某船鎳銅管海水系統失效原因分析

孫宏坤 吳鵬飛 宋嘉睿

（駐廣州地區第一軍事代表室、中船黃埔文沖船舶有限公司、廣東省艦船先進焊接技術企業重點實驗室）

0 前言

船舶管路系統是保障推進系統、發動機冷卻系統、輔助系統的重要組成部分，其耐海水腐蝕問題研究仍是船舶行業廣泛關注的問題之一。我國船舶行業所使用的海水管路系統從最初采用的TUP紫銅管到目前使用B10鎳銅管替代，管路系統地使用壽命大幅度增加。但是由于海洋環境及管路系統工作條件苛刻，管路系統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象發生。

1 問題描述

某型船在交付船東使用后陸續接到反饋，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冷卻支管等共計15個部位。

相關技術人員針對全船各系統鎳銅管腐蝕質量問題進行現場勘查，損漏部位主要為冰機冷藏海水進回水管、全船海水冷卻至大氣冷凝器進回水管、全船海水冷卻至聲學設備實驗室空調支管、全船海水冷卻至調查裝備主操控室空調支管、全船海水冷卻至艉部空調支管、全船海水冷卻至地球物理實驗室空調支管，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生腐蝕，1（c）中直管直接開支管小徑管路處發生腐蝕，1（d）為實驗室空調支管的連接彎管焊縫熱影響區內發生腐蝕。

圖1 鎳銅管路系統泄漏宏觀形貌

通過現場勘查，該船鎳銅管腐蝕穿透泄漏的部位全部集中在管路系統彎頭部位，距離焊縫邊緣5-20mm的區域。腐蝕嚴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果如表1所示，對比技術標準，鎳銅管的實測Cu、Ni、Fe、Mn等合金主要成分及Pb、S、P、C、Zn等雜質成分含量均滿足要求。

表1 鎳銅管成分（%）

從發生泄漏現象的管路系統中截取合適部位制備試樣以觀察管路的微觀組織，鎳銅管內微觀組織如圖2所示，如圖2（a）所示，直管部位發現其金相組織內存在大量加工變形條紋組織，且越靠近內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，熱影響區域晶粒十分粗大，因此熱影響區域組織結構相對較為薄弱。在彎頭位置管路內海水流向改變產生紊流加劇了對彎頭熱影響區的沖刷，導致鎳銅彎頭腐蝕嚴重。

圖2 金相微觀組織

2.2 管路設計分析

根據設計院的管路系統原理圖及管子材料訂貨清單，該型船海水系統管路材料選用鎳銅管，并根據工廠工藝體系編制并經過船東、船檢簽字認可的《管子加工原則工藝》和《管子安裝原則工藝》指導管路生產設計，使用計算機三維軟件開展管路放樣，在設計過程中貫徹執行防腐防漏技術要求。

但在該船完工管路中可以看到，由于管路布置位置的原因，部分管路在設計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沒有采用定型變徑接頭過渡，易導致海水流向突變，產生紊流現象，加劇海水泥沙沖刷彎頭力度。

圖3 直接開支管形式

同時在勘驗過程中發現海水彎頭破漏集中的區域為冷藏冰溫海水冷卻系統4個及鍋爐大氣冷凝器海水冷卻系統5個占破漏總量的60%，其系統管內流速分別為5.2m/s和3.03m/s超出設計的常規要求，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，不排除由于系統內部分流速偏高、直接開支管及未使用定型變徑接頭過渡的設計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公司生產的鎳銅合金管及附件，施工工藝得到德國KME公司認可，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標準《不銹鋼管路、有色金屬管路設計指引》。明確規定了鎳銅管材及附件在管路設計、生產設計評審及出圖、入庫檢驗、管子加工和安裝、成品檢驗等方面的要求，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

鎳銅管制作嚴格按照工藝要求執行。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，焊接部位采用有機清潔劑清潔干凈區域軸向長度≥30mm。放樣管子全部內場制作，船校管子現場校后送內場焊接，打樣管子現場打樣后在內場制作焊接。

（2）管路安裝

實船安裝時，嚴格按照工藝要求執行。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，避免產生應力；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現象。

2.3.3 質量監督方面

（1）入庫驗收

每船套鎳銅管到貨后，按技術規格書要求，針對外觀、壁厚、規格、出廠合格證書進行查驗外，同時按批次取樣，使用便攜式合金分析儀檢測化學成分。在公司建造各類軍、民品船舶中，軍、民品材料分倉庫存放，材料按托盤領用，杜絕材料混用的可能。

（2）制作及安裝檢驗

管子內場裝配焊接檢驗合格后按系統壓力要求進行液壓強度試驗，試驗無泄漏。實船安裝嚴格按照各管路系統原理圖及《管子加工及安裝工藝》和《管路防腐、防漏工藝》、《不銹鋼管路、有色金屬管路設計指引》企業標準等規范要求對系統正確性、電絕緣措施、螺栓規格等級及緊固情況、管路法蘭及設備對中情況、管碼布置、系統密性等方面進行檢驗。各工序環節經自檢、互檢、專檢合格后提交船東船檢驗收。

2.4 使用過程分析

2.4.1維護保養

根據《全船海水系統管路原理圖》鎳銅管無特殊維護保養要求，據現場勘查組調查船員維護保養情況，無異常，可排除因使用維護保養不當造成鎳銅管腐蝕穿透的原因。

2.4.2使用環境分析

該船主要停泊區域為舟山一帶海域，受長江流域泥沙沖刷影響，東海海域水質偏黃，其泥沙懸浮含量要明顯高于南海、黃海等其他海域，海水管路使用環境相對于交付南海及北海的船舶要惡劣，針對使用環境因素，分解了腐蝕較為嚴重的鎳銅管，勘察其內部腐蝕情況，如圖5所示，圖5（a）中管路內部表面布滿銅綠色銹，除銹后發現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 管路內部腐蝕形貌

經實船勘驗，拆除下來的管子彎管內部可明顯觀察到彎頭內側內壁布滿由泥沙沖刷形成的凹坑非常明顯，且凹坑內腐蝕產物為黑色。

2.5 改進措施

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

3 結論

通過對材質的化驗分析、施工工藝及施工過程排查、設計分析、使用環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措施有：

（1）鎳銅合金管管路設計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，導致海水流向突變，加之部分管路系統內海水流速較大，彎頭部位受海水泥沙沖刷較大，導致鎳銅彎頭部位腐蝕嚴重，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產生熱影響區，熱影響區域組織結構相對較為薄弱，在彎頭位置管路內海水流向改變產生紊流加劇了對彎頭熱影響區的沖刷，導致鎳銅彎頭腐蝕嚴重;

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

（4）改進措施主要有在焊接過程中嚴格控制熱輸入防止熱影響區晶粒惡化，管路設計時采用定型變徑接頭過渡并進行流速限制，利用超音速火焰噴涂鐵基非晶合金進行管內噴涂防腐。