疏浚船管道磨損和腐蝕行為研究

1.江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212003 2.中交上海航道裝備工業(yè)有限公司 上海 201208 3.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212003

1 研究背景

裝備制造業(yè)被視為工業(yè)的心臟和支撐國家綜合國力的重要基石,高度發(fā)達的裝備制造業(yè)是實現(xiàn)工業(yè)化的必備條件,也是國家強大綜合競爭力的重要標志[1]。目前,我國經(jīng)濟社會快速發(fā)展,疏浚工程在國民經(jīng)濟中占有十分重要的位置。疏浚船管道作為疏浚工程的主要輔助設(shè)備,其磨損、腐蝕具有不可避免性。因此,研究疏浚船管道磨損、腐蝕行為,不斷發(fā)展新的耐磨損、腐蝕材料,是一項重要的課題。隨著我國海洋戰(zhàn)略的逐步實施,技術(shù)人員對材料制備、材料性能進行更深入的研究,新材料、新技術(shù)迅速發(fā)展。如何提高疏浚船管道內(nèi)壁的耐磨損和耐腐蝕性能,使其更好地服務(wù)于疏浚事業(yè),避免不必要的經(jīng)濟損失,已成為表面工程及新材料領(lǐng)域的研究熱點。

2 疏浚船管道磨損原理

疏浚船管道的磨損程度主要取決于疏浚土質(zhì)類別、施工排距、施工排高、土體內(nèi)天然雜質(zhì)及其它雜質(zhì)等。相同動力條件下,輸送泥漿的流態(tài)取決于排距、排高。研究表明,流態(tài)是導(dǎo)致管道異常磨損的重要因素,但通常不被人們所重視。土質(zhì)類別、天然雜質(zhì)及其它雜質(zhì)是管道磨損的內(nèi)在因素。一般認為,沖蝕過程存在著延性和脆性兩種磨損,當(dāng)塑性材料受到粒子沖擊時,會引起變形磨損和切削磨損,通常情況為兩種磨損共存的復(fù)合磨損。脆性材料受到粒子沖擊時,在較小變形或未出現(xiàn)變形時,便會產(chǎn)生裂紋。裂紋擴展,導(dǎo)致局部表層脫落。

2.1 變形磨損

具有較高動能的固體物質(zhì)法向沖擊疏浚船管道時,在管壁上產(chǎn)生的局部應(yīng)力大于管材的屈服強度,這些應(yīng)力的疊加和應(yīng)變共同對管壁表面產(chǎn)生破壞。較大直徑固體物質(zhì)以大沖角沖擊管材表面時,沖擊壓力的豎直分量引起無法恢復(fù)的塑性變形,即沖擊凹坑。在凹坑邊緣有因塑性變形而擠出的材料堆積物,堆積物重新受擠壓變形而從材料表面脫落。直徑較小的砂石,其沖擊壓力較小,顆粒不能直接壓入材料表面。經(jīng)大量小直徑固體顆粒長期反復(fù)沖擊,最終也會造成管材內(nèi)壁材料疲勞脫落。

2.2 切削磨損

工程中天然雜質(zhì),如鐵錳結(jié)核物、砂礓石中含有一定量的SiO2。其它雜質(zhì)中,磚渣含有Fe2O3。以上雜質(zhì)若硬度大于管壁表面的硬度,且以斜向小角度沖擊管材表面,則尖角與管壁表面接觸點很小,會產(chǎn)生很大的沖擊壓力。切屑的形成是法向力和切向力共同作用的結(jié)果。法向力使磨粒壓入管壁表面,形成壓痕。切向力使磨粒向前移動進行切削,形成切屑。切削磨損模型如圖1所示[2]。

