基于故障樹理論的艦船海水管系腐蝕失效原因分析及應用

姚磊，唐小東，付云鵬，王賀遠，武玉增

（中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

海水管系在現代艦船推進裝置冷卻、消防損管安全等方面有著廣泛而重要的應用[1]。由于海水是一種天然腐蝕劑，而海水管系在艦船上所處環(huán)境通常又較為惡劣，國內外艦船海水管系腐蝕故障頻發(fā)[2]，其原因分析與治理防護一直是困擾艦船工程設計人員的一大難題。長期以來，艦船防腐蝕行業(yè)陸續(xù)產生了一些針對性的理論方法和工程手段，但部分方法受限于專業(yè)性較強，或者對分析、測試要求較高，始終未能在工程中得到大規(guī)模推廣應用。不少工程實踐中甚至仍然在采用“試錯法”來分析、解決海水管路腐蝕問題，不僅偶然性強、治理成本高、效率低下，嚴重的還會影響艦船在航率和使命任務執(zhí)行[3]。

故障樹分析（Fault Tree Analysis，FTA）是一種用于幫助判斷故障事件發(fā)生的原因、模式以及概率的方法，近年來大量應用于機械、電力、石油、化工等行業(yè)的安全性設計、風險識別、事故調查等環(huán)節(jié)[4]，被廣泛證明是一種有效的分析手段。故障樹本質上是一種事物間的邏輯因果關系圖，其基本構圖元素是事件和邏輯門，邏輯門將各類事件聯系起來，通過圖形化演繹來反映故障發(fā)生的可能原因或其組合[5]。以下通過某型船海水管系穿孔失效故障解決實例，介紹故障樹分析法在艦船海水管系腐蝕治理方面的具體應用。

1 基本情況

1.1 故障概況

某型船陸續(xù)建造3 艘，從2018 年1 月至2021 年6 月，3 艘船累計發(fā)生20 次輔機艙板式冷卻器海水進出口管路穿孔漏水故障。其中，1#船發(fā)生10 次，2#船發(fā)生8 次，3#船發(fā)生2 次。各船穿孔漏水情況統計如圖1 所示（注：2#船在2019—2020 年處于在廠等級修理階段，期間板式冷卻器未使用）。

圖1 某型船輔機艙板冷海水管穿孔漏水故障統計Fig.1 Leakage fault statistics of seawater pipes of the plate cooler for a ship

1.2 故障管段形貌

根據現場勘驗情況，該型船板冷海水進出口故障管段狀態(tài)主要表現為B10 直管與翻邊短管焊縫附近發(fā)生穿孔、沙眼、銹穿，最大穿孔尺寸約 30 mm×10 mm。穿孔大致沿管路焊縫周向分布，其附近管路的管壁呈紙樣狀減薄。管路內部及翻邊短管端面可見銅綠物質，管路其他部位狀態(tài)基本良好，閥門、附件等未見異常。整體來看，故障管段穿孔部位呈現比較明顯的局部腐蝕特征?，F場勘驗主要情況如圖2 和圖3 所示。

圖2 穿孔管段內部形貌Fig.2 Internal morphology of the perforated pipe section

圖3 穿孔管段外部形貌Fig.3 External morphology of the perforated pipe section

1.3 中央冷卻水系統設計概況

該型船輔機中央冷卻系統由開式海水系統（管路為B10）和閉式低溫淡水系統（管路為無縫鋼管）組成，系統原理與常規(guī)中冷系統基本一致，如圖4 所示。中央冷卻海水泵抽吸輔機艙海水總管內的海水，海水在集中板式冷卻器中與淡水進行熱交換，對淡水進行冷卻后，直接排出舷外。經板式冷卻器冷卻后的低溫淡水對輔機艙柴油發(fā)電機組等用戶進行冷卻，然后回到板式冷卻器的進口總管上[6]。

圖4 輔機中冷系統原理Fig.4 Schematic diagram of central-cooling system for auxiliary engine

1.4 板式冷卻器工作原理

該型船板式冷卻器是由許多沖壓帶波紋槽的鈦合金換熱板片按一定間隔排布，并用夾緊螺柱壓緊而成的熱交換設備。冷卻器板片角上的孔構成了連續(xù)的通道，介質從入口進入通道，并被分配到換熱板片之間的流道內。板片四周通過密封墊片密封，每張板片都有密封墊片，板片與板片之間的位置是交替放置。2 種介質分別進入各自通道，由板片隔開，2 種介質在通道內逆流流動，熱介質將熱能傳遞給板片，板片又將熱能傳遞給另一側的冷介質，從而達到熱介質被冷卻、溫度降低，而冷介質被加熱、溫度升高的目的[7]。該船輔機板式冷卻器工作原理如圖5 所示，其中介質1為低溫淡水，介質2 為海水，兩者通過板片發(fā)生熱交換。

