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钢管涂塑技术在船舶上的应用

船舶上的钢管遍及全船各个系统,一艘万吨级船舶的管系总长可达30km,根据不同功能,管系可分为四种基本类型:即海水管道;淡水管道;蒸汽和废气管道;燃料和油料管道。而各种类型的管道又具有内径不一,长短不同,走向各异,结构多样等特点。它们涉及到船体、主辅机及上层建筑等各个部分,起着保证船舶正常航行,保障船员和旅客生活、安全及其他多种功能。

担负着众多功能的复杂管系,所碰到的突出矛盾就是维修工作量相当大,约占全船总维修量的25%。而维修的根本原因是管道受腐蚀所引起的,特别是输送冷热海水的管道,腐蚀程度尤为严重。钢铁在海水中受腐蚀有物理因素和生物因素。海水温度越高,金属腐蚀速度越快。一般认为,海水温度每上升10℃,腐蚀速度将增加一倍。在海洋中,存在大量的浮游生物,生物附着于管壁,就会引起生物腐蚀。当船舶在海湾河口的环境中营运时,海水中的固体颗粒沉积在管壁上,因此出现由于磨粒磨损而引起的腐蚀现象。船舶腐蚀的原因较多,情况较严重。经测定,管壁腐蚀量每年在1~2mm之间,速度惊人,故非采取切实可行的防护措施不可。

为了解决钢管内壁的腐蚀问题,传统的防护措施是采用热镀锌处理方法,即将钢管、管件经过热浸镀锌处理,于其内、外壁形成一层锌膜。这层锌膜在海水中形成称为络化物的一层致密的保护层,它能暂时对钢管起着良好的保护作用。但从金属化学活泼性来分析,锌比铁活泼,必将优先参加化学反应。随着海水中各种因素的作用,此锌膜逐渐减薄,乃至完全消失,随后各种介质就自然地侵蚀管体本身,导致管壁层层腐蚀乃至完全烂穿。一般来说,船舶两年小修时部分镀锌管就要更换,最短的半年之内就要更换,使用最长也不过8年时间,因为8年为船舶大修期,所有镀锌管必须换新。为了延长钢管的使用寿命,船厂不得不采取增加管壁厚度再镀锌的补救措施。有些管道壁厚要加厚一档甚至几档规格,如壁厚为7mm的管壁甚至要加厚到20mm左右,为此带来的后果是既耗费钢材,又增加了船的自重,降低了船的营运能力。管子的寿命虽然相对延长一些,但经济成本却大大增加了。例如沪东船厂建造的36000吨级货船及江南造船厂建造的27000吨级客货船和700TEU集装箱船等,都碰到类似的情况。此外,热镀锌工艺本身落后,耗能严重,锌层质量难以控制,又有“三废”产生,破坏生态平衡,且有“锌爆”危险,损害了操作人员的身体健康。由此可见,船用钢管的防腐手段采用热镀锌工艺与其说是一个传统的措施,倒不如说是一个不得已的办法。

采用钢管涂塑工艺,是当今发达国家采用的先进技术。此项技术我国起步较晚,尤其是造船行业,几年之前还是一片空白。中国船舶工业总公司船舶工艺研究所于1985年成功地开发了钢管内壁涂塑技术,并通过了部级鉴定。经过几年的推广应用,此项目获得明显的经济效益与社会效益。钢管内壁涂塑系指在管壁(尤其是内壁)采用高分子粉末,涂敷一层均匀的塑料涂层,该涂层平整、光滑、坚固,能保持聚合物原有的物理、化学特性,与钢管的强度、刚度有机地优化组合成钢塑复合管—涂塑钢管,这种新型管道是输送多种介质的理想管道。

1、涂塑钢管的优点涂层附着力强,其粘结强度可达80MPa;涂层抗冲击性能好,冲击强度为SJ;涂层硬度高,其数值为ZH铅笔硬度;涂层表面绝缘性能好;涂层表面摩擦系数小;涂塑管耐腐蚀性能高;涂塑管耐结垢性能好;涂塑管无毒、无污染,涂层充分保证其基材与输送的介质隔离,既不让介质侵蚀基材,又不会使涂层中的化学成分污染介质;涂层与基材之间无应力存在,不会产生应力开裂;涂层厚度一般要求在0.5mm左右,不会因厚度太大而缩小管径,又能保证其使用寿命;钢管可以内、外壁同时涂塑,也可以单独内壁或外壁涂塑;除了直管可以涂塑之外,弯管也可以涂塑,乃至支管阀件、滤网、冷凝器盖等管件皆可涂塑;涂塑管直径可大可小,长度可长可短,一般管径范围为必25~600mm,最大长度为6m;涂塑管不但可用于输送酸、碱、盐等工业部门,还可以用于输送高纯水、自来水等医药卫生、城市供水系统等部门。

