船舶的腐蝕與防護(hù)

船舶的腐蝕與防護(hù)船舶上材料保護(hù)研究進(jìn)展和軋制氧化皮縫隙所暴露出的鐵，在電解質(zhì)溶液下形成腐蝕電池，結(jié)果腐蝕沿縫隙在軋制氧化皮下擴(kuò)展，最后氧化皮帶著表面的涂層一起脫落[3]。2．機(jī)械作用腐蝕。機(jī)械作用的腐蝕包括腐蝕作用和機(jī)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(dòng)的液體，因不規(guī)則流動(dòng)，產(chǎn)生空泡，形成“水錘作用”，常常破壞金屬表面的保護(hù)膜，加速腐蝕作用，如螺旋槳、泵軸等處易發(fā)生；微振磨損腐蝕，兩個(gè)緊接著的表面相互振動(dòng)而引起的磨捐；應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，在拉伸應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)作用下的金屬腐蝕破壞，金屬內(nèi)會(huì)產(chǎn)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(xué)腐蝕和電化學(xué)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(xué)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(zhì)以及其他有機(jī)酸和無(wú)機(jī)酸引起鋼板的腐蝕作用等[7]。4．由于光照、溫度、化學(xué)介質(zhì)、磨損或機(jī)械損傷等原因引起的破壞。光照會(huì)使涂層老化、粉化；過(guò)高的溫度以致超過(guò)高聚物所能承受的極限溫度時(shí)會(huì)出現(xiàn)發(fā)軟或龜裂、熔化等問(wèn)題；化學(xué)介質(zhì)會(huì)使涂層溶脹或溶解、脆化等；機(jī)械損傷會(huì)造成涂層破裂[8]。5．介質(zhì)滲透后使涂層下金屬表面發(fā)生電化學(xué)腐蝕所引起的破壞。當(dāng)漆膜有電解質(zhì)透過(guò)后，發(fā)生了電化學(xué)腐蝕[9]，會(huì)使漆膜下呈堿性，當(dāng)漆膜不耐堿時(shí)，就會(huì)對(duì)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(guò)程中因吸收水分使體積增加而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，這時(shí)，在任何粘附得較差的點(diǎn)上的涂層就會(huì)脫離金屬并隆起成泡[10]。二、船舶腐蝕防護(hù)措施船舶的防護(hù)直接關(guān)系到船舶的使用壽命和航行安全。船舶的防護(hù)包括合理選材、表面保護(hù)、陰極保護(hù)，船舶電力系統(tǒng)的保護(hù)，船舶防護(hù)智能系統(tǒng)。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(lái)很大的便利。船舶的選材要考慮很多，要考慮其力學(xué)性能、熱性能、密度、防腐性能等?，F(xiàn)在越來(lái)越多的新材料被應(yīng)用到船舶上。這些新材料有：碳素鋼、合金鋼、復(fù)合材料等。韓國(guó)普泰有限公司研發(fā)的發(fā)泡鋁已經(jīng)應(yīng)用到船舶的實(shí)際生產(chǎn)中。發(fā)泡鋁是種十分輕的金屬[11]。將鋁錠熔解，經(jīng)過(guò)發(fā)泡過(guò)程后，即形成比重為0.2具有無(wú)數(shù)氣孔的發(fā)泡鋁。和鐵7.85的比重相比不過(guò)才1／40。所以這對(duì)于滿(mǎn)足汽車(chē)，列車(chē)，輪船等使用輕型材料的要求綽綽有余。發(fā)泡鋁除了輕量化以外還有其他非凡特性。首先由于發(fā)泡鋁擁有很多的氣孔結(jié)構(gòu)，所以具有吸收噪音的性能。而且，由于發(fā)泡鋁為多層結(jié)構(gòu)，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(fā)泡鋁進(jìn)行熔解，100％可再使用。由于發(fā)泡鋁諸多優(yōu)秀的特性，所以現(xiàn)止在廣泛應(yīng)用于建筑，國(guó)防，機(jī)械，原子能，交通運(yùn)輸?shù)犬a(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。船舶中應(yīng)用的發(fā)泡鋁產(chǎn)品大致可分為3種。第一種，發(fā)泡鋁本身。主要安裝于船舶的機(jī)艙壁和頂棚．進(jìn)行吸音用。需要的話，將發(fā)泡鋁和不燃聚氨酯泡沫復(fù)合．從源頭上切斷發(fā)動(dòng)機(jī)向船體各部位傳播的震動(dòng)。第二種．是將發(fā)泡鋁和薄型大理石相復(fù)合的‘發(fā)泡鋁大理石復(fù)合板’產(chǎn)品[12]。