圖5 板式冷卻器工作原理Fig.5 Working schematic diagram of plate cooler

2 故障原因定位

2.1 故障樹分析

參考故障樹基本理論，對該型船輔機板冷海水進出口管路穿孔進行故障樹分析，共計4 個層次11 個底事件，如圖6 所示。

圖6 輔機板冷海水進出口管路穿孔失效故障樹Fig.6 Fault tree model for perforation failure of pipeline at seawater inlet and outlet of plate cooler

針對故障樹各類底事件，具體分析如下：

1）對于底事件X1 物理外力作用，故障管路狀態(tài)與敲擊、撞擊類外力作用不符，底事件X1 可排除。

2）對于底事件X2 腐蝕性液體滴漏，經實船現場勘驗并無相關情況，底事件X2 可排除。

3）對于底事件X3 大氣腐蝕作用，通常是指金屬材料在大氣環(huán)境下，處于干濕交替過程中發(fā)生的腐蝕現象[8]。由于在管路外表面形成了微小的電解液膜，因此腐蝕會由外向內發(fā)生，而實船故障管路穿孔是由內向外發(fā)生，故底事件X3 可排除。

4）對于底事件X4 海生物腐蝕作用，由于輔機艙海底門均設置有防污措施[9]，且故障管路拆解后也未明顯發(fā)現宏觀生物（如藤壺、牡蠣等）附著情況，故可排除；微觀生物（如細菌、真菌等）覆蓋于金屬表面形成局部生物膜后，膜下環(huán)境與金屬本體環(huán)境差異較大，可能造成金屬孔蝕、縫隙腐蝕等各種腐蝕現象[10]，但微生物附著生長有一定的環(huán)境需求，在流動和潔凈海水管路中相對缺少成長所需淤泥環(huán)境[11]，沉積附著可能性較小?？紤]到該型船長期在海水較為清潔的海域執(zhí)行任務，且用裝強度大，因此判斷微生物腐蝕亦不是故障主因。綜合上述分析，底事件X4 可排除。

5）對于底事件X5 化學腐蝕作用，通常是指金屬表面與介質直接發(fā)生純粹的化學反應而引起的破壞，如金屬的高溫氧化等[12]。海水一般呈弱堿性，其對于B10 材質腐蝕性是沖刷腐蝕、電偶腐蝕等多種作用的耦合[13]，而非直接化學反應，故底事件X5可排除。

6）對于底事件X6 應力腐蝕作用，主要是金屬在初期局部保護膜被破壞或塑變產生電偶腐蝕后，在應力作用下，腐蝕處形成裂紋，并逐漸擴展直至被破壞金屬徹底斷裂。應力腐蝕通常發(fā)生于特定金屬與特定輸送介質的組合，如鍋爐鋼的堿脆、黃銅的氨脆等[14]。B10 管路輸送海水的可靠性早已經多年實船驗證，且本船故障管路形貌特征與裂紋狀破壞特征不符，故底事件X6 可排除。

7）對于底事件X7 沖刷腐蝕作用，當海水流速超過某種材料允許的臨界流速時，高流速海水會導致金屬材料表面的保護膜沖刷脫落。此外，高速海水沖刷還可能在管路部分區(qū)域產生空泡、紊流等，同時大量供氧也使得氧的去極化作用明顯，加劇電化學腐蝕[15]。該型船故障管路采用BFe10-1-1 銅鎳合金（又稱鐵白銅，簡稱B10，常見化學成分見表1），其對管徑超過88.9 mm 的 B10 管路建議海水流速一般不大于3.6 m/s[16]，而本船中冷海水泵設計流量160 m3/h，管徑為φ159 mm×3 mm，管內海水流速約2.4 m/s，遠低于B10 管的允許流速，因此可判斷底事件X6 不是本船輔機板冷海水進出口頻繁腐蝕的主要原因。

表1 B10 合金化學成分Tab.1 Chemical composition of B10 alloy%

8）對于底事件X8 空泡腐蝕作用，當流體與管路金屬構件作高速相對運動時，在管路內表面局部區(qū)域產生負壓，并伴隨有氣泡生成。當氣泡在高壓區(qū)破滅時，可能對管路內壁產生沖擊作用[17]。其腐蝕主要特征是在管路內壁產生大量蜂窩狀麻孔[18]，該型船管路腐蝕形貌與此特征不符。再考慮到故障管路海水流速尚在設計范圍內，可判斷空泡腐蝕不是本船輔機板冷海水進出口頻繁腐蝕的主要原因，底事件X8 可排除。

9）對于底事件X9 腐蝕疲勞作用，一般是金屬在承受外部交變應力與內部介質腐蝕共同作用下的破壞，其破壞處通常以龜裂紋的形態(tài)發(fā)展[19]。本船故障管路使用環(huán)境并無明顯交變應力作用，且故障形態(tài)與龜裂紋不符，故底事件X9 可排除。

