海水管路用白铜和hdl双相不锈钢的分析

海水管路用白铜和hdl双相不锈钢的分析

bf10-1-1（以下简称b10）白铜管在海洋环境中具有良好的抗污染和耐腐蚀性。国外在40年代即开始在大型军船上逐步推广应用它,到目前为止,不论在军船上还是在民船上B10白铜管都得到了广泛应用。我国从60年代开始试制B10白铜管,用于制造船用换热器等部件,到80年代,在舰船海水管路上逐步大规模应用B10白铜管。经长期使用,B10白铜管被证明是一种可靠的海水管路系统用材料。双相不锈钢作为一种新的耐蚀材料,目前在我国海洋工程上的一些局部系统,如高压空气管路和海洋平台等上面得到应用。但将其大规模应用到舰船海水管路系统还是一个新的课题,对双相不锈钢的防污性能、焊接性能、加工性能及经济性也还需做进一步的研究。文中从实海腐蚀、冲刷腐蚀、电偶腐蚀、海生物污埙、焊接和经济性等6方面对B10白铜和双相不锈钢进行综合性能对比分析,供用户和设计单位参考。1p10白色铜和双相白色铜的基本性能1.1物理分化HDR双相不锈钢的化学成分见表1,其成分相当于美国ASTM2507、瑞典3RE60、日本329J2的。B10白铜的化学成分见表2。1.2锈钢材料的常规力学性能表3为纯钛TA2、B10白铜和双相不锈钢3种材料的常规力学性能。可以看出,纯钛的性能与双相不锈钢的接近,而纯钛的耐海水腐蚀性能要比双相不锈钢的好得多。2耐水腐蚀试验2.1腐蚀速率的比较对HDR双相不锈钢、四边不涂封涂塑钢(MT)、紫铜(TUP)、B10白铜、B30合金5种材料进行流动海水腐蚀对比试验。试验在CF-97型冲刷腐蚀实验机上进行,试验介质为青岛的天然海水,海水流速分6个档次,试验周期为10天,试验温度为30±2℃,试样尺寸为70mm×25mm×3mm。试验结果见图1和表4。从图1可以看出,随着海水流速的上升,TUP紫铜管的腐蚀速率大幅上升,表现为均匀腐蚀。B10白铜、B30合金和HDR双相不锈钢3种合金的腐蚀速率都很低,三者没有明显差别。这是因为,B10白铜、B30合金是含镍铜合金,在其表面生成的一种致密氧化物保护膜,增加了其耐冲刷腐蚀性能;HDR双相不锈钢是含铬合金,其表面生成的一种含铬氧化物和含镍氧化物混合保护膜,大大增强了其抗冲刷腐蚀性能。从表4可以看出,HDR双相不锈钢、B10白铜和B30合金的耐流动海水腐蚀性能均优于TUP紫铜的,其中HDR双相不锈钢的冲刷腐蚀性能最好。TUP紫铜管的冲刷腐蚀速度约为B10管的8倍,而当海水流速为1.5~5m/s时,B10管的腐蚀速度对流速不敏感,这也是B10管在舰船上得到大规模使用的原因之一。若按耐冲刷腐蚀平均速度0.05mm/a使用10年、B10管最薄壁厚2mm来计算,管壁厚尚达1.5mm,完全满足舰船的使用要求。2.2第二,白铜的腐蚀速度和腐蚀时间比表5列出了自1984年12月至1992年12月B10白铜、TUP紫铜和不锈钢3种材料在我国海港全浸4年和8年的腐蚀数据。由于没有作双相不锈钢的全浸试验,因此无法将两者进行比较。但由表5可以看出,普通不锈钢的耐海水点蚀性能极差,在海水中暴露8年,就发生穿透现象;TUP紫铜的平均腐蚀速度为B10白铜的两倍,平均点蚀深度(P)为B10白铜的3~4倍,最大点蚀深度(Pc)为B10白铜的4~6倍。随着在海水中暴露时间的延长,B10管的耐蚀性能提高。B10白铜暴露4年和8年的Pc值是0.12和0.11,Pmax值是0.21和0.27,也就是说B10白铜暴露4年后,其耐海水能力显著提高,腐蚀速度明显下降,其前4年的点蚀深度为0.21mm,后4年的只增加0.06mm。这与Reinhart研究的结论一致。Reinhart发现,铜及其它与铝、硅、锡、铍、镍的合金在海水中暴露18个月后的腐蚀速度大大低于仅在海水暴露6个月的试样的,其长期稳定的腐蚀速度是0.001mm/a。B10管的实际使用寿命比我们预计的要长的多。值得指出的是,试验中所用B10管是洛阳铜加工厂1984年生产的产品,随着技术的进步,合金中的铁含量及S、P、Zn等杂质的含量会得到进一步控制,国产B10管的耐蚀性能会进一步提高。3耐蚀性能下降焊缝和焊接热影响区是海水管路系统耐海水腐蚀的薄弱环节,许多海水管路的腐蚀、渗漏是从焊缝开始的。焊缝区的耐蚀能力除和焊接质量、焊缝形状等因素有关外,还和焊缝区的组织有关系。