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全面腐蚀控制第37卷第07期 2023年07月107腐蚀研究Corrosion Research技术舰船海水管路腐蚀故障分析张鲁君吴晓阳杨成斌刘先越（武警海警学院机电管理系，浙江 宁波 315800）摘 要：舰船海水管路包括消防、冷却和卫生等管路系统，是最重要的舰船机械之一，因长期经受海水的侵蚀，容易发生腐蚀破裂故障，影响舰船装备可靠性和航行安全。文章基于两例舰船海水管路腐蚀破损故障案例，对舰船海水管路腐蚀现状进行了研究。针对当前舰船海水管路常用的B10铜镍合金管，综述其在海水环境下易发生的腐蚀形式，并分析了腐蚀发生的机理，结合舰船海水管路腐蚀故障实船调研结果，从管材特性和工作环境两个方面列举了B10铜镍合金海水管路耐海水腐蚀性的影响因素。研究结果可为舰船工作人员，在分析B10铜镍合金海水管路腐蚀故障原因时提供思路，并在采取相应防腐措施方面提供理论指导。关键词：海水管路腐蚀案例B10铜镍合金腐蚀形式原因分析中图分类号：U664.84 文献标识码：A DOI：10.13726/ki.11-2706/tq.2023.07.107.06Corrosion Failure Analysis of Warship Seawater PipelinesZHANG Lu-jun,WU Xiao-yang,YANG Cheng-bin,LIU Xian-yue(Apartment of Mechatronics Management,China Coast Guard Academy,Ningbo 315800,China)Abstract:Warship seawater pipelines consist of fire control,cooling,and sanitation piping systems,which are one of the most important marine auxiliary equipment.Warship seawater pipelines are prone to corroding and fracturing due to long-term erosion of seawater,which affecting the reliability of warships equipment and navigation safety.Based on two cases of ship seawater pipeline failure caused by corrosion,this paper studies the corrosion status of ships seawater pipeline.Aiming at the B10 copper-nickel alloy pipe commonly used in the current ship seawater pipeline,the corrosion forms that are easy to occur in the seawater environment are reviewed,and the mechanism of corrosion is analyzed.The research results can provide ideas for crew members to analyze the causes of corrosion failure of B10 copper-nickel alloy seawater pipelines,and provide theoretical guidance in taking corresponding anti-corrosion measures.Key words:seawater pipeline;corrosion cases;B10 copper-nickel alloy;type of corrosion;failure analysis作者简介：张鲁君(1993)，男，山东巨野人，助教，硕士，主要研究方向为舰船动力装置状态监测、故障诊断与维修。