海水管路是指在服役過程中用來輸送或排出海水并完成特定任務的管路,是電力、艦船、石油等領域的重要組成部分[1]。根據應用場景,可將海水管路分為岸基海水管路和離岸海水管路。岸基海水管路建設于海岸邊,從海洋中抽取海水完成特定工作。核電、火電等電力領域是岸基海水管路的典型應用環境,能源領域的熱阱需要大量的冷介質進行換熱,與匱乏且昂貴的淡水資源相比,取之不盡、用之不竭的海水是較理想的冷介質[2-3]。正因如此,我國目前所有投產的核電站都建設在海岸邊[4]。岸基海水管路有著管路規模大、海水流量大、運行較為規律、海水環境穩定等特點。離岸海水管路主要應用在海洋環境中服役的艦船、海上石油平臺。船舶的動力系統、海水淡化系統、消防系統、壓載水系統以及海上石油平臺的注水系統、冷卻系統均需要大量的水資源供給,直接從海洋中抽取海水并在使用完成后直接排放成為唯一選擇[5]。離岸海水管路有著管路規模小、運行過程和海水環境不穩定等特點。

目前,海水管路的部件以金屬材料為主,經過數十年的發展,海水管路使用的金屬材料經歷了碳鋼、不銹鋼、銅合金(紫銅、黃銅、白銅)、鈦合金等幾代的更替。各類金屬材料在海水環境中均存在巨大的腐蝕風險[6],腐蝕導致海水管路失效的案例時有報道。

海水管路由泵、閥門、換熱器等不同部件組成[1,6],不同部件的工作狀態和服役環境有著較大差別,常見的腐蝕失效原因有所不同。筆者通過搜集近年來海水管路中換熱器、閥門、泵等典型部件腐蝕失效的案例,分析、歸納不同部件的常見腐蝕失效形式及誘發原因,為海水管路設計、制造和使用提供依據,降低海水管路出現腐蝕失效的概率。

1. 海水管路中換熱器的腐蝕失效案例及原因

海水換熱器是冷熱流體進行熱交換的設備,它是船舶動力系統以及核電站冷卻系統的重要組成部分[7]。以工業中應用最為廣泛的管殼式換熱器為例,海水換熱器的管程內通海水,殼程內通蒸汽、熱水等熱流體,冷熱流體在換熱管壁上進行熱交換以降低熱流體的溫度。換熱管是海水換熱器最容易失效的部位,目前常見的換熱管主要包括銅合金和鈦合金兩種材料,其在海水中使用時均會出現腐蝕穿孔的現象,不同材料換熱管失效的典型形貌如圖1所示。銅合金換熱管有著傳熱性能好、在海水中能夠形成耐蝕膜層的優點,目前主要應用于船舶領域。鈦合金換熱管則有著耐蝕性優異,比強度高等優點,目前主要應用于核電、火電等電力領域。表1和表2分別列出了近年來銅合金和鈦合金海水換熱管的失效案例,由于材料性能的特點和應用環境不同,影響兩種換熱管失效的主要因素略有差別。

圖 1銅合金海水換熱器失效的典型形貌

Figure 1.Typical failure morphologies of copper alloy seawater heat exchangers: (a) sediment particle erosion; (b) marine biological deposition inner pipe

海水換熱器中使用的銅合金換熱管種類較多,白銅(銅鎳合金)[11]、青銅[21]和黃銅[22-23]均有應用案例,最常見的是以B10、B30為代表的銅鎳合金。銅鎳合金在一定流速的海水沖刷下會生成一層腐蝕產物膜,能夠有效提高基體的耐蝕性[24]。銅鎳合金換熱管最常見的失效類型包括沖刷腐蝕[9,11,15]、垢下腐蝕[8,11,16]和微生物腐蝕[19-20]。當海水流速在正常范圍時,不會引起換熱管的沖刷腐蝕。當海水流經彎管[15]及管路尺寸突變處[9]時,會因流態變化而導致局部海水流速過高,破壞管壁表面的腐蝕產物膜。特別是當海水中含有泥沙等固體顆粒時,固體顆粒與海水形成的多相流沖刷會加劇破壞作用[11]。銅合金換熱管被泥沙顆粒沖刷破壞的形貌如圖1(a)所示,泥沙顆粒在金屬管表面留下了明顯的“犁溝”。保護膜破壞后,在流動海水作用下裸露的金屬基體表面會繼續形成腐蝕產物膜,出現“成膜,破壞,成膜”的過程,沖刷腐蝕最嚴重的區域會不斷減薄,直至穿孔失效。為了避免沖刷腐蝕,一方面要合理設計管路,盡量避免海水流動過程中產生紊流和漩渦,從而導致局部流速過高；另一方面需要對管內海水進行預先過濾,減少大尺寸固體顆粒物。