2、涂塑工艺的先进性衡量一项工艺水平的先进程度,应符合国内外所通用的“四E”原则,即经济(Eeonomy)、效果(Effieieney)、能源(Energy)、生态(Eeolo-gy)这四项原则,使其适应于优胜劣汰的自然规律。

(1)经济原则科学技术是第一生产力,生产力的发展需要先进的科学技术。首要的前提是视该技术是否确实具有经济效益。钢管涂塑是受用户极为欢迎的一项具有明显经济效益的新工艺,就涂塑管与热镀锌管的使用价值而言,据分析,船用热镀锌管20年期间需要更换两次,而涂塑管无需更换,使用涂塑钢管总体费用为热镀锌管的13/左右。

(2)效果原则涂塑钢管的使用效果极佳,尤其是耐海水腐蚀性,耐泥沙海水的磨损性大大优于热镀锌钢管与裸露钢管。根据日本第一高频株式会社企业标准,我们进行了下述涂塑管与镀锌管的耐海水加速腐蚀试验。试管—中n4x7mm的镀锌管和涂塑管;介质—3%NaCI人造海水;工况—介质流速3m/s,恒温60℃,10h、室温静止14h为一周期;时间—总共180周期;结果—镀锌管内镀锌层两周内冲刷殆尽,而涂塑管内塑料涂层6个月后无任何变化;结论—由数据分析得知:船用涂塑管的使用寿命为镀锌管的12倍,也就是说,涂塑管的使用年限为20年以上。从实船使用情况来看,涉及的船厂有:江南造船厂、沪东造船厂、中华造船厂、求新造船厂、东海船厂、渔轮修造厂、立丰船厂、立新船厂、广州造船厂及渤海石油平台等;涉及到的管系有海水冷却系统、舱底压载系统、消防系统、排污系统、油路系统、惰性气体发生器系统等,涂塑管的使用总重量达600多吨,船上使用时间最长的已超过9年。从海水泥沙磨损试验得知:试样—120x120mm无涂层碳钢板、镀锌钢板、涂塑钢板;介质—青岛夭然海水中添加5%海砂,海砂粒度为rZo~240目;工况—试件与海水相对流速为2.sm/s,水温为30℃,时间—试验周期为20.6d,连续运行;结果—无涂层裸露钢板呈严重的砂侵形态,腐蚀率达1.25mm/a;镀锌钢板仅仅是镀锌层代替了钢基体的腐蚀,腐蚀率为1.22mma/,涂塑钢板的腐蚀率为0.044mm/a;结论—涂塑钢材耐海水泥沙磨损性能良好,与镀锌钢板比较,其磨损程度还不到4%。

(3)能源原则能源消耗低又是涂塑工艺的一大优点,涂塑操作时所需温度一般为200℃左右,而热镀锌操作时所需温度要求达500℃以上,且要连续保温,所耗能量为热镀锌的16/。另以石油输送管线为例,使用涂塑管可降低能耗15%。

(4)生态原则新技术的采用对生态环境是否有影响至关重要,钢管涂塑工艺与热镀锌工艺比较,不会破坏生态平衡,不会影响操作人员的身体健康,完全符合生态原则。

3、建造出口船舶需要涂塑钢管近年来,外国船东在签订出口船的合同时,提出船用钢管要使用涂塑管,尤其是海水冷却系统等腐蚀最严重的部位更要安装涂塑钢管。否则,就得用铜镍等合金管或不锈钢管,阀件要用铜阀件代替,否则影响谈判和签约。像江南造船厂为广州海运局建造的65000吨级油船上的惰性气体发生器系统,按照国外图纸一定要使用涂塑管,如果进口涂塑管的话,仅仅150m长的管路就需5万美元,后来经我们涂塑加工,只需几千元人民币。

4、国内造船日益需求涂塑管涂塑钢管问世以后,普遍受到人们的关注。然而,新生事物的成长并非一帆风顺,得经过一定的过程才能取得人们的共识。从国外船用涂塑钢管的出现到外国船东提出对国内造船采用涂塑管的需求;从钢管涂塑工艺的问世到实船应用涂塑管的满意结果,这纵横交错的有利形势震动了造船界。船厂设计部门已经不满足于采用传统的热镀锌防护工艺了,对钢管涂塑这一新工艺普遍跃跃欲试并取得了突破,尝到了甜头。兴趣最高,直接得益者还是船东。因为一艘船的使用寿命期间内,无需因管道锈蚀而影响航行,既大大减少管道的维修量,又缩短了船的维修周期。最近,广州远洋公司委托一家船厂建造两艘63000吨级油船,船价已拍板,合同已签订,管道全部用镀锌管。在一个偶然的机会,船东得知我们能够加工涂塑钢管,经过一番调研论证后,在不变更船价的情况下,说服了船厂把多数管道换成涂塑管。虽然涂塑管的一次性投资稍高些,但船厂宁愿承受增加造船成本的负担而注重了社会效益,这对新技术的推广应用是一个有力的支持与促进。值得一提的是,涂塑钢管已经进入了大中型军舰,正为我国的海军事业作出贡献。