0 引言舰船管路系统是舰船上用来输送和排除工质，完成一定任务的管子、机械设备、附件和检测仪表的总称，简称管系1。舰船管路系统之于舰船就像血管之于人体，是保障舰船整体和各个设备正常工作的重要系统。海水管路是最重要的舰艇管路系统之一，是舰船动力系统、消防系统、压载系统和卫生系统的重要组成部分，主要涉及主辅机冷却、水消TOTAL CORROSION CONTROLVOL.37 No.07 JUL.2023108腐蚀研究Corrosion Research技术防、压载水和卫生水等管路，承担着冷却、消防损管、平衡舰体和保障舰员生活需要的作用。长期以来，海水管路就是舰船上发生腐蚀最为严重的机械设备之一2-6。为了减小舰船海水管路的腐蚀速率，保证舰船的安全航行，舰船海水管路的材质几经改进，目前防腐蚀性能更好的B10铜镍合金管材广泛应用舰船海水管路7,8。尽管如此，B10铜镍合金的腐蚀问题仍然严重9。经过现地调研，舰船海水管路腐蚀问题仍然多发，由海水管路腐蚀引起的舰船管路系统故障问题可小可大，轻则导致管路泄漏，重则危及全船安全。文章在报告舰船海水管路腐蚀故障案例基础上，针对当前舰船广泛应用的B10铜镍合金海水管，分析铜镍合金发生腐蚀的机理，并结合实船调研情况，列举B10铜镍合金海水管路耐蚀性的影响因素，以期为分析舰船海水管路腐蚀故障原因提供思路，并为舰船海水管路腐蚀防护提供理论指导。1 舰船海水管路腐蚀故障案例1.1 案例一某船开展例行性航行训练期间，专业值日人员进行机舱检查时，发现一台海水冷却泵出口压力降低。经排查，海水冷却泵过滤器进口，法兰和过滤器本体连接处腐蚀穿孔，海水溅射而出，导致海水冷却泵出口管路流量不足、出口压力降低。故障情况如图1所示。查阅随船资料得知，过滤器材质为白钢（304L），与过滤器相连的阀门为青铜材质，过滤器法兰与过滤器本体采用焊接方式连接，腐蚀穿孔部位为过滤器本体与过滤器法兰的焊缝处。由此推断，腐蚀穿孔的原因是青铜材质的阀门和白钢材质的过滤器之间产生了电偶腐蚀，加之焊接处存在金属缺陷，为电偶腐蚀的“重灾区”，最终导致焊缝处腐蚀穿孔。图1 海水冷却泵过滤器腐蚀漏水1.2 案例二某型油船在航渡期间，驾驶室值班人员感觉船体轻微右倾，通过检查平衡仪发现船体实际右倾约0.5。初步判断，怀疑是船上的油水舱、舱底水等液面发生变化，导致船体失去正浮状态。经进一步排查，明确了故障原因是海水冷却管路的某段弯头部位因腐蚀发生破裂，导致海水异常流进右舷某水柜。破损情况如图2所示。该段管路材质为铜镍合金B10，采用松套法兰形式与船体相连。技术人员进行了故障现场勘验，检查发现破损位置位于海水管路弯头的弓背部位，距离法兰约20cm，破口为沿海水管路环向的细条状，破口周围管壁表面锈蚀较为明显。经过初步分析，技术人员认为该处管路存在制造缺陷或者受到过机械外伤，加之海水管路弯头的弓背部位长期受到海水的冲击作用，使该处受到应力腐蚀和冲刷腐蚀的双重作用，金属表面的抗腐蚀氧化膜被破坏，加速了管壁的腐蚀进度，在海水的冲击压力下，最终导致管壁腐蚀穿孔。此外，海水流经该管段时处于紊流状态，易发生空泡腐蚀，空泡腐蚀同样会对金属表面的抗腐蚀氧化膜造成破坏，也是导致管壁腐蚀破损的重要原因之一。（a）正面 全面腐蚀控制第37卷第07期 2023年07月109腐蚀研究Corrosion Research技术 (b)侧面图2 某船海水管路弯头处腐蚀穿孔导致泄漏2 舰船海水管路腐蚀现状2.1 海水管路常用材质及特性舰船海水管路系统的选材经历了一个逐步发展的演变过程，早期的舰船海水管多使用海军黄铜、铝黄铜、不锈钢等金属材质，由于海水的腐蚀性较强，原本在空气和淡水等介质下耐腐蚀性较强的金属材质，在海水介质中耐腐蚀性却大打折扣，随着对耐腐蚀金属材料的深入研究，耐海水腐蚀性和抗污损性能优良的铜镍合金越来越广泛地应用于海水管路系统。