船舶海水管路腐蚀及修复技术研究进展

罗 旭，辛 颉，李 瑜，王 冲，文庆珍

(海军工程大学 基础部化学与材料教研室，湖北 武汉 430033)

船舶海水管路系统承担着冷却、压载、消防和清洗等任务，保障着船舶主要设备的正常运行，对船舶安全航行起着重要的作用[1]。铜镍合金管因具有良好的耐海水腐蚀性能、抗冲刷腐蚀性能和抗污性能，被广泛地应用于海水管系[2]，在国内外各类船舶上均有广泛的应用。在实际使用中发现，铜镍合金海水管路的弯头、法兰、三通、变径等处容易出现严重的腐蚀现象，这些腐蚀现象的存在严重威胁船舶航行的安全。

要消除这些安全隐患，就要对发生腐蚀的管道进行修复。焊接工艺方便易用，但在操作过程中容易出现氢致开裂、烧穿、爆裂的现象，安全隐患较大。湿法复合修复技术由高强度纤维布、黏胶和填料组成，其特点是经济安全、可带压修复、防腐性能优异，近些年来广泛用于金属管道的修复[3]。本文主要从海水管路发生腐蚀的原因、防腐方法和修复技术等方面进行论述。

1 海水管路防腐技术研究现状

海水管系包括消防系统、排疏水系统、喷水系统和冷却系统等[4]，广泛分布在船舶上的各个位置，像人体血管一样遍布在船体上，保障着船舶的正常运行。海水中溶解有多种无机盐类，是一种天然的强电解质，金属处于其中很容易发生腐蚀[5]。海水管路在海水环境中常见的腐蚀形式有电偶腐蚀、冲刷腐蚀、缝隙腐蚀等[6]。目前常用的几种海水管路防腐技术包括牺牲阳极的阴极保护法、电绝缘技术和涂层防护等。

1.1 阴极保护法

由于船舶海水管路复杂，基本不采用外加电流的阴极保护法，而牺牲阳极的阴极保护法在海水管路中有广泛的应用，在船舶海水管系的法兰、阀门等连接处均有所应用，初始阶段保护效果较好，但处于阳极的材料消耗较快，无法长时间使用，需要频繁更换，达不到预期的保护效果。锌合金作为阳极的使用寿命一般只有2～3年，无法满足与船用长效防腐防污漆配套用5年的要求[7]。为此，不少研究者探索了其他材料作为阳极时的防腐性能。我国在20世纪70年代成功研制了锌-铝-镉合金作为牺牲阳极，并广泛应用到船舶中，随后相继研究出了电流效率大于90%的高活化铝合金牺牲阳极和高效铝阳极，高活化铝阳极的间浸区性能优于高效铝阳极，更适用于在海水介质中使用[8]。施方乐等[9]根据船舶设计防腐相关文件的要求，选取了锌-铅-铬合金和铸铁作为牺牲阳极，并对两种材料的布置间隔和使用寿命进行了估算，选用的安装型式如图1所示。阳极的放置位置不同，保护效果不同。朱伟明等[10]选用铁合金作为牺牲阳极材料，利用数值模拟的方法对管路保护结构进行设计，在理论上能够找出最佳的布置位置，从而提高阴极保护的有效性。

图1 典型安装型式

1.2 电绝缘技术

电绝缘技术是指通过在垫片、套筒、法兰等连接中使用惰性材料以控制海水管路的电偶腐蚀的技术，在海军制定的《舰船海水管系电绝缘技术要求》中规定[11]，海水管系中相接触的不同金属间必须使用电绝缘连接。电绝缘技术能够解决铜镍合金管与其他设备材料之间发生的电偶腐蚀，但在施工过程中要按照规范进行，否则将影响防腐效果。对海水管路进行腐蚀监测能够及时预防因腐蚀而引发的一系列问题。王虹斌等[12]为考察异种金属间的电绝缘效果，将海水管系分别放于干燥和浸水的环境中，在干燥的环境中采用电阻法进行测量，在浸水环境中采用电压法测量，能够较为准确测出电绝缘效果。冯娜[13]405-410结合传感器技术，对电绝缘效果评判标准进行了深入的研究，对于海水管系而言，电位差法更适合湿态下的检测，测量片的安装示意图如图2所示[13]409。

图2 测量片安装示意图

雷冰等[14]通过电绝缘仿真计算，评估了B10合金和某高强钢偶合的电绝缘判据，发现当两金属之间的绝缘电阻高于4 kΩ时能有效抑制电偶腐蚀。刘国栋等[15]通过改变阻值模拟不同电阻的绝缘材料，研究了异种金属之间的电绝缘对海水管路的作用，发现电阻越大，腐蚀速率越慢，在对某船的海水管路进行十多年的跟踪监测后发现，进行电绝缘处理的部位极少发生腐蚀，而腐蚀的部位恰好与电绝缘材料的损坏相关。

