舰船海水管系腐蚀风险分析与综合评估方法

Chinese Journal of Ship Research - - 目 次 - 杨光付,裘达夫,潘金杰,滕艳娜,雍兴跃

1,裘达夫1,潘金杰2,滕艳娜2,雍兴跃2杨光付 1 102442海军装备技术研究所,北京2 100029北京化工大学 化学工程学院,北京

摘 要:[目的]为了开展在役舰船海水管系腐蚀风险分析和探索建立腐蚀风险综合评估方法,[方法]通过对海水管系内腐蚀和外腐蚀源的识别,分析海水管系可能发生的腐蚀模式及其原因。基于海水管系发生腐蚀的可能性及其后果矩阵,建立海水管系腐蚀风险矩阵。提出定量确定海水管系每一种可能发生腐蚀模式评估的指标分值方法。同时,采用层次分析法原理,探索建立海水管系腐蚀风险综合评估模型。[结果]实现了对海水管系腐蚀风险进行定量综合评估。[结论]研究结果表明,综合评估值代表了海水管系腐蚀风险等级和引起的后果。依据海水管系腐蚀风险的综合评估结果,可以实现精准防腐蚀,达到海水管系防腐蚀的经济性、及时性与

合理性统一的目标。关键词:海水管系;腐蚀风险;腐蚀后果;层次分析法;综合评估中图分类号:U672.7+2 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1673-3185.2017.03.020

0引言

舰船装备是海军武器装备最为重要的平台。在舰船上安装、布置了许多管道,构成了庞大、复杂的管路系统,承担着保障舰船安全运行和舰船人员日常生活的重任[1]。舰船上的管系分为海水管系、淡水生活用水管系、通风管系、燃料、动力管系和其他辅助管系等。其中,海水管系承担着舰船消防、冷却和部分生活用水,对于保证舰船动力装置、辅助机械和设备的正常工作,保障舰船人员的正常生活都具有极其重要的作用。海水的电化学腐蚀与海水输送过程中流体力学因素之间交互作用产生的协同效应使得铜合金海水管系遭受到了比在静止海水环境中更为严重的流动腐蚀[2-4]。同时,海水管系还遭受到海生物的腐蚀[1]。众所周知,腐蚀是材料在其所处环境介质中因化学或者电化学反应导致的变坏、变质、或者损伤的过程[5]。“腐蚀”一词是一个热力学概念,即材料在腐蚀环境中可能发生变坏、损伤的趋势。腐蚀不但可引发安全、经济、环境、资源等问题,而且还可能限制先进科学技术的应用,阻碍科技的进步。对于舰船装备,海水管系腐蚀和由腐蚀而带来的设备损坏,轻则造成舰船人员生活不便,使舰船维修维护成本增加;重则影响舰船的在航率,甚至影响到整个舰船的安全和服役寿命。因此,基于腐蚀发生的趋势,开展舰船海水管系腐蚀风险分析及其综合评估,有利于对舰船开展精准的腐蚀防护,具有重大意义。腐蚀风险分析一般采用专家打分分析法(Subject matter expert scoring)、现场调查(Scenariobased survey)分析法、相对风险评估(Relative risk assessment)分析法和综合概率分析法[5],也可采用故障树分析法(Fault Tree Analysis,FTA) [6-7]。这些方法均是为了辨识腐蚀风险的影响因素。风险评估是把风险分析和风险评价联系起来的整体过程。其中,风险评价就是以风险分析为基础,考虑社会、经济、环境等方面的因素,对风险的容忍度做出判断的过程。自第二次世界大战结束之后,风险评估开始作为一门学科发展,迄今已广泛应用于国防、核电、航空航天、交通运输和环境等领域[8-11]。腐蚀风险评估最早由美国在航空器整体结构完整性管理中提出[12]。美国腐蚀工程师协会(NACE)针对石油天然气管线的安全问题,提出了加强石油天然气管线腐蚀管理的技术方案[5]。我国研究人员也在这方面开展了一些工作[13-14],并2015于 年公布了《油气输送管道完整性管理规 范》国家标准(GB 32167-2015)15 [ ]。然而,该标准仅把腐蚀作为油气管道的主要失效模式之一进行相应的风险评估。评估腐蚀风险可以是定性的,也可以是半定量或者定量的。目前,主要采用模糊理论(Fuzzy Set Theory,FST)和层次分析法(An⁃ alytic Hierarchy Process,AHP )等对腐蚀风险的影响因素进行定量评估[14,16-17]。同时,在确定允许风险值〔R〕的基础上,将实际计算的风险数R与之相比较,根据两者的差距判断实际风险,若R>〔R〕,为不安全,若R<〔R〕,则为安全[14]。相对而言,通过腐蚀风险识别,研究某系统最可能发生的腐蚀及其原因;采用合理的腐蚀风险综合评估方法,判断某系统所处的腐蚀风险状态,更为彰显腐蚀风险分析与综合评估的重要性。本文拟通过腐蚀源识别与分析,结合实际,研究在役海水管系最可能发生的腐蚀及其原因。并在此基础上,利用层次分析法,建立海水管系腐蚀综合评估模型,获得海水管系腐蚀风险评估分值。基于综合评估分值的大小,可以判断出海水管系的腐蚀风险状态。由此,有利于开展精准的海水管系防腐蚀工作。