铜镍合金俗称白铜，具有硬度高、耐海水腐蚀强、加工工艺性能优良等特点，常用的铜镍合金牌号为B30、B16、B10-镍的含量分别为30%、16%、10%。尽管镍元素的含量越高，铜镍合金的性能越优秀，但综合考虑成本和性能两方面的因素，B10铜镍合金是目前舰船海水管路应用材质的主力军8。国产B10铜镍合金无缝管的化学成分如表1 所示。2.2 B10铜-镍合金海水管的腐蚀形式舰船海水管路的腐蚀主要发生在管路内壁，并且会由内向外逐渐扩展，腐蚀过程具有隐蔽性、持续性、长期性等特点，对舰船造成的潜在危害不容小觑，海水管路内壁腐蚀形貌如图3所示。舰船海水管路长期工作于高温、潮湿、振动冲击和腐蚀性介质侵蚀的环境下，往往同时遭受多方面的腐蚀作用，其发生的腐蚀形式主要有冲刷腐蚀、电偶腐蚀、空泡腐蚀、均匀腐蚀、点蚀等11-16。图3 海水管路内壁腐蚀形貌（1）冲刷腐蚀海水的流动会对管路内壁形成冲刷作用，这种冲刷实则不利于管路内壁氧化物保护膜的形成。当舰船处于近岸、港口和含沙量大的海域时，流入管路内的海水经常会夹杂着泥沙等颗粒物，这种不洁净的海水则增强了海水的冲刷作用，使海水管路内壁表面的保护层剥落、氧化膜被破坏，甚至直接造成管壁局部金属缺失等机械损伤。冲刷腐蚀是一个涉及了流动海水对金属表面的机械冲击和金属表面在海水中发生电化学反应的综合过程。一方面，海水的冲刷使海水管路内壁形成损伤；另一方面，加速了管路内壁破损部位在海水中的电化学腐蚀。经实船调研，舰员反映海水管路弯管部位的腐蚀较为严重，容易发生腐蚀穿孔。冲刷腐蚀造成舰船海水管路腐蚀破损的频率最高，对舰船海水管路的危害最大，其严重程度与海水流速、管路结构和海水中的杂质含量密切相关；表1 国产B10铜镍合金无缝管的化学成分10牌号主要成分（%）杂质元素（%）不大于NiFeMnCuPbSCZnP其他杂质总和BFe10-1.6-19.011.01.51.80.51.0余量0.020.010.050.200.010.10TOTAL CORROSION CONTROLVOL.37 No.07 JUL.2023110腐蚀研究Corrosion Research技术（2）电偶腐蚀电偶腐蚀也是舰船海水管路发生腐蚀失效的一种常见腐蚀形式，不同材料之间的腐蚀电位差异、阴阳极面积比、极化行为差异以及海水流速等，都是海水管路形成电偶腐蚀的影响因素。B10铜镍合金在海水中的腐蚀电位范围为0300mV（SCE），其电偶序在常用管材中处于中间位置，它比铝合金和碳钢的惰性更强，但是比不锈钢和钛合金的惰性低。舰船海水管系中常常涉及法兰与管子、阀门与管子、法兰与阀门等异金属之间的连接，当金属之间的电位相差较大时，低电位金属会失去价电子形成金属阳离子，溶进腐蚀介质中，图4为镀锌法兰处的腐蚀形貌；图4 镀锌法兰处的腐蚀形貌（3）空泡腐蚀当海水流速过大时，或者在弯管部位、管径突然变小的部位，容易发生紊流，引起流体压力分布不均匀，在海水管路的管道内壁表面形成低压区，产生流体的空泡。随后，空泡崩破产生高压冲击波，对管道内壁造成冲击，可使金属发生塑性变形，破坏金属表面氧化膜保护层。由于空泡的形成-崩破多次的循环造成管道内壁金属表层的累积损伤，使管道内壁表面形成微观腐蚀疲劳，这就是空泡腐蚀。空泡腐蚀是力学因素和化学因素协同作用的结果。冲击波破坏了金属表面的保护膜，促进了腐蚀；而蚀坑形成后，粗糙的管道内壁表面又促进空泡的形成，而且已有的蚀坑又起到应力集中的作用，促进金属局部表面崩落。金属空泡腐蚀的形貌如图5所示；图5 空泡腐蚀导致的腐蚀缺陷形貌（4）均匀腐蚀均匀腐蚀一般发生在金属的外表面，一般腐蚀初期表现为金属表面出现铜绿，腐蚀中后期表现为腐蚀产物层状剥落。铜镍合金的腐蚀行为受氧气等氧化剂的影响很大，当氧气参与铜镍合金腐蚀时，金属表面首先生成具有保护性的致密Cu2O金属膜，然后Cu2O在海水的作用下生成CuCl23Cu（OH）2或者Cu2（OH）3Cl，最终形成多层结构的腐蚀产物膜。大大降低腐蚀速率，可低于2.5m/a。一般情况下，腐蚀产物膜的形成需要23个月17。