3 疏浚船管道磨損影響因素

在惡劣的疏浚工況條件下,疏浚船管道的磨損情況復(fù)雜。疏浚工程工況存在不確定性,漿體流態(tài)、排高、排距不同,疏浚土質(zhì)千差萬別,尖棱砂礫,土體內(nèi)天然雜質(zhì)及其它雜質(zhì)等都對疏浚船管道的磨損造成或大或小的影響。管內(nèi)流態(tài)對疏浚船管道的磨損產(chǎn)生重要影響,漿體流動性不同于液體流動,要考慮固體顆粒對混合物性質(zhì)的影響及顆粒本身的慣性力。當(dāng)管道中出現(xiàn)滑動或不動的顆粒淤積層時,會形成淤積流,這種流態(tài)是相對不穩(wěn)定的。疏浚管道中土塊處于懸浮狀態(tài),經(jīng)水力作用,大土塊分解為小土塊,隨后分解為泥漿,泥漿黏性高,土中含有的鐵錳結(jié)核物等天然雜質(zhì)沉降速度加快,形成凝聚并向前推進,在管底進入跳躍移動狀態(tài),在管道外部可明顯聽到摩擦聲,對管道的破壞性極強[3]。疏浚管道自身的耐磨損性能是影響自身壽命的主要因素,普通碳鋼的耐磨損性能相對較差,耐磨復(fù)合鋼管由于加入合金元素,大大提高了耐磨損性能。Cr、Mo、W屬于中強碳化物形成元素,既能形成合金滲碳體,如(Fe·Cr)3C等,又能形成特殊碳化物,如Cr7C3、Cr23C6、MoC、WC等,這些碳化物的熔點、硬度、耐磨損性能及穩(wěn)定性都比滲碳體高。V、Nb、Ti是強碳化物形成元素,它們在鋼中優(yōu)先形成特殊碳化物,如VC、NiC、TiC等,穩(wěn)定性強,熔點高,硬度大,耐磨損性能也強。不同合金元素的加入對性能產(chǎn)生不同的影響,不同合金之間的組合效果也不同,因此確認合適的合金元素配比對提高耐磨復(fù)合鋼的耐磨損性能至關(guān)重要。

沖蝕磨損是固體顆?；蛄黧w沖刷、打擊固體表面,造成表面材料不斷流失的一種磨損形式。一般造成沖蝕磨損的粒子都比較硬,但當(dāng)流動速度高時,軟粒甚至水滴也會造成沖蝕。影響沖蝕磨損的因素主要有磨粒運動參數(shù)、特性,以及工件表面特性、環(huán)境特性等。粒子速度對沖蝕磨損的影響很大,是造成材料沖蝕的主要原因,這是因為沖蝕磨損與磨粒的動能直接相關(guān)。沖擊角是磨粒與工件壁面間的傾角,也稱為攻角或入射角。磨粒相對于面壁的沖擊角不同,對材料破壞的磨損形式也不同,沖蝕磨損率與磨粒沖擊角的關(guān)系如圖2所示。

圖2 沖蝕磨損率與磨粒沖擊角關(guān)系

對于脆性材料而言,隨著沖擊角的增大,沖蝕磨損率不斷增大。沖擊角為90°時,沖蝕磨損率達到最大。脆性材料的沖蝕磨損存在一個臨界沖擊角α0,當(dāng)沖擊角不大于α0時,不發(fā)生脆性沖蝕。塑性材料的沖蝕磨損率隨著沖擊角的增大而增大,當(dāng)沖擊角達到臨界沖擊角αcr1時,沖蝕磨損率達到最大。之后隨著沖擊角的繼續(xù)增大,沖蝕磨損率減小。實際上,大多數(shù)材料的沖蝕磨損是塑性和脆性的復(fù)合沖蝕磨損,其臨界沖擊角為αcr[4]。趙建華等[5]對在不同沖擊角下的CrMoV堆焊層沖蝕磨損表面形貌進行觀察。沖擊角為30°時,材料沖蝕磨損表面呈明顯的切削和犁溝剝落。沖擊角為60°時,沖蝕磨損表面出現(xiàn)沖擊碎片及空蝕洞,磨損機制為疲勞損傷和微切削。沖擊角為90°時,試樣表面的犁溝消失,取而代之的是或大或小的沖蝕凹坑及擠壓唇。隨著沖擊角的增大,CrMoV堆焊層的沖蝕磨損機制逐漸由微切削轉(zhuǎn)變?yōu)槠趽p傷和局部塑性變形,堆焊層最大磨損沖蝕率對應(yīng)的沖擊角在45°～60°之間。