沉積物和微生物則是銅鎳合金換熱管失效的另一類主要原因。除了銅鎳合金自身形成的腐蝕產物層,換熱管內壁還存在海水溫度升高產生的鈣鎂沉積物以及來自海水的泥沙和海洋生物,不同的組分共同形成的沉積物附著于管內壁,其形貌如圖1(b)所示。垢層的不均勻分布會導致管內壁的不同區域存在氧氣與腐蝕介質濃度差,形成微電池,導致局部區域快速腐蝕[8]。同時,沉積層下方會形成有利于硫酸鹽還原菌等微生物生存的厭氧環境。當海水環境合適(例如含有大量的硫元素)時,硫酸鹽還原菌會將硫酸根還原為酸性的硫化氫,破壞腐蝕產物膜和基體,在管內壁形成蝕坑甚至穿孔[19-20]。為了避免這兩類影響因素,一方面,要選擇合適的阻垢技術和防污技術,保證換熱管工作過程中管內的清潔程度；另一方面,在換熱器停止運行時,采取合適的方法避免微生物的快速繁殖,例如將海水完全排空[20]。

除了銅鎳合金外,青銅、黃銅換熱管在海水中的主要失效類型為脫成分腐蝕。以鋅黃銅為例,銅合金中的鋅原子在腐蝕環境中優先發生腐蝕[25-26]。這類銅合金由于材料本身性能的限制并不適用于海水環境,已經被銅鎳合金和鈦合金等耐蝕性更好的材料替代。

隨著鈦合金冶煉和成型工藝逐漸成熟,耐海水腐蝕性能更優的鈦合金換熱管逐漸投入應用。目前,鈦合金換熱管一般不會由于自身耐蝕性不足而出現腐蝕,其腐蝕失效類型主要有兩種,一類是沖刷腐蝕[10,12,28],一類是電偶腐蝕[10,29]。與銅合金換熱管類似,鈦合金換熱管同樣會由于局部流速過高和海水中攜帶固體顆粒而產生嚴重的沖刷腐蝕；但二者不同的是,銅合金換熱管失效是腐蝕產物膜的“形成,破壞,形成”引起的換熱管減薄導致的,而鈦合金換熱管失效則是海水腐蝕環境加速沖刷磨損過程導致的。

電偶腐蝕是鈦合金換熱管中最常見的失效形式之一,但失效并非出現在鈦合金部件上,而是與鈦合金部件電連接的其他金屬部件上。鈦合金在海水中的電位是-0.2~0.2 V(相對于標準氫電極)[30],高于其他常見金屬。當不同金屬部件之間直接接觸或絕緣失效時,會形成電偶對。由于換熱器中鈦合金換熱管的面積較大、電位較高,極易與其他金屬部件形成“大陰極、小陽極”的狀態,導致其他金屬部件快速腐蝕失效。同時,與鈦合金換熱管直接接觸的其他金屬部件由于電偶腐蝕而放出的氫氣,會對鈦合金換熱管的力學性能和耐蝕性造成影響。部分氫氣會轉變為溶解型氫原子進入鈦合金換熱管的晶格,并在應力的作用下富集在應力集中區域,造成氫脆[31]；同時,晶格中的氫原子逸出會在鈦合金表面形成鼓泡,導致鈦合金換熱管在流動海水中發生腐蝕[29]。對于電偶腐蝕,一方面要保證鈦合金換熱管和其他金屬部件之間嚴格絕緣；另一方面可以將電偶腐蝕風險較高的部件更換為鈦合金或者非金屬材料。對于氫氣造成的腐蝕,除了避免異種金屬的電連接外,在鈦合金部件的應用過程中應盡量避免氫氣的產生和累積。

在特殊的工作環境中,換熱管還會發生空泡腐蝕。通常,空泡是海水流動過程中的流速不均勻引起金屬表面產生的壓力差導致的,空泡在金屬表面的產生和破碎會對金屬表面產生明顯破壞[32]。但在換熱器中,高溫條件下的氣液相變過程也會在金屬表面形成空泡。例如,某船舶使用的凝汽器自身設計不合理,導致換熱管中的海水過度升溫至沸騰,沸騰過程中產生的蒸汽導致B30換熱管內壁發生空泡腐蝕[18]。某核電廠使用的鈦合金換熱器殼程為熱蒸汽,蒸汽在冷凝過程中在換熱管外壁形成空泡并破壞鈦合金表面的鈍化膜,鈍化膜在缺氧環境中無法恢復,導致鈍化膜破壞區域成為腐蝕薄弱區域,最終在多相流沖刷的作用下管壁發生穿孔[13,27]。該類失效與換熱器的結構及工作環境有關,不同材料的換熱管均有發生空泡腐蝕的風險。在換熱器結構設計過程中應對此類失效加以規避,防止金屬換熱管表面在氣液相變過程中產生過大的壓差而產生空泡腐蝕。