艇员在工作中发现，海水管路的均匀腐蚀主要发生在舰船服役初期，没有明显的腐蚀深度，不易被发现。（5）点蚀随着舰船服役年限的增长，铜镍合金海水管内壁表面会形成层状的腐蚀产物膜，靠近合金基体的是薄而致密的Cu2O膜，外层是后续反应产生的疏松多孔的盐化物膜，外层的产物膜结合力差，不具有抗污损能力，且隔断了Cu2O膜的保护作用，这就使得海水中的微生物可以附着在海水管内壁外层的腐蚀产物上。微生物在管子内壁表面的活动，一是会使管子内壁表面的沉积物不断聚集，导致沉积物下的管子内壁表面氧浓度比其他部位低，从而形成腐蚀原电池，造成管子内壁局部腐蚀；二是会使管子内壁腐蚀产物层不断剥落，暴露出内层的Cu2O膜，裸漏的Cu2O膜就会直接受到海水中氯离子和硫离子全面腐蚀控制第37卷第07期 2023年07月111腐蚀研究Corrosion Research技术等侵蚀性离子的破坏，形成局部腐蚀点。铜镍合金海水管内壁表面沉积物的形成是导致点蚀发生的重要因素。点蚀是一种外观隐蔽而破坏性大的局部腐蚀，由于腐蚀面积很小，难以被及时发现，随着腐蚀的发展会导致管壁穿孔破损，造成严重的机械故障或舰船事故。从外观上看，点蚀有开口式的，也有闭口式的。闭口式的点蚀，其表面被腐蚀产物所覆盖，而表面之下则隐藏着严重的腐蚀坑。图6表示了几种点蚀的剖面形状，图中a、b、c、e、f为开口式的蚀孔，d、g为闭口式的蚀孔。a.窄深形；b.椭圆形；c.宽浅形；d.皮下形；e.底切形；f.垂直形；g.水平形图6 各种点蚀孔的剖面形状2.3 B10铜-镍合金海水管的腐蚀机理B10铜镍合金在海水中的腐蚀机理具有一定复杂性，主要原因是目前对B10铜镍合金在海水环境下形成腐蚀产物膜的过程、腐蚀产物膜的结构、镍和铁等合金元素在腐蚀过程中的存在形式及其作用等问题研究得不透彻17。但是从宏观上讲，铜镍合金的腐蚀机理与纯铜和其他铜合金具有很大的相似性。实际海水中一般都溶有一定的氧气，铜镍合金的阴极反应主要以氧去极化剂的还原反应为主：O2+2H2O+4e-4OH-至于铜镍合金在海水中发生的阳极反应，受电位的影响很大。当电位较低时，铜镍合金管以Cu+的形式溶解并与Cl-产生反应，阳极的腐蚀产物主要是以Cu2O：Cu+Cl-CuClads+e-CuClads+Cl-CuCl2-2CuCl2-+H2OCu2O+2H+4Cl-当处于高电位区间时，Cu2O继续被氧化，生成疏松多孔且保护性较差的膜，铜镍合金在海水中发生如下反应：Cu2O+Cl-+2H2O+12O2Cu2（OH）3Cl+OH-B10铜镍合金在海水中的腐蚀主要以合金中铜元素被氧化为主，腐蚀产物膜具有双层特征，内层为具有保护性的Cu2O膜，外层为不具有保护性的膜，B10铜镍合金的耐蚀性主要源自结构致密的Cu2O膜，其腐蚀产物膜层状结构如图7所示。海水()或()()或 铜镍合金基体 图7 B10铜镍合金海水管路内壁腐蚀产物层状结构示意图3 B10铜镍合金海水管路腐蚀因素分析由铜镍合金在海水中的腐蚀机理可以得知，B10海水管的腐蚀速率主要受其表面腐蚀产物膜的影响，凡是对腐蚀产物膜形成有影响的因素都是B10铜镍合金管耐海水腐蚀性的影响因素。总的来说，B10海水管路耐蚀性的影响因素可以概括为材料特性和工作环境两大方面。TOTAL CORROSION CONTROLVOL.37 No.07 JUL.2023112腐蚀研究Corrosion Research技术3.1 管材特性影响因素材料特性对B10铜镍合金管耐腐蚀性的影响主要表现在合金的成分、组织缺陷和表面工艺三个方 面17。研究表明，Ni含量在，Fe含量在时，Ni含量越高则铜镍合金管耐海水腐蚀性越好，且Fe的少量增加可以大大增强耐蚀性效果18。合金成分相同时，B10铜镍合金管材也存在服役性能优劣不等的情况，这是由于加工工艺会造成一定的组织缺陷，对管材的耐蚀性产生重要影响。表面处理工艺对B10铜镍合金管材的耐蚀性影响是最直接、最明显的，切割、酸洗、机械打磨等会破坏出厂态管材表面的氧化膜，造成膜下蚀坑，加速合金基体的局部腐蚀。