磨粒的顆粒大小、形狀和軟硬程度對沖蝕的影響很大,硬粒子造成的破壞比軟粒子嚴重,尖銳粒子造成的破壞比球形粒子嚴重。沖蝕磨損率與磨粒大小之間存在一臨界尺寸,大于臨界尺寸后,磨粒尺寸產(chǎn)生的影響很小,可不考慮。粒子的可碎性也是影響沖蝕磨損的一個因素,隨著沖擊角、沖擊力的增大,脆性粒子沖擊后發(fā)生破碎的概率增大,粒子破碎產(chǎn)生的屑片會對材料表面造成二次沖蝕。姜勝利等[6]對20SiMn低合金鋼在六種砂粒粒徑下的多相流損傷進行了研究,表明粒徑的變化引起了材料損傷機制的變化,小粒徑時為選擇性沖蝕破壞機制,大粒徑時為犁削破壞機制;大粒徑下空蝕的存在對失重有顯著影響,而小粒徑的影響很小,粒徑對失重總的影響趨勢是粒徑越大,失重率也越大;砂粒粒徑達到粒徑范圍150～250 μm時,影響趨勢不明顯,即在這一范圍內(nèi),失重對粒徑的變化不敏感。

4 疏浚船管道腐蝕原理

疏浚船管道的腐蝕有電化學(xué)腐蝕、空蝕、沖刷腐蝕、點蝕、應(yīng)力腐蝕等,主要為電化學(xué)腐蝕和空蝕。

4.1 電化學(xué)腐蝕

金屬與電解質(zhì)溶液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致金屬材料腐蝕破壞,稱為電化學(xué)腐蝕。材料在電解質(zhì)溶液中的腐蝕電位可表征相對活潑程度。漿體中的腐蝕失重主要由電化學(xué)腐蝕引起,特別是鋼中C元素形成的碳化物顆粒,在基體中充當(dāng)陰極,促進電化學(xué)腐蝕的發(fā)生。漿體的流動使管壁處的O2供應(yīng)量得到充分保證,當(dāng)空氣中O元素擴散到金屬表面的流速加快時,會加劇電化學(xué)反應(yīng),所以抑制電化學(xué)腐蝕的發(fā)生是改善管道耐磨蝕性能的一個途徑。傳統(tǒng)的耐候鋼通過添加Cu、Cr、Ni、Si等元素在材料表面形成保護性層,以提高耐腐蝕性能,但這些保護層與基體的附著性較差,在磨損、腐蝕過程中容易被去除,從而導(dǎo)致更嚴重的腐蝕失重。

4.2 空蝕

空蝕指在高速多相流條件下,液體介質(zhì)中局部壓力變化致使空泡形成和潰滅,材料連續(xù)受到高壓、高速微射流沖擊作用,進而產(chǎn)生表面破壞?？瘴g一般發(fā)生在流體機械高速相對運動的部件中,由于存在復(fù)雜多變的疏浚工況,不同失效管道的空蝕作用機制不盡相同。目前,對于空蝕的機制存在多種解釋。射流作用機制認為在空泡潰滅時伴有瞬時高速射流,射流沖擊壁面造成空蝕破壞。激波理論認為在空化現(xiàn)象發(fā)生過程中,空泡在潰滅時會產(chǎn)生向四周擴散的激波,激波攜帶能量不斷作用在材料的表面,最終造成材料破壞。氣泡破滅的沖擊波、高速射流與腐蝕的聯(lián)合作用,在工件表面產(chǎn)生強大的破壞力。空蝕的存在明顯增大了大粒子的動量,縱向運動速度也有所加快,進而縮短粒子接觸材料表面的時間。空蝕使固體顆粒運動狀態(tài)發(fā)生變化,與固體顆粒對空泡形成和潰滅過程的影響有關(guān)。

