船舶的腐蝕與防護

船舶的腐蝕與防護船舶上材料保護研究進展和軋制氧化皮縫隙所暴露出的鐵，在電解質溶液下形成腐蝕電池，結果腐蝕沿縫隙在軋制氧化皮下擴展，最后氧化皮帶著表面的涂層一起脫落[3]。2．機械作用腐蝕。機械作用的腐蝕包括腐蝕作用和機械磨損，二者相互加速[4]。其中包括沖擊腐蝕，這是由于液體湍流或沖擊所造成；空泡腐蝕，高速流動的液體，因不規則流動，產生空泡，形成“水錘作用”，常常破壞金屬表面的保護膜，加速腐蝕作用，如螺旋槳、泵軸等處易發生；微振磨損腐蝕，兩個緊接著的表面相互振動而引起的磨捐；應力腐蝕開裂，在拉伸應力和腐蝕介質作用下的金屬腐蝕破壞，金屬內會產生沿晶或穿晶的裂紋[5]。3．生物腐蝕。生物腐蝕是由海洋生物的船底附著物引起的，這種腐蝕包括化學腐蝕和電化學腐蝕兩種[6]。由于海洋生物在船底的附著，破壞了漆膜，造成鋼板局部電化學腐蝕；由于微生物的新陳代謝作用，分泌出具有侵蝕性的物質以及其他有機酸和無機酸引起鋼板的腐蝕作用等[7]。4．由于光照、溫度、化學介質、磨損或機械損傷等原因引起的破壞。光照會使涂層老化、粉化；過高的溫度以致超過高聚物所能承受的極限溫度時會出現發軟或龜裂、熔化等問題；化學介質會使涂層溶脹或溶解、脆化等；機械損傷會造成涂層破裂[8]。5．介質滲透后使涂層下金屬表面發生電化學腐蝕所引起的破壞。當漆膜有電解質透過后，發生了電化學腐蝕[9]，會使漆膜下呈堿性，當漆膜不耐堿時，就會對涂膜造成破壞。水的滲透使涂層體積增加所引起的破壞。有些涂層在水的浸泡過程中因吸收水分使體積增加而產生內應力，這時，在任何粘附得較差的點上的涂層就會脫離金屬并隆起成泡[10]。二、船舶腐蝕防護措施船舶的防護直接關系到船舶的使用壽命和航行安全。船舶的防護包括合理選材、表面保護、陰極保護，船舶電力系統的保護，船舶防護智能系統。1合理選材材料的選擇是我們首選要考慮的，好的選材能為我們的防腐帶來很大的便利。船舶的選材要考慮很多，要考慮其力學性能、熱性能、密度、防腐性能等。現在越來越多的新材料被應用到船舶上。這些新材料有：碳素鋼、合金鋼、復合材料等。韓國普泰有限公司研發的發泡鋁已經應用到船舶的實際生產中。發泡鋁是種十分輕的金屬[11]。將鋁錠熔解，經過發泡過程后，即形成比重為0.2具有無數氣孔的發泡鋁。和鐵7.85的比重相比不過才1／40。所以這對于滿足汽車，列車，輪船等使用輕型材料的要求綽綽有余。發泡鋁除了輕量化以外還有其他非凡特性。首先由于發泡鋁擁有很多的氣孔結構，所以具有吸收噪音的性能。而且，由于發泡鋁為多層結構，所以能夠充分吸收外界爆炸，抗擊等能量的抗沖擊性能。且使用后可以將發泡鋁進行熔解，100％可再使用。由于發泡鋁諸多優秀的特性，所以現止在廣泛應用于建筑，國防，機械，原子能，交通運輸等產業領域。船舶中應用的發泡鋁產品大致可分為3種。第一種，發泡鋁本身。主要安裝于船舶的機艙壁和頂棚．進行吸音用。需要的話，將發泡鋁和不燃聚氨酯泡沫復合．從源頭上切斷發動機向船體各部位傳播的震動。第二種．是將發泡鋁和薄型大理石相復合的‘發泡鋁大理石復合板’產品[12]。游艇售價較高，從游艇使用者期望的內部裝飾產品中天然大理石的重量和加工層面而言，會降低船舶的性能。第三種，環保型夾心復合扳。即發泡鋁兩面復合鋁板作為高級船舶的地扳材料，船艙艙壁．頂棚材料等使用的板材。大部分的高級船舶現在均使用內部填充玻璃棉或者礦棉，兩面復臺鐵板的復合板材。2表面保護表面保護主要是表面涂上一層保護膜。目前，船舶涂料的品種有：水線涂料、船殼涂料、甲板涂料、油艙涂料、飲水艙涂料、壓載水艙涂料、防污涂料等。船舶用防腐蝕涂料的防蝕機理：(1)涂膜對腐蝕介質的屏蔽作用。當涂料在金屬表面形成連續的涂膜以后，可以將金屬和腐蝕介質隔離開。根據電化學腐蝕原理，如果能完全將腐蝕介質、氧氣隔離，不和金屬接觸，就可以避免金屬的腐蝕[13]。(2)涂膜的陰極保護作用。有機高分子聚合物一般都是絕緣體，如果在成膜物質中加入能成為犧牲陽極材料的金屬顏料，當金屬顏料和金屬表面直接接觸，有腐蝕介質滲入后，金屬顏料被腐蝕，可以保護金屬。