游艇售價(jià)較高，從游艇使用者期望的內(nèi)部裝飾產(chǎn)品中天然大理石的重量和加工層面而言，會(huì)降低船舶的性能。第三種，環(huán)保型夾心復(fù)合扳。即發(fā)泡鋁兩面復(fù)合鋁板作為高級(jí)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(jí)船舶現(xiàn)在均使用內(nèi)部填充玻璃棉或者礦棉，兩面復(fù)臺(tái)鐵板的復(fù)合板材。2表面保護(hù)表面保護(hù)主要是表面涂上一層保護(hù)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(jī)理：(1)涂膜對(duì)腐蝕介質(zhì)的屏蔽作用。當(dāng)涂料在金屬表面形成連續(xù)的涂膜以后，可以將金屬和腐蝕介質(zhì)隔離開(kāi)。根據(jù)電化學(xué)腐蝕原理，如果能完全將腐蝕介質(zhì)、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(hù)作用。有機(jī)高分子聚合物一般都是絕緣體，如果在成膜物質(zhì)中加入能成為犧牲陽(yáng)極材料的金屬顏料，當(dāng)金屬顏料和金屬表面直接接觸，有腐蝕介質(zhì)滲入后，金屬顏料被腐蝕，可以保護(hù)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(shí)，鋅可作為犧牲陽(yáng)極[14]。(3)涂料的陽(yáng)極鈍化和緩蝕作用在涂料中含有水溶性顏料，當(dāng)水滲入涂膜后，顏料溶解會(huì)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(gòu)成(1)底漆。底漆和金屬表面直接接觸，故底漆應(yīng)具有以下特點(diǎn)：①和金屬表面的結(jié)合力好，具有很好的潤(rùn)濕性；②含有陰極保護(hù)性顏料或陽(yáng)極緩蝕性顏料；eq\o\ac(○,3)底漆的成膜物質(zhì)具有很好的屏蔽作用，阻止腐蝕介質(zhì)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(zhì)的第一步，因此使用面漆時(shí)要注意以下要求。①根據(jù)腐蝕環(huán)境選擇不同性質(zhì)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(duì)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(xiàn)在典型的船舶用涂料[16]?，F(xiàn)在有很多人在研究新型船舶用涂料。山西華海精細(xì)化工研究所科研人員經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期探索研究，成功研制了一種納米環(huán)保液體防腐涂料，并已獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利(專(zhuān)利號(hào)為ZL03100894．1)，目前已投入批量生產(chǎn)，是有望成為替代當(dāng)前熱鍍鋅工藝的最佳產(chǎn)品[17]。本產(chǎn)品是由新型高分子聚合物組成的：有著優(yōu)異性能的IPN(即互穿聚合物網(wǎng)絡(luò))和可再生原材料。在生產(chǎn)和使用過(guò)程中沒(méi)有三廢排放，涂層耐酸、堿、鹽，附著力強(qiáng)，硬度高，耐候性能優(yōu)良，施工操作簡(jiǎn)便，成本低，耗能低。是目前國(guó)內(nèi)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(kāi)始應(yīng)用，是一個(gè)良好的開(kāi)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(bào)道[18]。歐美龍（南通）重防腐涂料有限公司申請(qǐng)的專(zhuān)利：船舶壓載艙防腐無(wú)溶劑環(huán)氧涂料改性添加劑及改性環(huán)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(huán)氧樹(shù)脂20~25wt%、石油樹(shù)脂40~50wt%。本發(fā)明所提出的添加劑具有降低無(wú)溶劑環(huán)氧涂料的粘度，漆膜韌性較之現(xiàn)有技術(shù)有很大的提高，添加涂料的耐陰極剝離性能及附著力?？梢宰鳛闊o(wú)溶劑涂料的添加劑使用[19]。3．陰極保護(hù)技術(shù)對(duì)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(gè)與鋼鐵腐蝕時(shí)產(chǎn)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(hù)，對(duì)于這樣的保護(hù)措施，稱(chēng)之為船舶的陰極保護(hù)。