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铜及铜合金如何检测耐海水冲刷腐蚀性能?_拜恩检测-专业第三方检测机构

发表时间:2022-05-09   来源:

 冲刷腐蚀试验,常见于海洋环境或石油管道的金属材料检测项目里。在流体作用下,金属材料会受到海水冲刷与腐蚀两者的协同作用,由此产生的工业磨损远大于冲刷和腐蚀单独作用之和。因此通过模拟海水冲刷腐蚀试验,我们可以有效的评估金属材料在工况下的耐腐蚀性能,从而预估其服役寿命,及时发现质量缺陷,避免安全事故发生。在众多的耐腐蚀性能的金属材料中,铜及铜合金铜因为具有良好的耐腐蚀性、较高的换热系数和优良的机械性能、焊接性能、抑制海洋微生物附着等特性,成为耐流动海水腐蚀性能的优秀材料之一,它的部分型号甚至可以接受海水、泥沙及水中异物的高速冲刷,所以被广泛应用在海洋制造行业。

海水冲刷腐蚀对比

一、需求背景

青岛某海洋工程研究所,以“铜及铜合金管的耐腐蚀性能研究”作为课题,在进展到海洋环境条件下的研究时,需要海水冲刷腐蚀试验的数据。由于目前国家还没有专门针对铜及铜合金的耐海水冲刷腐蚀性能试验制定完善的检测方法标准,而目前主流的冲刷腐蚀的研究方法主要有旋转试验、管流试验、喷射试验三种,所以他们需要根据根据铜及铜合金的应用场景及产品特点,来有效的选择试验方法,包括里面的试剂、设备、试样制备等情况,由此需要制定一份完整的试验方案。

铜及铜合金管道腐蚀

二、铜及铜合金管应用情况介绍

在海洋工程领域中,铜及铜合金管主要被制成热交换用管或输液管道管系用管,常用于海水管路的铜合金牌号主要有TP2、BFe10-1-1,这类牌号的铜及铜合金主要用来制造舰船的管路、法兰、阀门、波纹管等部位。常用于热交换装置的铜及铜合金牌号主要有TP2、BFel0-1-1、BFe30-1-1、HAl77-2、HSn70-lAB。这类牌号的铜及铜合金主要用来制造主冷凝器、辅冷凝器、加热器、冷却器、空调、管板、冷凝管和水室等部位。这里面HSn70-1牌号的锡黄铜管和BFel0-1-1、BFe30-1-1牌号的白铜管是主要的2种铜合金冷凝管,不过随着技术的基本,产品多元化的发展,冷凝器及热交换器的冷凝管品种也在不断增加。像Cu-Ni合金就因其耐流动海水腐蚀性能好,被广泛应用在海水淡化处理管道、冷凝器管、海电厂的热交换器等船舶与海洋工程海水管路系统,多的甚至能占船总重能达到2%~3%左右。

 

三、冲刷试验方法介绍

铜及铜合金的海水冲刷腐蚀的研究方法主要有如下几种方法:旋转试验法、管流试验法、喷射试验法,这几种试验方法各有特点,具体如下 :

 

(1)旋转试验法

旋转式试验装置是利用试样或流体的旋转使试样与流体间产生相对运动,主要类型有旋转圆盘式和旋转圆环两种。研究原理是以改变旋转速率和圆盘直径使在试样表面上形成一系列不同的圆周速度,从而达到研究材料在不同流速下的腐蚀行为。这种研究方法对船舰的螺旋桨的工作情况能达到很好的模拟。该方法具有实验装置简单、实验周期短、测试用溶液量小(一般可小于4L)等优点,因而使用比较广泛。

 

(2)管流试验法

管流试验是另一种实验室使用比较广泛的研究方法,主要针对管道系统的冲刷腐蚀情况。研究原理是采用循环系统,使流体中固体颗粒分布均匀,并使流体以一定流速和流态冲刷材料表面,以研究管道系统材料在不同流速、流态条件下的腐蚀行为。试验装置对流速、流态的控制性比较好,具有良好的流体力学模型,因此研究结果具有很好的使用价值。但系统需要贮液槽和循环泵等部分组成,因此需要空间很大,而且测试所需溶液量很大,经常大于40L;采用循环系统,要求循环泵持续工作,泵工作产生的热量会引起水温的升高,所以需要温度控制系统控制水温,同时泵阀的可靠性必须确保循环泵的持续工作。

 

(3)喷射试验法

喷射方法与管流实验方法一样采用循环系统,设计思路是使流体从喷嘴处以一定流速、冲击角度直接冲刷试样表面,模拟管道系统的冲刷腐蚀情况;在实验过程中,试样放置位置固定不变,使对流速的控制性提高,而且流体流速可达到很高;也可以通过调节试样位置与喷嘴相对角度,达到冲击角度对材料表面冲刷腐蚀的影响研究,很好地模拟管道系统的拐角处的冲刷腐蚀情况;实验装置最大的优点就是电化学测量十分容易,而且可在很高流速下进行原位电化学测量。但由于流体直接对试样表面喷射,该方法的冲刷情况比实际情况严重,与泵、管道的实际冲刷腐蚀条件有一定的差距,用此方法得出的材料冲刷腐蚀临界速度往往比其它方法低。