例如富鋅底漆中的顏料為金屬鋅的粉末，將其涂刷在鋼板上時，鋅可作為犧牲陽極[14]。(3)涂料的陽極鈍化和緩蝕作用在涂料中含有水溶性顏料，當水滲入涂膜后，顏料溶解會起到緩蝕作用，或使金屬表面鈍化的作用。多層防腐蝕涂膜的構成(1)底漆。底漆和金屬表面直接接觸，故底漆應具有以下特點：①和金屬表面的結合力好，具有很好的潤濕性；②含有陰極保護性顏料或陽極緩蝕性顏料；eq\o\ac(○,3)底漆的成膜物質具有很好的屏蔽作用，阻止腐蝕介質的滲透[15]。(2)中間層漆。中間層漆起著連接底漆和面漆的作用。(3)面漆。面漆是阻擋腐蝕介質的第一步，因此使用面漆時要注意以下要求。①根據腐蝕環境選擇不同性質的面漆，例如船舶的面漆要具有防海洋氣候的性能；②為減少孔隙度，最后一層面漆使用不含顏料的清漆，可獲得致密的涂膜；③針對不同的要求，使用特殊功能的面漆。例如，船舶底部為防止因海洋生物的附著而造成的腐蝕，使用防污漆。下表是現在典型的船舶用涂料[16]。現在有很多人在研究新型船舶用涂料。山西華海精細化工研究所科研人員經過長期探索研究，成功研制了一種納米環保液體防腐涂料，并已獲得國家發明專利(專利號為ZL03100894．1)，目前已投入批量生產，是有望成為替代當前熱鍍鋅工藝的最佳產品[17]。本產品是由新型高分子聚合物組成的：有著優異性能的IPN(即互穿聚合物網絡)和可再生原材料。在生產和使用過程中沒有三廢排放，涂層耐酸、堿、鹽，附著力強，硬度高，耐候性能優良，施工操作簡便，成本低，耗能低。是目前國內有望替代熱鍍鋅工藝的最佳新型材料。所研制的水性防火涂料，在艦船上已開始應用，是一個良好的開端。青島海洋化工研究院研制的船舶用水性瀝青漆，前兩年已有報道[18]。歐美龍（南通）重防腐涂料有限公司申請的專利：船舶壓載艙防腐無溶劑環氧涂料改性添加劑及改性環氧涂料。其所述添加劑組分及用量如下：聚異丁烯30~35wt%、酚醛環氧樹脂20~25wt%、石油樹脂40~50wt%。本發明所提出的添加劑具有降低無溶劑環氧涂料的粘度，漆膜韌性較之現有技術有很大的提高，添加涂料的耐陰極剝離性能及附著力。可以作為無溶劑涂料的添加劑使用[19]。3．陰極保護技術對于船舶中與海水直接接觸的部位，采用比鋼鐵的電極電位更低的金屬或合金與鋼鐵船體電性連接，使其在整體上成為陰極；或給鋼鐵船體不斷地加上一個與鋼鐵腐蝕時產生的腐蝕電流方向相反的直流電，同樣可使其在整體上成為陰極，并且得到極化，便可使鋼鐵船體免受腐蝕，即得到保護，對于這樣的保護措施，稱之為船舶的陰極保護。對于船舶的陰極保護來說，主要有犧牲陽極保護和外加電流保護兩種[20]。(1)犧牲陽極保護技術犧牲陽極陰極保護技術是通過在船體外表面安裝充當陽極的被犧牲掉的金屬塊，以保護作為陰極的船體鋼板不被腐蝕。犧牲陽極陰極保護是船舶浸水部分最有效的、應用廣泛的方法之一，所采用的陽極材料電化學性能的好壞是犧牲陽極陰極保護水平的技術關鍵。目前，船體使用的犧牲陽極有鋅—鋁—鎘三元合金(稱為三元鋅犧牲陽極)、高效鋁合金陽極、鐵合金陽極等[21]。渤船重工有限責任公司的張樹琴提出的使用鎂犧牲陽極進行陰極保護，是一種更有效更經濟的防止金屬腐蝕的方法。華僑大學所發明的鋼鐵表面化學鍍鎳-鋅-磷鍍層具有非晶態結構，外觀層暗灰色，平滑致密，鍍層與基體鋼鐵結合力強。而且鍍液穩定性高，沉積速度較快（可達3.0mg·cm-2·h-1），所得鍍層鋅含量13.0～30.0原子百分比（at％），磷含量10.0～19.0at%。本發明的化學鍍液體系由于使用了硼酸(一種緩沖劑)，可提高鍍層中鋅的含量和大幅度提高該鍍層的沉積速率，此鍍層能使鋼鐵在海洋性環境下具有優異的抗腐蝕性能。鎳-鋅-磷鍍層在3.5％（重量百分比wt%）氯化鈉溶液中比鋼鐵開路電位更負一些，因此該鍍層相對于鋼鐵為陽極鍍層，保護鋼鐵的機理為犧牲陽極的陰極保護法。浸泡實驗表明，該鍍層在海洋性環境中不生銹、不起鋅鍍層引起的“白霜”，累計失重不超過0.6mg·cm-2(一個月)，抗海洋性環境腐蝕強，是一種理想的代替鎘鍍層。