10）對于底事件X10 宏電池腐蝕作用，當幾種不同的金屬材料位于電解質溶液中時，會有電流從電位較低的金屬流向溶液，再經過溶液流向電位較高的金屬。在這種電極反應過程中，陽極材料從固體的金屬狀態(tài)將變成溶液中帶正電荷的離子狀態(tài)而造成腐蝕[20]。本船故障管路環(huán)境中海水過流部件包括B10管、涂塑鋼管、鈦合金板片等不同材質金屬，如果電絕緣措施不到位，則電介質、電位差、電連接三要素完備，極有可能發(fā)生宏電池腐蝕，因此底事件X10是本船輔機板冷海水進出口頻繁腐蝕的可能原因。

11）對于底事件X11 微電池腐蝕作用，B10 管由于內表面保護膜狀況不一、元素差異等有可能產生上述微電池腐蝕，但橫向比較同系統其他B10 管路部位，狀況基本良好，而故障管路腐蝕情況嚴重且頻繁，明顯具有獨特性，因此判斷微電池腐蝕不是所述故障的主要原因，底事件X11 可排除。

2.2 問題定位

海水管路腐蝕問題多種多樣，腐蝕原因也各不相同，有時在腐蝕過程中某項因素單獨發(fā)揮作用，但大部分情況下腐蝕是由多種因素聯合作用的結果，其中某1 項或多項因素為主因，其余因素為輔因。根據上文故障樹解剖分析，對引起該事件的全部底事件逐一進行排查，該型船輔機板冷海水進出口管路銹穿故障問題定位為：B10 管路與系統中異種金屬連接后發(fā)生宏電池腐蝕，且B10 作為電池中的陽極被腐蝕直至銹穿，管路漏水。其他如焊縫附近紊流、管路海水沉積、管路對中不到位等也可能一定程度造成輔機板冷海水進出口管路腐蝕，但結合本船同環(huán)境、同材質的其他管路部位腐蝕情況分析，上述原因不是該型船故障的主要原因。

3 故障機理分析

根據實船勘驗情況，故障管路B10 短管翻邊與鋼質松套法蘭直接接觸，未按設計要求做任何電絕緣隔離措施，鋼質松套法蘭與冷卻器法蘭亦經螺釘直接連接，未做電絕緣隔離，如圖7 和圖8 所示。對于板式冷卻器來說，其固定壓緊板與上下導桿直接固定，鈦合金板片也通過卡口與上、下導桿直接相連，即板式冷卻器的碳鋼固定壓緊板、上下導桿以及鈦合金換熱板均是偶接的，如圖9 所示。

圖7 海水進口處連接情況Fig.7 Connection of seawater inlet

圖8 海水出口處連接情況Fig.8 Connection of seawater outlet

圖9 板式冷卻器結構Fig.9 Structure of plate cooler

綜合上述分析可知，B10 管通過松套法蘭–鋼質螺釘–板冷碳鋼固定壓緊板（海水過流部位涂塑）–板冷上下導桿這一電通路與冷卻器鈦板發(fā)生偶接，在海水環(huán)境下將發(fā)生異種金屬宏電池腐蝕。在這一過程中，電位較負的B10 管失去電子，發(fā)生氧化反應，成為反應陽極，將由固體的金屬狀態(tài)轉變?yōu)楹Ｋ芤褐械碾x子狀態(tài)，并不斷地遭受腐蝕破壞。電位較正的鈦合金板片則發(fā)生還原反應，成為反應陰極，其腐蝕速度得到減緩[21]。此外，相對于鈦板這個大陰極（長約1 900 mm，寬約650 mm，83 片）來說，B10 管是小陽極（DN150，長度約200 mm），陰陽極面積比大，電流在陽極上較為集中，同時陰極極化效應不明顯，導致宏電池腐蝕速率較高[22]。這是輔機板冷海水進出口管路銹穿故障問題的主要原因。

對于B10 翻邊與短管焊接處這個小環(huán)境來說，由于焊接工藝不規(guī)范、未合理選擇焊條等可能原因，這個小環(huán)境中也會存在著相對陰陽極。鈍化膜相對完好、Ni 元素較為豐富部位是小環(huán)境中的相對陰極，鈍化膜被破壞或Ni 元素含量較低部位是小環(huán)境中的相對陽極。具體來說，焊縫本身由于焊條富鎳成為陰極，附近熱影響區(qū)由于高溫氧化（尤其在無氬氣保護的情況下）貧鎳或保護膜受到破壞成為陽極。在上文所述的宏電池中，B10 管翻邊焊縫、儀表管開口焊縫附近的陽極區(qū)是最薄弱部位，優(yōu)先失去電子被腐蝕，這是銹穿部位頻發(fā)于焊縫附近的具體原因。

