銅鎳合金海水管路犧牲陽(yáng)極加裝設(shè)計(jì)

施方樂(lè)， 黃 雷

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 200129)

0 引 言

目前，國(guó)內(nèi)艦船普遍采用銅鎳合金管作為海水管路，常用型號(hào)有B10和B30。其中，B10主要用于系統(tǒng)管路，B30主要用于設(shè)備冷卻器冷卻管路。

銅鎳合金管具有良好的耐腐蝕性，主要通過(guò)在其表面生成的一層致密氧化層實(shí)現(xiàn)[1-2]。在實(shí)際使用中，由于泥沙沖刷等原因，其表面氧化層經(jīng)常被破壞，致使其防腐蝕性能無(wú)法充分發(fā)揮。經(jīng)過(guò)多年研究積累，目前對(duì)于銅鎳合金海水管路的防腐防漏可采取異種金屬電絕緣隔離、流速控制、加裝海生物防腐防污裝置等多種手段。相關(guān)調(diào)研結(jié)果顯示，目前艦船銅鎳合金海水管在未采取犧牲陽(yáng)極保護(hù)措施的情況下，平均使用壽命約為3～5年。德國(guó)銅鎳合金管材供應(yīng)商KME公司研究表明，在采用犧牲陽(yáng)極及其他合適措施的情況下，銅鎳合金管使用壽命可達(dá)30年。因此，銅鎳合金管加裝犧牲陽(yáng)極已是大勢(shì)所趨。

通過(guò)分析銅鎳合金海水管的腐蝕原因，并參照水下附件犧牲陽(yáng)極加裝設(shè)計(jì)方法，對(duì)銅鎳合金海水管路實(shí)施犧牲陽(yáng)極加裝設(shè)計(jì)，以保護(hù)管路及管系內(nèi)銅合金材質(zhì)的閥件和附件。

1 銅鎳合金管的腐蝕原因

相關(guān)研究表明，在艦船運(yùn)行過(guò)程中，海水管路和管路中的閥件、附件，以及設(shè)備冷卻器冷卻水管面臨的腐蝕問(wèn)題是由不同金屬材料之間的電位差引起的電流產(chǎn)生的，主要包括以下幾種類(lèi)型：

(1) 海水富含導(dǎo)電的鹽溶液，在海水、管路中不同電位的金屬材料之間會(huì)形成電流回路，引發(fā)電化學(xué)(電解)反應(yīng)，從而引起低電位材質(zhì)因陽(yáng)極效應(yīng)損失電子而產(chǎn)生腐蝕。

(2) 設(shè)備接地效果差等原因造成雜散電流，電流引發(fā)電化學(xué)(電解)反應(yīng)，導(dǎo)致低電位材質(zhì)腐蝕。

(3) 直接接觸的不同金屬材料之間因電位差產(chǎn)生電流，進(jìn)而引發(fā)電偶腐蝕，造成低電位材質(zhì)腐蝕。

2 犧牲陽(yáng)極加裝設(shè)計(jì)步驟和計(jì)算原理

根據(jù)銅鎳合金管的腐蝕原因，在海水管路加裝犧牲陽(yáng)極，即通過(guò)在管路中設(shè)置低電位材料作為犧牲陽(yáng)極，可實(shí)現(xiàn)在上述電化學(xué)反應(yīng)中對(duì)海水管路、閥件和附件，以及設(shè)備管路的保護(hù)。

海水管路犧牲陽(yáng)極加裝設(shè)計(jì)的具體實(shí)施流程如圖1所示。

圖1 實(shí)施流程

犧牲陽(yáng)極可根據(jù)具體海水管路材質(zhì)進(jìn)行選擇，選擇原則是犧牲陽(yáng)極的發(fā)生電流須達(dá)到被保護(hù)金屬構(gòu)件達(dá)到保護(hù)電位時(shí)的極化電流。

犧牲陽(yáng)極使用數(shù)量可根據(jù)下式估算：

(1)

式中：I1為保護(hù)電流密度，即被保護(hù)金屬構(gòu)件達(dá)到保護(hù)電位時(shí)單位面積所需的極化電流，mA/m2；s為被保護(hù)構(gòu)件浸水面積，m2；I2為每塊犧牲陽(yáng)極的發(fā)生電流，mA。

犧牲陽(yáng)極壽命按以下公式估算：

(2)

式中：Y為犧牲陽(yáng)極有效使用壽命，a；G為犧牲陽(yáng)極的凈重，kg；Q為犧牲陽(yáng)極的實(shí)際電容量，A·h/kg；If為犧牲陽(yáng)極的發(fā)生電流，mA；a為犧牲陽(yáng)極發(fā)生電流平均因數(shù)，一般取0.6～0.8；K為犧牲陽(yáng)極利用因數(shù)，一般取0.85。

犧牲陽(yáng)極發(fā)生電流按以下公式計(jì)算：

(3)

式中：ΔE為驅(qū)動(dòng)電位，V；R為犧牲陽(yáng)極接水電阻，Ω。

犧牲陽(yáng)極接水電阻按以下公式計(jì)算：

(4)

式中：ρ為海水電阻率，Ω·cm；S為犧牲陽(yáng)極尺寸的當(dāng)量長(zhǎng)度，cm。

(5)

式中：L為犧牲陽(yáng)極長(zhǎng)度，cm；B為犧牲陽(yáng)極寬度或直徑，cm。

3 銅鎳合金管的犧牲陽(yáng)極加裝設(shè)計(jì)