5 疏浚船管道腐蝕影響因素

疏浚船管道腐蝕受很多因素影響,對于普通碳鋼管而言,其組織形態(tài)、晶粒大小、化學(xué)成分等都將影響腐蝕類型及速度。對于高鉻鋼管而言,主要利用合適的表面技術(shù)在低碳鋼、碳鋼上形成高鉻合金層,在合金層不受破壞的前提下,影響腐蝕的主要因素是合金層的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)。通過研究純金屬和合金材料的抗空蝕性能,發(fā)現(xiàn)金屬材料的抗空蝕性能主要與固體中的晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)合鍵,以及材料的相轉(zhuǎn)變、變形能力有關(guān)。材料的化學(xué)成分、表面形貌及一些外界環(huán)境條件對金屬材料空蝕行為的影響有許多共同點,塑性、韌性較好的材料,耐空蝕性能強。腐蝕性介質(zhì)、固體顆粒等會促進材料的空蝕破壞程度。一定程度的規(guī)則表面起伏,能夠延長空蝕的孕育期時間。從腐蝕角度分析,漿體溫度、溶解氧、鹽度、附著生物、污染程度、流速和腐蝕產(chǎn)物等因素都對疏浚船管道的腐蝕產(chǎn)生或大或小的影響,腐蝕不是單個因素作用的結(jié)果,而是多個因素甚至是整個腐蝕環(huán)境相互作用的結(jié)果。疏浚船管道腐蝕影響因素見表1。

表1 疏浚船管道腐蝕影響因素

6 提高耐磨損、腐蝕性能的方法

疏浚作業(yè)中管體以磨損為主,腐蝕的存在使腐蝕與磨損產(chǎn)生了明顯的相互促進作用,從而增大了材料的總失重。因此,對于疏浚管道用耐磨損、腐蝕材料,首先要考慮其耐漿體磨損的性能,同時抑制腐蝕的發(fā)生,從而實現(xiàn)耐磨損、腐蝕性能的改善,即要保證材料有足夠的硬度,存在可與泥沙相抗衡的硬質(zhì)相,其次才是耐腐蝕。提高材料的耐磨損性能,主要有變形強化和第二相強化等技術(shù)。熱處理、微合金化、鈍化膜、表面處理等手段,則同時兼顧了耐磨損性能的改善和耐腐蝕性能的提高。

6.1 涂層技術(shù)

目前疏浚行業(yè)使用的管材主要有普通鋼管、高鉻鋼管和超高分子量聚乙烯管。Q345低合金鋼磨損較快,但低合金鋼材價格便宜。耐磨損復(fù)合鋼管為高鉻合金,屬于白口鑄鐵系列,硬度高,合金成分高,適量Cr元素的加入提高了基體的自腐蝕電位,有利于減輕鋼的腐蝕傾向,同時提高耐磨損性能。另一方面,耐磨損復(fù)合管涂層或堆焊層與基體的結(jié)合力,以及自身的耐磨性、耐蝕性,仍有待提高。陳春江等[7]采用等離子噴涂技術(shù)在X70管線鋼表面噴涂Cr2O3復(fù)合涂層,粘結(jié)層+陶瓷層試樣的腐蝕速率顯著降低,這樣做對基體有很好的耐腐蝕保護作用。王劍[8]通過耦合電弧熱絲無極惰性氣體保護焊在20G鋼表面采用Inconel 625焊絲進行堆焊工藝試驗,堆焊層與基體界面熔合良好,無裂紋、氣孔等缺陷,堆焊層稀釋率降低,堆焊層成分得到了改善,從而降低了堆焊層的腐蝕速率。Kumar等[9]采用高速氧燃料涂層技術(shù)沉積WC-10Co4Cr涂層,對SS202、SS304兩種管道材料進行侵蝕磨損試驗,觀察到耐磨損、腐蝕性能顯著改善。