1.3 涂层防护

涂层防护是在海水管路与海水介质之间设置一层屏障，使两者无法直接接触，从而起到保护作用。但涂层一旦出现破损，容易出现“大阴极小阳极”的现象，从而造成管线穿孔[16]，而在海水管路施工过程中，或多或少会出现一些涂层破损,此时使用涂层-电化学联合防护法可以实现高效防腐。对涂覆基材按照GB8923—88执行，选择综合性能良好的防腐涂料能显著提高防腐效果，同时联合电化学防护法如牺牲阳极的阴极保护法和外加电流的阴极保护法等，能够实现较好的防腐[17-18]。侯淑芳等[19]对圆柱形锌试样进行对比实验，发现经过一段时间的电化学腐蚀后，锌试样表面腐蚀均匀且能达到保护阴极材料的目的。钢管镀锌是常用的一种涂层防护方法，它可以明显提高其在流动海水中的耐蚀性能，但因涂层的脆性较大，一般要求海水流速低于5 m/s，使其具有一定的局限性[20]。

2 管道修复技术研究应用现状

虽然能够采用多种防腐技术对海水管路进行前处理，但在船舶航行过程中难免会出现腐蚀破损的情况，尤其是一些关键部位因腐蚀受损将会严重影响船舶的航行，一些管道应急修复补强技术能够很好应对这种突发因素。管道修复技术包括换管修复、堆焊补焊和复合材料修复技术等。

2.1 换管修复技术

换管修复技术是将存在缺陷的整个管段全部更换，能够一次性解决所存在的问题，但换管修复的成本最高，需要停运操作，严重影响船舶的正常航行，且需要优秀的焊接工人和大型设备。对于缺陷不多的管道而言，直接换管相比于其他修复手段来说经济效益差，且可操作性不强。

2.2 焊接修复技术

焊接修复技术按照工艺和方法的不同可分为补焊、堆焊、钎焊等。相对来说，焊接修复技术方便易用，能够在管道不停工的情况下施工，修复时间短、费用低，具有广阔的发展前景，但其缺点也是显而易见的，焊接时容易出现烧穿、氢致开裂和管壁渗碳等问题。20世纪90年代，管道焊接修复工艺在我国开始逐步发展，虽然离国际先进水平还有一定的差距，但也取得了一定的成绩。目前国内很多单位从国外引进了先进的焊接工艺，但其工艺都是按照美国石油协会(简称API)制定的标准操作，而不同国家其管路材质、运输环境等不同，在执行该标准时存在一定的局限性[21]，且我国仍没有形成自己的一套健全的标准，制定的部分标准参照了API，但其难以支撑实际工程应用[22]。

与常规的焊接技术相比，在役焊接修复技术能够实现不停输、不停产，但更容易出现氢致开裂和烧穿等风险[23]，国内对于在役焊接修复技术的研究也有了一定程度的发展。卢玉秀等[24]利用有限元分析软件进行模拟，研究了在役焊接修复管道时管道内壁径向变形的变化规律，通过分析管道内壁的最大径向变形量来确定管道可焊压力。结果发现，在一定压力范围内，最大变形量随着管内压力的增加而增加，当压力增大到一定程度时，径向变形压力变化曲线斜率突然增大，管道发生屈服，此时极易发生烧穿失稳现象，所对应的压力可认为是进行役焊接的最大可焊压力。

2.3 复合材料修复技术

复合材料修复技术具有耐蚀性好、强度高、可快速修复和安全等优点，越来越多地应用到气体和液体管道修复工作中。复合材料修复系统由树脂、修补剂和增强纤维等组成，可分为两种类型，分别是柔性湿铺层系统和预固化分层系统[25]41-42。柔性湿铺层系统可以带压对管路和弯管等连接处进行修复，使用过程中树脂基体未固化，当固化后将形成强度很高的保护层。预固化分层系统需要在现场将复合材料用胶黏剂固化黏合起来，通过与管道的紧密接触从而分担内压，转移负载，从而降低管道所受应力，达到管道修复补强的目的[26]。图3为碳纤维复合材料修复技术结构示意图[27]，利用缺陷部位涂覆的修补剂和环氧胶黏剂，将缺陷处的应力均匀传递到复合材料上，复合材料缠绕管道，两者发生协同变形，降低了缺陷处的应力与应变，能够实现管道补强的目的。