HDR双相不锈钢是由50%奥氏体和50%铁素体(质量分数,下同)双相构成,在焊接不锈钢过程中会破坏α/γ两相的平衡结构,焊后使热影响区和焊缝的γ相减少,造成焊缝和其热影响区耐蚀性能下降。目前虽采取了促进奥氏体生成的措施,如加入一定量的Ni、N等奥氏体生成元素使焊逢的耐蚀性有了一定的提高,但由于焊接过程是个复杂的冶金过程,对焊缝组织中α相的比例无法很好的控制,因此其耐蚀性能也难以达到同母材相同的水平。更为严重的是,由于焊缝基材构成不同,电极电位不同,产生了大阴极和小阳极的电偶腐蚀效应,从而加速了焊缝和热影响区的局部腐蚀。国内有人正在研究一种铁基形状记忆合金管接头,以期解决双相不锈钢虽性能优良但焊接较难的缺点,扩大双相不锈钢的应用范围。B10白铜与其焊缝组织均为单一的α相,因此,其焊缝及热影响区的耐蚀性能与母材的相当,都具有良好的耐海水腐蚀性能。这已为人们的长期使用经验所证明。4海运生物的附着污损金属材料的抗海生物污损性能是在评定其在海水管路系统中的适用性时要考虑的一个重要因素,尤其是对舰船的海水管路系统,海生物的附着污损会引起管路通径减小,甚至堵塞。而在舰船高速运行时,如冷却海水供应不足则会造成烧坏主机等严重后果。4.1环已烷氧化铜废水紫铜管和铜合金是最早用于舰船海水管路的材料之一,其原因是,在海水中紫铜管和铜合金的表面生成一层保护膜,这层保护膜主要是氧化亚铜(Cu2O),有时也会有大量的氯氢氧化亚铜(Cu4(OH)3Cl)和氧化铜(CuO)。Cu2O有剧毒,对附着在其表面的海生物有杀伤作用,经过一定时间,附着在铜管表面的海生物中毒后就会自动脱落。同样的,B10白铜由于含有大量的镍,在其表面会生成一种更致密的亚铜离子络合物,既增加了材料的耐蚀性,又增加了材料表面的抗污能力。4.2抗海生物污损能力好表6给出了在我国海生物生长最为茂盛的海南榆林站B10白铜和双相不锈钢的海生物污损试验结果。双相不锈钢的主要成分与普通不锈钢的一样,均含铬和镍,只是含量不同。其表面生成的一层致密的氧化铬和氧化镍保护膜可抗海水腐蚀,而这两种氧化物的毒性极小,而且难以释放出Cr2+、Ni3+离子,因此不锈钢抗海生物污损能力极差。1999年9月在厦门站和榆林站对HDR双相不锈钢和B10白铜两种材料进行了为期6个月的海水全浸对比试验,图2是HDR双相不锈钢板及B10白铜板的海生物附着形貌,图3是HDR双相不锈钢管及B10白铜管的海生物附着形貌。从图2、图3可以看出,6个月后HDR双相不锈钢板、管的表面长满海生物,B10白铜板(表面呈现深兰色)则无任何海生物,B10白铜管(表面呈现黄铜色)只有少量石灰虫生长。5腐蚀电位分析舰船海水系统是由不同材料的设备、配件及管路构成的,它是多电极体系,因此舰船的海水管路系统极易发生电偶腐蚀。在电偶腐蚀作用下,电位相对较正的金属受到不同程度的保护,而电位相对较负的金属的腐蚀则被加速,使这些构件遭受严重的局部腐蚀。表7给出了几种船用材料在舟山站暴露半年的平均稳定腐蚀电位。由表7可以看出,阳极性的顺序为HRS-3合金>TC4钛合金>B10白铜>ZQA112-8-3-2合金>921钢>945钢。在这些材料中,双相不锈钢的腐蚀电位最高。当在舰船上使用时,一定要研究双相不锈钢与其它金属的电偶腐蚀行为。在舰船设计选材时,考虑到各种材料电偶腐蚀的兼容性,应尽可能选取腐蚀电位相近的材料。6在空气系统的应用双相不锈钢是国内外近年来开发出来的一种新型耐蚀材料,是由50%的奥体体和50%铁素体组成的双相合金,既具有奥氏体不锈钢的韧性和较高的强度,又具有铁素体不锈钢的优良耐蚀性能,综合性能十分优良。目前,国外主要将双相不锈钢用于制作海洋紧固件、拖船螺旋浆、泵体叶轮和泵轴等综合性能要求较高的部位。我国则在潜艇的高压空气系统上成功地应用了HDR双相不锈钢。这即利用了它强度高、耐蚀性好的优点,又回避了其防污性能差的缺点。HDR双相不锈钢管价格昂贵,目前售价高达28万元/吨,而耐蚀性更优的纯钛TA2管目前的国内售价仅在22~26万元/吨之间,由于钛密度只有不锈钢的一半多,一条船若用同长度同壁厚的管材,钛管重量只有HDR双相不锈钢的一半多,也就是说,若在海水管路系统中推荐使用HDR双相不锈钢,售价只有低于每吨15万元,才有推广应用价值,否则采用纯钛合金管作海水管路更有意义。纯钛管的焊接性、加工性(强度稍低,可以加工较HDR双相不锈钢更薄的管材)都远优于双相不锈钢的,但纯钛管同样没有防污功