對于管道空蝕失效問題,多從材料升級、結(jié)構(gòu)改造等方面提高管道的抗空蝕性能。不同失效管道的空蝕作用機制不盡相同,所以針對管道特定結(jié)構(gòu)特性,準確分析管道內(nèi)部流動和相應(yīng)空蝕機制,找到空蝕失效影響因素及規(guī)律,是解決空蝕失效問題的關(guān)鍵。由于空蝕只發(fā)生在零件表面,因此采用涂層技術(shù)提高過流部件表面性能是解決空蝕問題的重要技術(shù)手段。熔覆層的晶粒細化可以提高耐空蝕性能,張松等[10]采用激光熔覆技術(shù)在Monel 400合金表面制備Ni基稀土合金熔覆層,熔覆層的抗空蝕性能是Monel 400合金的8.7倍,得出Ni基稀土合金熔覆層的細晶強化,以及空蝕過程中產(chǎn)生的阻斷晶界網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是提高耐空蝕性能的關(guān)鍵。劉海濤等[11]通過比較不同系列Ni基合金噴熔層在NaCl溶液中的抗空蝕性能,得出NiCrBSiCuMo 噴熔層在NaCl 溶液中具有優(yōu)異的抗空蝕性能,這是因為噴熔層不僅具有較高的硬度,而且還存在細化涂層組織與改善涂層韌性的Mo2C相、MoSi2相。

6.2 外加電流陰極保護

管道內(nèi)壁外加電流陰極保護的基本原理是電解池化學(xué)反應(yīng)。將要保護的金屬與外加電源的負極連接,作為電解池的陰極。將輔助電極與外加電源的正極連接,作為電解池的陽極。通過外加電流及外部輔助材料,大量電子聚集在被保護的金屬設(shè)備表面,使整個金屬處于負電位,成為整個系統(tǒng)的陰極,阻止金屬失去電子,從而降低腐蝕速度。外加電流保護系統(tǒng)由恒電位儀、參比電極、不溶性輔助陽極、接地裝置等組成。張兆云等[12]通過管道內(nèi)壁涂層檢測,利用循環(huán)海水管道增加外加電流陰極保護系統(tǒng),有效防止管道內(nèi)壁腐蝕,延長使用壽命。鄭玉貴等[13]系統(tǒng)研究了室溫時外加電位對0Crl8Ni9Ti不銹鋼在10%H2SO4+15%剛玉砂介質(zhì)中沖刷腐蝕行為的影響,結(jié)果表明,隨著外加陰極電位的負移,保護度逐漸增大,陰極保護能顯著降低沖刷腐蝕速率,保護度可達73.6%。

7 新材料應(yīng)用展望

新材料為疏浚行業(yè)水中輸泥管道提供了新的發(fā)展空間。有機涂層相比金屬涂層,具有更好的抗腐蝕性能,在空蝕過程中,特別是在海洋環(huán)境下的空蝕過程中,可以有效降低基體材料發(fā)生電化學(xué)腐蝕的可能性。隨著新材料的發(fā)展,越來越多的新材料將應(yīng)用于疏浚行業(yè),所帶來的經(jīng)濟利益是巨大的。

7.1 高密度聚乙烯

高密度聚乙烯管在受沖擊時表現(xiàn)出良好的柔韌性,彈性模量小,變形時產(chǎn)生的應(yīng)力也很小。在防腐蝕方面,內(nèi)壁不需要做相關(guān)處理,而普通鋼管耐化學(xué)腐蝕及電化腐蝕的能力則較弱。高密度聚乙烯管在水中可以呈自然彎曲布置,并且在承受風(fēng)浪沖擊和其它外力時,不會產(chǎn)生應(yīng)力集中而損壞管道,可以提高管道運行的安全性和可靠性[14]。