1 海水管系腐蚀源识别与分析

腐蚀风险指的是因腐蚀失效而可能产生的损失、伤害、不利和其他后果的潜在因素[5 ]。腐蚀风险分析就是利用已有的信息资料,识别出危险,并预测其可能对人员、财产和环境的风险,是一种3 “主动”的方法,分为 个主要步骤:风险识别、频率分析与后果分析,其目的是尽可能避免可能发生的因腐蚀失效而引发的事故。为了对舰船海水管系开展腐蚀风险分析,首先要解决的问题是腐蚀源的识别与分析,其具体内容是材料在腐蚀介质中的腐蚀机制以及影响材料腐蚀的因素。对于海水管系,就是要具体分析海水管系可能发生的内腐蚀与外腐蚀。舰船海水管系输送的是氯化物含量较高、导电性较强的海水。海水管系材料通常采用具有良好导热性、加工性、耐海水腐蚀性和防污性的铜合金。铜在海水中的腐蚀是由氧去极化作用引起的,其腐蚀速度主要受阴极过程控制,并受到海水中含氧量、温度、流速、微生物、固体颗粒或者颗粒状悬浮物的影响。此外,异种金属间的偶接、铜合金的热处理状态、焊接与成型加工、管路流道结构也会导致铜合金海水管系发生腐蚀。海水管系作为舰船的“血管”,大多数的海水管路都处于潮湿、高温、安装布置空间狭小、维修

保养困难的环境中。一般舰船海水管系外表面主2要存在 种类型的腐蚀环境,即潮湿环境和湿热环境。根据其使用环境的不同,铜合金海水管系3外壁防护存在 种情况: 1)铜合金外表面仅进行涂层防腐; 2)铜合金外表面仅包覆保温层; 3)铜合金外表面先进行涂层防腐,再包覆保温层。可见,舰船海水管系的腐蚀源来自内腐蚀和外腐蚀。内腐蚀源主要为海水中的溶解氧、氯离子、固体颗粒或悬浮物、微生物和流速。外腐蚀源为表面凝水、氯离子、温度和湿度。