4 故障原理復現

考慮到進行所述腐蝕故障實際復現的時間成本和可操作性問題，采用原理復現的方式，即通過實測輔機板冷海水進出口B10 管路與鈦板的絕緣情況，檢測2 種材質是否發(fā)生了偶接。如證實B10 與鈦合金發(fā)生了偶接，則基于艦船海水管路防腐蝕研究領域已有的各項電偶腐蝕基礎理論和試驗數據等，可認為異種金屬宏電池腐蝕必然發(fā)生。

具體委托該型船輪機部門任選一臺輔機板冷海水進口管路區(qū)域進行絕緣電阻測量，測試所用儀器為UNI-T UT501A 絕緣電阻測試儀（量程為0.00～99.9 MΩ 檔，精度為3%+5）。測量時，選取測點均為海水過流部件，包括B10 短管（A）、冷卻器固定壓緊板（B）、鈦板（C），如圖10 所示。接線前，將金屬材料局部底漆、面漆刮除。實測結果顯示，被測區(qū)域B10 管–壓緊板、壓緊板–鈦板以及B10 管–鈦板之間的絕緣電阻均為0.00 MΩ。

圖10 絕緣電阻及電壓降測點分布Fig.10 Insulation resistance and voltage drop measuring points distribution

根據船東海水管系電絕緣相關技術要求，干燥管系電絕緣狀態(tài)測量宜采用電阻法，充滿海水或有海水殘留的管系電絕緣狀態(tài)測量應采用電壓法或電流法[23]。考慮到被測管段內可能有殘水未放干，為確保測試結果準確、可靠，采用電壓法對被測海水管段絕緣情況進行了再次測量。測試所用儀器為FLUKE F18B+數字萬用表（量程為0～4.000 V 檔，精度為0.5%+3），測點分布與圖10 相同。實測結果（見表2）顯示，被測區(qū)域B10 管–壓緊板的壓降為0.000 V，壓緊板–鈦板以及B10 管–鈦板之間的壓降均為0.001 V。

表2 各點間絕緣電阻及電壓降實測值Tab.2 Measured insulation resistance and voltage drop

根據船東海水管系電絕緣相關技術要求的規(guī)定，干燥海水管路絕緣電阻小于1 000 Ω、潮濕海水管路電壓降小于5 mV，則認為電絕緣失效。上述測試結果表明，該型船輔機艙集中板式冷卻器進出口B10管與鈦板電絕緣失效，并發(fā)生了偶接。基于艦船海水管路防腐蝕研究領域已有的各項電偶腐蝕基礎理論和試驗數據等，可推斷B10 管路與鈦板在海水中將發(fā)生宏電池腐蝕，且B10 管作為宏電池中的陽極被腐蝕。

5 治理改進

根據上述故障原因分析定位以及故障原理復現情況，結合行業(yè)內相關單位和工程技術人員多年來對艦船海水管路腐蝕治理的工作成果和經驗，對該型船輔機艙集中板式冷卻器海水進出口管路提出了以下整改措施：

1）一般性措施。B10 翻邊管嚴格采用與管路材質同廠家、同材質的合格產品。焊接遵守B10 管路焊接工藝，包括采用專用焊條、99.9%氬氣保護、多道焊工藝等，焊后對管內焊渣等突出物進行打磨處理[24]。此外，在冷卻器進出口管附近設置顯著標牌，提醒船東使用前先對管路放氣，長時間不用時將管路殘水放干。

2）針對性措施。在松套法蘭與B10 翻邊之間，以及松套法蘭螺孔與螺釘之間加裝非金屬絕緣套筒[25]，將B10 管與松套法蘭、板式冷卻器進行電絕緣，其典型示意如圖11 所示。

圖11 電絕緣措施Fig.11 Schematic diagram of electrical insulation measures

截至2022 年7 月，上述整改措施實施完畢已超過10 個月，期間該型船反饋輔機中冷器使用正常，海水進出口管路未再發(fā)生此前腐蝕、穿孔、漏水現象。

6 結論

本文通過某型船輔機板冷進出口海水管穿孔漏水問題的分析處理，得到如下主要結論。

1）故障樹分析法可在海水管路腐蝕故障發(fā)生后協助工程技術人員進行初步故障原因分析和判斷，尤其是在現場缺少專業(yè)檢測、分析儀器的情況下。

2）故障樹分析法定位到故障原因或將故障原因縮小至一定范圍后，需要進一步通過相應的故障復現手段進行驗證，這是確保分析過程和成果結論科學性、完整性和正確性的必要步驟。

3）根據最終故障分析結論提出的整改措施，由于針對性強，有的放矢，可以取得較好的故障治理效果。

以上分析方法和應用案例可為其他艦船分析、解決海水管路腐蝕問題提供借鑒。