 6 Potential-time curves of the three materials under different flow rate conditions

TUP紫銅與B10銅鎳合金出現(xiàn)電位波動可能與表面形成復雜的氧化物有關。這兩種材料表面都會形成內(nèi)、外雙層腐蝕產(chǎn)物膜，外層產(chǎn)物膜多是銅的二價腐蝕產(chǎn)物，較為疏松且與基體的結合力不強，內(nèi)層主要是CuO產(chǎn)物膜，對基體有保護作用。沖刷過程中，外層氧化物被沖落，內(nèi)層膜受到?jīng)_刷作用而減薄、破裂，基體裸露，這有利于生成新的產(chǎn)物膜，如此反復，造成電位波動[10]。TA2鈦合金在高流速海水中，攜帶了更充足的氧，形成了致密氧化膜，表面更加穩(wěn)定，故其電位隨流速增大而正移。

3 結論

(1) TUP紫銅成分較單一，強度較低；B10銅鎳合金因合金元素的添加，強度增加，且塑性未見明顯降低；TA2鈦合金強度較高，但合金元素過多也降低了其塑性。

(2) 青島海域全浸區(qū)為期16 a的實海浸泡試驗結果表明， TUP紫銅有較高的腐蝕速率，且在浸泡后期點蝕深度有明顯增加，而B10銅鎳合金表現(xiàn)出優(yōu)異的耐蝕性且點蝕深度增長平穩(wěn)；TA2鈦合金因表面形成了惰性表面膜，在海水環(huán)境中完全耐蝕。

(3) 海水沖刷試驗中，銅合金的腐蝕速率隨流速增加而增大，但電位隨流速增加的變化規(guī)律不明顯。其中TUP紫銅的沖刷電位波動范圍較大，B10銅鎳合金波動較小，這可能與其生成的復雜氧化膜有關；TA2鈦合金在沖刷試驗中未見明顯腐蝕，電位隨沖刷速度增加而正移。