2. 海水管路中閥門的腐蝕失效案例及原因分析

閥門是海水管路系統中的常見部件,主要作用為控制管路開關及調節管內流體的流量。海水管路中常見的閥門包括截止閥和蝶閥,兩種閥門的模型和工作原理如圖2(a)和(c)所示。截止閥是通過控制閥瓣的平行移動來調節管內流量,其密封性較好,能夠快速控制管路開關；蝶閥是通過控制閥瓣(蝶板)的旋轉角度來調節管內流態,其密封性相對較差,但控制流量較為精準。閥門在服役過程中會根據實際需求在常開、常閉、半開等狀態切換,閥門的狀態轉變會導致閥門內海水流態發生劇烈變化,提高閥門的腐蝕風險。

圖 2海水管路中常見閥門的工作原理及失效典型形貌[33-38]

Figure 2.Working principle (a,c) and typical failure morphology (b,d) of common valves in seawater pipeline[33-38]

近年來,海水管路中閥門典型的失效案例如表3所示。目前,海水管路中出現腐蝕失效的閥門最常用的材料為青銅,包括錫青銅、鋁青銅及鎳鋁青銅等,青銅閥門腐蝕失效類型包括縫隙腐蝕[36,38]、沖刷腐蝕[36-37,39]和空泡腐蝕[37]。縫隙腐蝕一般出現在閥門常閉的狀態,閥瓣在關閉時密封面與閥體間難以避免地存在一定的縫隙,當該縫隙的尺寸恰好處于閥瓣材料的縫隙腐蝕敏感區域時,極易誘發縫隙腐蝕。縫隙腐蝕的發生會直接導致閥瓣密封面的破壞,進而導致閥門密封失效[43]。同時,高流速的水流會從密封面破壞處流過造成沖刷腐蝕,導致密封面破損處進一步腐蝕[36,38]。這類腐蝕的形貌如圖2(b)所示。針對縫隙腐蝕,需要在設計過程中對閥門的密封結構進行優化,避免狹縫的產生。

除了閥門密封失效容易引發沖刷腐蝕外,在閥門打開和關閉的過程中產生的瞬時高流速海水會對閥瓣產生強烈的沖刷作用,導致沖刷腐蝕和空泡腐蝕[36]。當海水內含有泥沙等固體顆粒時,沖刷腐蝕的破壞性會加重。特別是在閥瓣打開程度較小時,海水在閥瓣附近會形成湍流,局部的高流速會在閥瓣邊緣產生空泡腐蝕[37],對閥瓣邊緣造成嚴重的破壞,如圖2(d)所示。為降低產生沖刷腐蝕和空泡腐蝕的風險,一方面在閥門的使用過程中盡量避免閥門長時間小角度開啟,從而導致局部流速過高；另一方面要采取過濾等措施減少海水中的固體顆粒。同時,閥門通常需要鑄造和焊接成型,當閥門存在鑄造缺陷或焊接缺陷時,其耐蝕性會顯著降低[39-40],在閥門制造過程中需要對其表面質量嚴格把控,減少表面缺陷。

除了青銅,不銹鋼在海水管路閥門中也有應用。不銹鋼閥門的腐蝕失效案例一般與材料本身有關。例如,某核電廠海水管路系統中的奧氏體不銹鋼截止閥,由于閥桿材料本身不耐海水腐蝕且熱處理工藝不合格而出現斷裂[41]。

3. 海水管路中泵的腐蝕失效案例及原因

泵是海水系統的重要部件,其主要作用是向海水管路中供給海水,常見的泵包括潛水泵、管道增壓泵等。在泵運行過程中,通過葉輪高速旋轉產生的吸力將海水吸入泵內,然后將海水壓入海水管路。在海水管路中,一般采用大流量、大揚程的泵,這需要葉輪持續高流速旋轉,因此葉輪成為海水泵中最容易失效的部件,其典型失效形貌如圖3所示。

圖 3海水管路中泵葉輪的失效典型形貌[44-47]

Figure 3.Typical failure morphology of pump impeller in seawater pipeline[44-47]: (a) poket-shaped pits; (b) trench; (c) edge damage; (b) casting defect