图3 碳纤维复合材料补强结构示意图

在选择复合材料时往往要考虑材料的特性、不同材料之间的匹配性、极限抗拉强度模量等诸多因素。

常用的纤维增强体包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维和天然纤维等。玻璃纤维因成本低，与树脂相容性好等优点而被广泛使用，但其缺点也很明显，模量较低且易疲劳。碳纤维的综合性能优于玻璃纤维，其价格偏高，但其具有高比强度、高比模量、低密度和抗疲劳等优点，在浸渍条件下吸水率较低[28-29]。在取用增强纤维后，还需要考虑最佳的纤维取向和放置位置，研究表明，一般选用0°或90°方向的铺层，能够降低所受周向和轴向应力[30-31]。为消除电偶腐蚀，也可以设计多层不同复合材料或加入耐蚀填料来减少碳纤维层与管道的直接接触。国内对于纤维增强复合材料修复后管道的极限承载能力的研究并不多，陈如木等[32]为此建立了修复后缺陷管道的极限失效数值模型，发现对于同一缺陷工况，修复层数对修复性能有着显著的影响，不同的修复层数呈现不同的失效模式，在现场施工过程中选取修复层数应该取一定的安全系数。

树脂基体能够保护增强纤维不受外部环境的影响，起着传递载荷、抵抗裂纹扩展和破坏的作用[25]44-46。在选择基体的过程中需要考虑其物理和机械性能、固化温度、固化收缩率以及玻璃化转变温度等参数，这些参数共同作用，决定着管道修复的效果。常用的树脂包括环氧树脂、酚醛树脂和不饱和聚酯等，其中环氧树脂与金属基材的黏接性好，与碳纤维复合后性能优异，且固化收缩率低，能够有效传递载荷，在恶劣环境下仍具有较好的防腐性能[33]。在设计基体树脂的过程中，也应该考虑界面附着力对黏接性能的影响，可以分析树脂与纤维之间的匹配性，从而获得最佳的组合。有文献提出，树脂基体比增强纤维和管道更容易吸收水分[34]，在考虑基体长期服役性能时需要加入水分的因素，尤其是对于海水管路而言，长期处于盐水浸泡的恶劣环境中，保证基体树脂与纤维以及基体树脂与管道的有效黏合是至关重要的。郑志才等[35]将碳纳米管引入环氧树脂体系中，发现不同的加入方式对于碳纤维和环氧树脂复合材料的界面性能有着较大的影响，相较于不添加碳纳米管的试样CNTs-00，添加碳纳米管与活性分子预反应后的试样CNTs-01界面剪切强度和层间剪切强度有了较大的提升，接触角减少了3.1°，界面剪切强度提高了12.7%，层间剪切强度提高了9%。

在使用纤维增强材料之前需要用腻子将腐蚀坑和缝隙等不平整的表面进行填平，使复合材料与钢管之间更好承力，腻子由树脂体系和填料组成。找平腻子容易发生固化收缩的现象，而选择合适的填充材料能够控制收缩率，改善机械性能[36-37]。填充物可以是金属，也可以是非金属。Duell等[38]将双酚A型环氧树脂、胺类固化剂和二氧化硅固化来填补钢管缺陷，利用了填充物的双线性应力应变特征，发现复合材料包裹层首先达到破坏标准，填料成功将载荷转移至复合材料中。

3 结束语

海水管路的腐蚀能够给船舶的航行带来巨大的威胁，而能够用于海水管路的修复方法是多种多样的，在这些修复方法中，复合材料修复技术工艺简单，可操作性强，目前在油气管道中的应用较为普遍，但应用于海水管路的报道不多，研究出能够在紧急情况下对海水管路进行快速堵漏的复合材料修复技术对于船舶远航能力的提升是至关重要的。针对海水管路的腐蚀泄露问题，研究者可以从以下几个方面进行深入研究：

(1)加强对腻子中环氧树脂的改性研究，使腻子防腐性能优异、附着力强，固化收缩率低，能够渗入微小空隙中，且能隔绝电偶腐蚀。

(2)加强对环氧树脂基体的改性研究，通过改性提升其在金属管道上的附着力，同时提升柔韧度，使其与增强纤维匹配性良好，防腐性能优异，在工程应用时能够快速固化，达到应急修复的目的。

(3)考虑腻子中的填充物与其他物质之间的应力关系，从而保证填充有效性，提高修复质量，开发出关于腻子更精确的数值模型。

(4)研究更精确的复合材料修复厚度，设计厚度时考虑金属管道塑性变形、缺陷位置、缺陷形状等。