7.2 超高分子量聚乙烯

超高分子量聚乙烯管具有高強度、高耐磨、高耐沖擊、自潤滑、不結(jié)垢等優(yōu)點,可取代普通鋼管和昂貴的合金鋼管、不銹鋼管,用于疏浚與輸油這兩大要求極為嚴格的工程領(lǐng)域。石油行業(yè)對高性能、節(jié)能環(huán)保管道有需求,大型多功能挖泥船對高強度、高安全性綠色管道有需求,都使超高分子量聚乙烯管脫穎而出[15]。

7.3 聚氨酯

聚氨酯具有高彈性、高拉伸強度、高抗疲勞性能,對鋼材有良好的附著力,可對任意曲面噴涂成形。蔣基安等[16]在實驗室模擬疏浚工程現(xiàn)場的實際工作情況,分別采用高鉻鋼、超高分子量聚乙烯、Q235-AF管道與聚氨酯管道進行耐磨損性能對比試驗。通過分析可知,對于直管道,四種材料的耐磨損性能從高到低依次是聚氨酯、高鉻鋼、超高分子量聚乙烯、Q235-AF,并且聚氨酯的耐磨損性能至少是Q235-AF的8倍。聚氨酯彈性體具有相對較高的損失因子,在高頻振動或受到外力沖擊時,能吸收60%以上的能量,可有效消除或減緩?fù)饬_擊、高頻振動等所產(chǎn)生的破壞,是適宜制備抗空蝕彈性體的新型材料。

7.4 聚天冬氨酸酯聚脲

聚天冬氨酸酯聚脲是聚脲發(fā)展的最新成果。李寧等[17]研制了一種聚天冬氨酸酯聚脲彈性體材料,制成涂層后,在空蝕模擬試驗機上進行抗加速空蝕性能研究。試驗結(jié)果表明,聚天冬氨酸酯聚脲彈性體材料與改性環(huán)氧樹脂材料、剛性聚天冬氨酸酯聚脲材料相比,具有更優(yōu)異的抗空蝕性能。由此可知,柔性高分子材料的抗空蝕性能比剛性高分子材料好,且材料的抗拉強度越高,抗空蝕性能越強。與傳統(tǒng)聚脲相比,聚天冬氨酸酯聚脲由于空間位阻的原因,與異氰酸酯組分反應(yīng)緩慢,所制備的涂層對基材具有更好的浸潤性,且缺陷少。

8 結(jié)束語

疏浚船管道作為疏浚工程的重要輔助設(shè)備,耐磨損、腐蝕性能要求高,筆者就此對疏浚船管道的磨損、腐蝕行為進行了研究。

不同合金元素的加入對熔覆層性能的影響不同,相互影響的組合效果也不同,如何找到更為合適的合金元素配比以繼續(xù)提高涂層或堆焊層與基體的結(jié)合力,以及自身耐磨損、腐蝕性能,從而達到更長使用壽命的要求,還有待更深入研究。

不同的表面熔覆技術(shù)所形成的涂層或堆焊層,其組織結(jié)構(gòu)、晶粒大小等不盡相同,性能也不同。在熔覆層與基體結(jié)合良好,表面無裂紋、氣孔等缺陷的情況下,將研究更好的表面熔覆技術(shù),達到更高的耐磨損、腐蝕性能。

目前對疏浚船管道空蝕的研究較少,而空蝕問題對疏浚船管道產(chǎn)生了不可忽略的影響,造成的經(jīng)濟損失較為嚴重。因此對于空蝕產(chǎn)生的原因,以及如何有效避免疏浚船管道的空蝕問題,需要進行進一步研究。

此外,開發(fā)新型高分子材料應(yīng)用于疏浚船管道,同時改進制備工藝,研究性能更優(yōu)、成本更低的疏浚船管道,同樣是業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點課題。

有效延長疏浚船管道使用壽命,將節(jié)省大量資金,為國家疏浚事業(yè)做出巨大貢獻。相信在不久的將來,隨著技術(shù)的發(fā)展、新材料的應(yīng)用,疏浚船管道及疏浚事業(yè)將取得更大的進步。