表4是近年來典型的海水泵葉輪的腐蝕失效案例,沖刷腐蝕[44,47,49-50]和空泡腐蝕[44-45,49]是葉輪最常見的失效類型。在葉輪旋轉并抽取海水的過程中,葉輪不同位置的流速、壓力存在明顯的差別。葉輪邊緣處的海水流速可達到葉輪出口處海水流速的十余倍[51],因此從海水中直接抽取海水的潛水泵難以對海水進行充分的沉淀或過濾,導致海水中含有大量的固體顆粒,葉片邊緣極易在高流速的多相流沖刷下產生腐蝕和磨損。受到多相流沖刷腐蝕的葉輪表面通常呈麻點狀,局部區域受到泥沙顆粒的劇烈磨損而產生犁溝,其典型形貌如圖3(a)~(b)所示。同時,葉輪不同位置的流速差異會導致不同區域產生壓力差,甚至局部區域產生負壓,負壓區容易出現氣泡的產生和潰滅,對金屬表面造成劇烈損傷,引發空泡腐蝕[52]。空泡腐蝕會對葉輪造成嚴重破壞,刃狀損傷是空泡腐蝕區域的典型形貌,如圖3(c)~(d)所示。為避免葉輪產生沖刷腐蝕和空泡腐蝕,一方面要對泵進行合理設計,并按照使用工況合理選型；另一方面可選擇耐磨材料,或者在葉輪表面涂覆耐磨涂層來提高其使用壽命。

目前,海水泵葉輪的材料以不銹鋼為主,包括奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼。由于葉輪形狀復雜,一般采用鑄造成型,若鑄造工藝不合格,則容易在葉輪表面形成縮松、縮孔等缺陷,或導致成分偏析現象,如圖3(f)所示。當葉輪表面存在鑄造缺陷時,缺陷區域容易誘發縫隙腐蝕等局部腐蝕,形成薄弱區[46]。當葉輪在鑄造過程中出現成分偏析時,也會由于成分不均勻等因素導致局部腐蝕或電偶腐蝕[48]。

除了葉輪外,泵體[53]、泵軸[54-55]等部件也會出現腐蝕失效,其典型案例如表5所示。其中最值得注意的是腐蝕疲勞[53,55]失效。由于泵體、泵軸等部位在工作時承受交變載荷而容易產生疲勞裂紋,同時在腐蝕介質的作用下裂紋會快速擴展導致開裂,特別是對于在海水中生成鈍化膜的不銹鋼,交變載荷會破壞鈍化膜從而降低材料的耐蝕性。因此,承受交變載荷且應用在腐蝕環境中的部件在選材時應嚴格考慮材料的耐蝕性和疲勞性能；承受交變載荷但并不接觸腐蝕介質的部件應嚴格密封,防止接觸海水。

除了換熱管、閥門、泵等特殊部件,海水管路中最多的部件是直管、彎管、法蘭、三通等。與換熱管等部件相比,這些部件的工作環境簡單,因此它們僅會發生流動海水沖刷腐蝕,發生失效的風險相對較低,但電偶腐蝕[57]、沖刷腐蝕[58]等導致的失效也時有發生,這可以通過優化管路結構、合理選材等方法加以規避。

4. 結論與展望

針對目前海水管路中換熱器、閥門、泵等部件發生腐蝕失效的案例,可以得到以下結論。

(1)海水管路部件的腐蝕失效類型與使用環境及材質有關；在部件設計過程中,應對部件的服役工況進行調研,建立部件的環境載荷譜,并針對服役工況優化設計、合理選材。

(2)沖刷腐蝕、空泡腐蝕是換熱器、閥、泵葉輪等部件最常出現的腐蝕類型,這兩種腐蝕通常是結構設計不合理、管內存在卡滯物等,在管路內產生局部高流速導致的,海水中含有泥沙等固體顆粒會加重沖刷腐蝕。在設計過程中,應合理設計管路結構,減少紊流、漩渦的出現,避免在海水流態變化區域布置焊縫等腐蝕薄弱區。在設備使用過程中,一方面要通過過濾、沉降等手段盡量減少海水中的固體顆粒,另一方面要通過電解防污、藥劑防污等方法減少海水中的海生物,防止海水管路卡滯、堵塞而加重沖刷腐蝕。

(3)對于不同材料部件接觸的部位,電偶腐蝕和縫隙腐蝕是常見的失效類型,在設計和制造過程中,不同材料的部件之間嚴格絕緣,避免“小陽極、大陰極”的出現。

(4)垢下腐蝕和微生物腐蝕是表面易形成腐蝕產物膜的銅鎳合金等材料常見的失效類型,在設備使用過程中應當選用合適的防污措施,避免海生物堆積。

(5)制造工藝不合格是導致部件腐蝕失效的常見原因,鑄造不合格產生的縮孔等缺陷易導致縫隙腐蝕,焊接、熱處理不合格會降低材料的耐蝕性；在設備制造過程中應嚴格管控加工質量,保證材料及鑄造、焊接、熱處理等工藝滿足設計要求。

(6)一些特殊的腐蝕失效類型與部件材料及其所處工況有關,如氫腐蝕、腐蝕疲勞等；針對特殊的材質和工作環境,應在設計階段進行考慮以降低腐蝕風險,例如鈦合金部件應避免接觸氫氣,交變載荷區域要考慮材料的疲勞性能。

文章來源——材料與測試網