 

通过上面介绍和比较,无疑旋转试验和管流试验的优点更多, 所以我们建议选择采用旋转试验和管流试验。由于海水冲刷试验主要通过冲刷试验机来实现各种环境因素的模拟,因此对实验室环境要求不高,所以在试验条件上,我们仅需要需保证正常的室温条件即可,当然,试验设备元器件也要可靠运行。

 

四、试验方案介绍

 

1、方案原理介绍

a.旋转圆盘试验方案

该方案将试样固定在圆盘上,也可以固定在筒壁的试样架上,通过在固定转速下转动的圆盘带动溶液旋转,进行测试。由于试样固定在圆盘上时,在惯性的作用下溶液流速和圆盘转速存在不匹配现象,造成试样表面的流速无法精确测量。试样固定在筒壁时流速相对准确,应注意流速传感器应尽量和样品接近,保证流速测量的准确。该设备的结构可以设计的很紧凑,试样一般需要加工到40mm长度,也可制备试板,所以对样品尺寸要求少。

旋转圆盘试验设备

 

 

b.管路冲刷试验方案

该方案通过离心泵带动试验溶液流动,冲刷过样品表面,适用于管径较大的铜及铜合金样品检测。使用超声流量计测量试验附近的流速,流速测量较为准确,流体状态稳定,但是要保证管内流体的稳定,尽量使试验管径和设备管径接近,避免变径时造成的流速变化。由于结构限制,试验设备占地面积较大、连接处较多,对实验室空间、防水等有较高要求。

管路冲刷设备方案

2.试验试剂的选择

由于试验溶液的用量较大,目前化学纯试剂的杂质含量已经满足试验要求,所以实验中仅使用确认为化学纯及以上的试剂,所用水为GB/T 6682规定三级及以上蒸馏水或去离子水。使用氯化钠和蒸馏水或去离子水配制浓度为3.5%(质量百分比)的氯化钠溶液,在氯化钠溶液中按质量百分比 0.15%加入主要成分为 SiO2 的海砂,海砂符合 JG/T 494-2016 的要求,细度模数为特细。

 

3.设备仪器说明

使用的仪器设备为专属设备,而且由于试验溶液具有一定的腐蚀性,所以设备材料必须考虑耐腐蚀性,因此需要使用强度较高的有机材料。另外试验溶液加入了海砂,对设备材料会产生磨损,磨损下来的材料混在溶液中又会对试验产生磨损,因此对材料的强度也提出了要求。 此外其他使用到的设备还有酸度计、电子天平、数字指示秤、游标卡尺等。

 

4.试样制备说明

试验的目的是模拟实现铜合金管材在冲刷条件下的腐蚀,因此试验过程中应尽量选取全截面试样,以重现试液在管内的流动,旋转圆盘试验中流体以涡流的形态旋转,因此其在管内的流动并非稳定的线性流动,所以试样长度不宜过长,管路冲刷过程中流体一般是线性流动,长试样可以使管内的流体状态较为平稳,故推荐使用较长试样。由于管路式试验设备需要将试样和试验管连接,对试样外径有一定要求,因此建议试样外径不小于30mm。

 

5.试验步骤

a、试验前将试样切割边缘用砂纸打磨去除毛刺。

b、用游标卡尺测量尺寸,计算试样内外表面积 S(保留 2 位小数)。

c、用乙醇、丙酮等有机试剂清洗试样,后用去离子水清洗,吹干后称量质量 m1,精确至 0.1mg。

d、将试样固定试样架上或安装在冲刷管路上。

e、按照下表中试验参数配制溶液、设置试验参数。

试验参数

 

f、启动设备开始试验。

g、达到规定试验时间时,试验停止。

h、取出试样,按 GB/T 16545 要求清洗腐蚀产物。

i、清洗吹干后称量质量 m2,精确至 0.1mg。

j、样品数量不少于 3 个

管道腐蚀

 

五、总结

以上便是本次铜及铜合金的海水冲刷腐蚀试验的全部内容介绍。我们在试验前一定要对试样进行必要的清洗,尽量避免使用会腐蚀试验区域或在试验区域产生保护膜的有机溶剂。在我国,使用铜合金管道和设备的船舶,很多不能保证所需的统一寿命,有的在船体设计的是25年服役周期,但是往往只有10余年的使用寿命。原因就是由于铜合金管道抗水流冲刷腐蚀性能差,经过6~8年使用,就出现大面积损坏现象,所以该海洋研究所设定的课题对于解决这方面的问题,极具指导价值的。

 

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