2 海水管系可能发生的腐蚀模式

在上述识别腐蚀源的基础上,将对海水管系可能发生的腐蚀模式进行分析与归类,目的在于列出所有可能发生的腐蚀模式,为下一步结合海水管系实际的腐蚀状况,列出最可能发生的腐蚀模式打下基础。基于海水的性质和铜合金的耐腐蚀机制,在铜合金管系的内部,可能发生的腐蚀有均匀腐蚀、电偶腐蚀、缝隙腐蚀、孔蚀、晶间腐蚀、选择性腐蚀、磨损腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳和微生物腐蚀10等 种腐蚀模式。而外腐蚀主要是由管道外表面的凝水引起,并且由于管道外表面防腐涂层孔隙、缺陷、局部破损形成大阴极—小阳极的不利结构,导致防腐涂层孔隙、缺陷和局部破损处发生严重的局部腐蚀,如点蚀坑和丝状腐蚀。此外,对于管道间连接和管道与管配件之间的连接,由于紧固件材料与管道材料的差异,也可能导致电偶腐蚀发生。

3 海水管系的实际腐蚀状况

如上所述,通过对海水管系内外腐蚀源的分析与识别,可见铜合金材料的管系可能发生的腐蚀模式具有多样性,十分复杂,不仅与管系材料本身有关,而且还取决于管系材料的内外腐蚀环境因素,包括在安装施工过程中使用的法兰垫片材料、紧固件和焊接、成型加工等。由于海水管系已有自身的防腐蚀设计与防腐蚀安装施工要求,实6际上,舰船海水管系常见下列 种腐蚀模式。

3.1 缝隙腐蚀

这种缝隙腐蚀主要由垫片引起,经常出现法兰连接处的泄漏。其主要原因是现场使用的平面垫片,可能的原因是因法兰面不平整,或者安装过 程中受力不均,使得法兰面变形,从而与垫片形成缝隙腐蚀发生的条件。

3.2 电偶腐蚀

虽然海水管系发生电偶腐蚀的严重性已经引起技术与管理方面的双重重视,并采取了对应的措施,但是现场发现海水管系的电偶腐蚀仍然存在,主要为异种金属海水管路的连接和相同金属管路的连接。前者的腐蚀出现在异种金属管路的腐蚀,例如法兰、与法兰连接部分的管段,以及连接紧固件(螺栓、螺母)与法兰之间的电偶腐蚀。对于后者,主要为紧固件螺栓螺母与法兰之间的电偶腐蚀。电偶腐蚀会导致紧固件腐蚀失效,造成维、检修困难,也因此在现场检修时,出现了工人采用锯断方法来拆卸这样的管路连接的情况。

3.3 焊缝腐蚀

在现场管路安装施工过程中,焊接铜合金管道,包括管配件和法兰之间的焊接都是不可避免的。由于受现场焊接环境条件的限制,包括焊接后的焊缝处置受限,导致焊接无法完全达到技术要求和规范的控制条件。最终,一方面焊接会产生残余应力和微裂纹;另一方面,在焊缝的热影响区域,管路材料的组织结构可能发生变化,耐蚀性降低,使得焊接管路在海水中出现焊缝腐蚀。这2种焊缝腐蚀的形式包括 种:焊缝裂纹和焊缝两侧腐蚀。由此,导致铜合金管道在焊缝处发生泄漏。

3.4 磨损腐蚀穿孔

这类腐蚀主要发生在管配件,例如弯头、三通等处,并且主要是由海水流动引起的腐蚀。当前,对于铜合金管路流速的限制主要以直管为准。然而,在弯头的内侧,因流道构型改变,此处的最高流速和直管流速相比要高出许多,由此发生磨损腐蚀。磨损腐蚀表现为局部出现腐蚀坑点,或者局部减薄直至穿漏。

3.5 均匀腐蚀

对于海水管系,其均匀腐蚀来自管路内部流动海水引起的流动腐蚀和管路外表面在腐蚀环境中发生的腐蚀。均匀腐蚀对管路的危害主要在于使得管道厚度局部或者整体减薄,导致管道整体承压能力降低。

3.6 孔 蚀

在海水管系中,管路发生孔蚀的主要原因是管道材料本身的质量缺陷,例如材料热处理、杂质

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