3.1 犧牲陽(yáng)極材料選擇

本研究選定的主要保護(hù)對(duì)象為銅鎳合金管，含B10和B30管，其次被保護(hù)的對(duì)象為海水管路中銅合金材質(zhì)的閥件和附件等。

艦船設(shè)計(jì)防腐防漏的相關(guān)文件要求,銅合金海水管路犧牲陽(yáng)極選材時(shí)保護(hù)電位推薦控制在-450～-750 mV范圍。鋅-鉛-鎘合金，其工作電位約為-1 000～-1 050 mV，銅合金的工作電位為-150～-300 mV，即以鋅-鉛-鎘合金作為犧牲陽(yáng)極時(shí)，與銅合金管之間的保護(hù)電位為-850～-750 mV，符合銅合金海水管路犧牲陽(yáng)極選材時(shí)保護(hù)電位推薦范圍。鑄鐵工作電位約為-750 mV，與銅合金之間的保護(hù)電位為-600～-450 mV，符合銅合金海水管路犧牲陽(yáng)極選材時(shí)保護(hù)電位推薦范圍。因此，選擇鋅-鉛-鎘合金和鑄鐵作為犧牲陽(yáng)極。

3.2 犧牲陽(yáng)極安裝型式選擇

犧牲陽(yáng)極可選擇不同的安裝型式，如直接在管壁上安裝，或安裝于連接法蘭或接頭之間。綜合考慮擴(kuò)大犧牲陽(yáng)極與被保護(hù)管路的面積比、管路內(nèi)流體介質(zhì)的穩(wěn)定性等要求，建議選擇安裝于連接法蘭或接頭之間的型式。典型安裝型式如圖2所示。

圖2 典型安裝型式

在圖2中，為形成電流回路，防止因異種金屬接觸造成接觸面不均勻腐蝕，影響犧牲陽(yáng)極使用壽命，墊片應(yīng)使用絕緣墊片，并應(yīng)設(shè)置導(dǎo)通電纜。

選擇以上安裝型式具備以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 犧牲陽(yáng)極安裝于法蘭之間，安裝方便。

(2) 犧牲陽(yáng)極內(nèi)徑與管路一致，不會(huì)造成管路內(nèi)徑突變，影響流速，形成紊流。

(3) 可通過(guò)選擇犧牲陽(yáng)極的長(zhǎng)度，即圖示的L值，增減犧牲陽(yáng)極的接水面積，由此可計(jì)算犧牲陽(yáng)極的布置數(shù)量和使用壽命。

3.3 犧牲陽(yáng)極布置設(shè)計(jì)

GJB 157-1986《水面艦船犧牲陽(yáng)極保護(hù)設(shè)計(jì)和安裝》[3]規(guī)定，裸露的青銅、黃銅等銅合金和不銹鋼材料的保護(hù)電流密度一般取300～350 mA/m2，即在該保護(hù)電流密度下，被保護(hù)的銅鎳合金管材和系統(tǒng)內(nèi)的銅合金閥件、附件可達(dá)到保護(hù)電位時(shí)單位面積所需的極化電流。取保護(hù)電流密度I1=300 mA/m2，海水電阻率ρ=25 Ω·cm。

計(jì)算得到犧牲陽(yáng)極的當(dāng)量長(zhǎng)度如表1所示。為便于計(jì)算取值，犧牲陽(yáng)極規(guī)格即其內(nèi)徑近似取管路通徑值,犧牲陽(yáng)極長(zhǎng)度可根據(jù)需要選取，表1選取的長(zhǎng)度僅作為計(jì)算數(shù)據(jù)使用。

表1 犧牲陽(yáng)極當(dāng)量長(zhǎng)度計(jì)算表 cm

將當(dāng)量長(zhǎng)度S代入式(4)計(jì)算各規(guī)格犧牲陽(yáng)極接水電阻，再將電阻結(jié)果代入式(3)計(jì)算發(fā)生電流，算出各規(guī)格犧牲陽(yáng)極推薦安裝間隔值，結(jié)果如表2所示。其中，安裝間隔包括管路中閥件和附件的長(zhǎng)度，由于閥件和附件內(nèi)部形腔較為復(fù)雜，建議實(shí)際加裝時(shí)閥件和附件長(zhǎng)度按兩倍長(zhǎng)度計(jì)算。

表2 犧牲陽(yáng)極安裝間隔推薦值

3.4 犧牲陽(yáng)極使用壽命估算

利用式(2)求得犧牲陽(yáng)極使用壽命，如表3所示。在計(jì)算質(zhì)量時(shí)，由于銅鎳合金海水管采用松套法蘭型式，犧牲陽(yáng)極內(nèi)徑取管子內(nèi)徑值，外徑取連接法蘭密封面外徑值，法蘭連接及密封面按照GB 569-1965[4]標(biāo)準(zhǔn)，鋅-鋁-鎘合金電容量Q=780 A·h/kg，鑄鐵電容量Q=900 A·h/kg。

表3 犧牲陽(yáng)極使用壽命估算表

4 總 結(jié)

本文主要闡述了銅鎳合金海水管的腐蝕原因、防腐措施及犧牲陽(yáng)極加裝設(shè)計(jì)的理論依據(jù)和計(jì)算方法，并參考艦船設(shè)計(jì)防腐防漏相關(guān)文件對(duì)犧牲陽(yáng)極保護(hù)電位的要求，選擇鋅-鋁-鎘合金和鑄鐵兩種材料作為犧牲陽(yáng)極，進(jìn)行兩種犧牲材料布置間隔和使用壽命計(jì)算，供使用者選擇。

本文對(duì)犧牲陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)型式僅作示意，在實(shí)際使用中可根據(jù)需要進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)。在計(jì)算結(jié)果中，布置間隔、使用壽命也僅起演示作用，具體加裝設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)犧牲陽(yáng)極的長(zhǎng)度和具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，再進(jìn)一步進(jìn)行計(jì)算。