并且本發明還對鍍層進行鈍化和封閉處理，經過鈍化處理和封閉處理后的鍍層，浸泡在3.5wt％氯化鈉溶液中不生銹，不起鋅鍍層引起的“白霜”，累計失重不超過0.4mg·cm-2（六個月），進一步提高了其耐腐蝕性能。中國海洋還發明了一種可調式犧牲陽極陰極保護法及所用的裝置。其特征在于將一種絕緣屏蔽套安裝在被保護體金屬1和金屬2連接處，將參比電極安裝在被保護體金屬1和金屬2連接處，將犧牲陽極一端的引出導線與可調電阻R、標準電阻和被保護體串聯；用參比電極和毫伏計實時測量被保護體金屬1與金屬2連接處的電位；改變換向開關K的位置由毫伏計測量標準電阻Rs兩端的電壓，通過可調電阻R進行調整陽極發出電流，以控制被保護體保護效果和被保護體金屬1和金屬2連接處的電位。本發明可以適當控制被保護體的保護效果和不同金屬連接處的保護電位；能實時監測被保護體的狀況；屏蔽套能擴大異種金屬材料之間的電位梯度；并可預測犧牲陽極的使用壽命[22]。(2)外加電流保護技術外加電流陰極保護技術是將犧牲陽極保護中的犧牲陽極塊更換成只起導電作用而不溶解的輔助陽極，在陽極和鋼板之間加一直流電源，并通過海水構成回路。電源向鋼板輸入保護電流，使鋼板成為陰極而得到保護[23]。該外加電流保護系統由恒電位儀也就是外加電源、參比電極、不溶性輔助陽極構成。整個系統使船體電位始終保持在保護電位范圍內。外加電流保護技術越來越多地應用于船舶殼體的腐蝕保護，其優點是設計保護壽命長、電位、電流可調節性強，但目前仍存在可靠性和經濟性較差等缺點，未來的發展趨勢是通過在恒電位儀的可靠性、輔助陽極的排流量、參比電極的長期穩定性等方面的改進，提高外加電流系統的可靠性和降低保護費用，并進一步延長保護年限。4防腐監測技術船體的防腐蝕監測的內容包括兩個方面：一是船體腐蝕狀況監測：另一個是船體腐蝕防護效果監測。這類監測技術有船體陰極保護狀態監測(船體電位監測)、船體腐蝕狀況監測(超聲波測厚技術測量船體鋼板平均厚度，x射線或超聲波腐蝕測試儀，鋼板表面腐蝕坑深度監測)、水下電視監測系統(船體水下腐蝕及污垢狀況監測)、熱波成像檢測系統等[24]。趙艷霞，李云飛，張文鋒等研究的遠程防腐監測系統。其基本原理如下：與其它遠程監測系統相似，防腐遠程監測系統實質上是一套集數據采集、傳輸、接收、顯示和處理于一體的綜合系統，其實現的效果是將傳統人工采集、記錄、處理、遞送和歸檔陰極保護數據的過程通過電子信息系統來實現。具體來說，防腐遠程監測系統包括數據采集系統、數據傳輸系統、監控終端和輔助支持系統。其原理如下圖所示[25]。三幾種防腐方法的比較：比較幾種防腐方法。合理選材能起到很好地防腐作用，但是新材料的開發是一個長期的過程，而且能綜合滿足各種功能的材料比較難找。表面保護雖然能起到很好地保護作用，但涂層經一段時間會由于各種原因發生破壞，所以要做好日常保養和監測。陰極保護技術也是一個比較有用的方法，但由于現在的船體越來越大，結構也越來越復雜，所以陰極保護的問題也越來越多，所以要根據實際情況調整保護方法。防腐監測技術是一個輔助技術，能很好地發現腐蝕的狀況，以便及時修整。在實際應用中，這幾種方法要綜合使用，同時要加大新材料的開發力度。參考文獻：[1]WanHG，GaosM，PengQs．VirtualAssemblyInACAVEEnvironment[A]．In：ProceedingsoftheSeventhInternationalConferenceonComputerAidedDesignandComputerGraphics[C]．Kunming：InternationalAcademicPublishers，2001：552—557．[2]BallingerHJ，RicherM，SeidelKA．VirtualAssemblyPlanning[J]．HumanFactors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