3.2 工作环境影响因素工作环境对舰船B10海水管路耐蚀性的影响与海水的特性密切相关，海水的温度、酸碱度、含盐量、含沙量、溶氧量、流速以及海水中的硫化物、海生物等都是舰船海水管路腐蚀的影响因素19。在自然状况下，海水温度越高越有利于电化学反应等腐蚀过程的进行。海水温度的变化还会导致海水酸碱度、溶氧量和海生物活性的变化，海水pH值过高或过低、溶氧量减少、海洋微生物活性增加等，都会直接或间接破坏B10铜镍合金管壁表面的保护性氧化物薄膜，从而加速腐蚀进程。海水盐度对腐蚀速率的影响主要表现在离子浓度方面，根据电化学反应规律，腐蚀速率与离子浓度并非线性正比例关系，海水的腐蚀强度在某一盐度下存在一个峰值。海水中的硫化物主要来自腐烂的动植物、工业污水和硫酸盐还原菌，硫化物的存在会加速铜镍合金的腐蚀速率，且在管壁表面生成多孔的硫化亚铜膜阻碍保护性氧化物薄膜的生成。海生物对B10海水管路腐蚀的影响主要表现为生物污损，微生物在管壁表面的活动会造成氧浓度、酸碱度的变化，进而导致局部腐蚀。海水流速对B10海水管路腐蚀速率的影响主要是冲刷作用，海水流速越快可以更快速地把舰船动力装置产生的热量带走，冷却效果也越好；同时，对海水管路内壁的冲刷作用也越强。特别是海水中含有较多颗粒性固体杂质时，一方面，海水流动引起的剪切应力会导致管路内壁表面的保护性氧化物薄膜失效；另一方面，海水中夹杂的固体颗粒物会对管路内壁造成冲击磨损。实际上，冲刷腐蚀是导致舰船海水管路腐蚀破损频率最高的，尤其是对海水管路中的弯头部位。有研究表明，对于韧性金属材料的海水管路，当管子弯折角度在1540。时冲刷腐蚀最严重；对于脆性金属材料的海水管路，直角弯管处的冲刷腐蚀最为严重。4 结语（1）尽管目前舰船海水管路大多采用的是耐腐蚀性更好的B10铜镍合金管材，但腐蚀破损故障仍然存在，特别是海水管路的弯管部位、异金属连接部位和管径突变部位等，腐蚀状况较为严重；（2）B10铜镍合金的腐蚀往往从合金表面的保护性氧化物薄膜被破坏开始，影响舰船B10铜镍合金海水管路耐蚀性的因素主要来自材料特性和工作环境两个方面，材料特性方面主要包括管材的合金成分、组织缺陷和表面工艺三个方面；工作环境方面主要是指海水特性对管路耐蚀性的影响，包括海水的温度、酸碱度、含盐量、含沙量、溶氧量、流速以及海水中的硫化物、海生物等；（3）舰艇海水管路的腐蚀防护可以从两大方面入手。一是在舰船建造之初，选择加工工艺性能良好的B10铜镍合金管材；在海水管内壁涂刷防污防锈漆；二是在舰船服役过程中，要避免外界对海水管（下转第122页）TOTAL CORROSION CONTROLVOL.37 No.07 JUL.2023122腐蚀研究Corrosion Research技术到防腐效果；（3）由于管道材质本身的原因，可采用电化学保护技术，增加金属管道化学稳定性，使金属较难发生化学反应，从而达到减缓腐蚀的 作用。参考文献1 高秋华.试析油气储运中的管道防腐问题J.中国石油和化工标准与质量,2016,(31):09-32.2 张海营,吴锦锦.输气管道定量风险评估方法研究及应用J.冶金管理,2020,(09):70-72.3 刘杰.简述天然气输气场站风险评价方法J.中国石油和化工标准与质量,2020,(03):5-7.4 祁亚林.城镇燃气行业中的安全管理及风险J.化工管理,2020,(30):13-14.5 沈颖.城市综合管廊内燃气泄漏及应急预案模糊事故树分析J.安徽电子信息职业技术学院学报,2020,(4):16-22.6 刘恺晏.燃气管网运行过程中风险管理改进措施探讨J.华东科技(综合),2020,(05):61-66.7 浦哲,任彬,石生芳等.天然气门站管道检验技术应用实践J.西部特种设备,2020,14(02):43-48.8 刘伟.浅析油气储运中的管道防腐问题M.中国石油和化工标准与质量,2015,(31):35-44.9 王朝阳,刘学萍,马青峰.探讨油气储运中的管道防腐问题J.化工管理,2015,(08):27-38.10 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