對(duì)于船舶的陰極保護(hù)來(lái)說(shuō)，主要有犧牲陽(yáng)極保護(hù)和外加電流保護(hù)兩種[20]。(1)犧牲陽(yáng)極保護(hù)技術(shù)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)是通過(guò)在船體外表面安裝充當(dāng)陽(yáng)極的被犧牲掉的金屬塊，以保護(hù)作為陰極的船體鋼板不被腐蝕。犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)是船舶浸水部分最有效的、應(yīng)用廣泛的方法之一，所采用的陽(yáng)極材料電化學(xué)性能的好壞是犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)水平的技術(shù)關(guān)鍵。目前，船體使用的犧牲陽(yáng)極有鋅—鋁—鎘三元合金(稱(chēng)為三元鋅犧牲陽(yáng)極)、高效鋁合金陽(yáng)極、鐵合金陽(yáng)極等[21]。渤船重工有限責(zé)任公司的張樹(shù)琴提出的使用鎂犧牲陽(yáng)極進(jìn)行陰極保護(hù)，是一種更有效更經(jīng)濟(jì)的防止金屬腐蝕的方法。華僑大學(xué)所發(fā)明的鋼鐵表面化學(xué)鍍鎳-鋅-磷鍍層具有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，外觀層暗灰色，平滑致密，鍍層與基體鋼鐵結(jié)合力強(qiáng)。而且鍍液穩(wěn)定性高，沉積速度較快（可達(dá)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(fā)明的化學(xué)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(huán)境下具有優(yōu)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(kāi)路電位更負(fù)一些，因此該鍍層相對(duì)于鋼鐵為陽(yáng)極鍍層，保護(hù)鋼鐵的機(jī)理為犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法。浸泡實(shí)驗(yàn)表明，該鍍層在海洋性環(huán)境中不生銹、不起鋅鍍層引起的“白霜”，累計(jì)失重不超過(guò)0.6mg·cm-2(一個(gè)月)，抗海洋性環(huán)境腐蝕強(qiáng)，是一種理想的代替鎘鍍層。并且本發(fā)明還對(duì)鍍層進(jìn)行鈍化和封閉處理，經(jīng)過(guò)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(jì)失重不超過(guò)0.4mg·cm-2（六個(gè)月），進(jìn)一步提高了其耐腐蝕性能。中國(guó)海洋還發(fā)明了一種可調(diào)式犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)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(hù)體金屬1和金屬2連接處，將參比電極安裝在被保護(hù)體金屬1和金屬2連接處，將犧牲陽(yáng)極一端的引出導(dǎo)線與可調(diào)電阻R、標(biāo)準(zhǔn)電阻和被保護(hù)體串聯(lián)；用參比電極和毫伏計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量被保護(hù)體金屬1與金屬2連接處的電位；改變換向開(kāi)關(guān)K的位置由毫伏計(jì)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電阻Rs兩端的電壓，通過(guò)可調(diào)電阻R進(jìn)行調(diào)整陽(yáng)極發(fā)出電流，以控制被保護(hù)體保護(hù)效果和被保護(hù)體金屬1和金屬2連接處的電位。本發(fā)明可以適當(dāng)控制被保護(hù)體的保護(hù)效果和不同金屬連接處的保護(hù)電位；能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被保護(hù)體的狀況；屏蔽套能擴(kuò)大異種金屬材料之間的電位梯度；并可預(yù)測(cè)犧牲陽(yáng)極的使用壽命[22]。(2)外加電流保護(hù)技術(shù)外加電流陰極保護(hù)技術(shù)是將犧牲陽(yáng)極保護(hù)中的犧牲陽(yáng)極塊更換成只起導(dǎo)電作用而不溶解的輔助陽(yáng)極，在陽(yáng)極和鋼板之間加一直流電源，并通過(guò)海水構(gòu)成回路。電源向鋼板輸入保護(hù)電流，使鋼板成為陰極而得到保護(hù)[23]。該外加電流保護(hù)系統(tǒng)由恒電位儀也就是外加電源、參比電極、不溶性輔助陽(yáng)極構(gòu)成。整個(gè)系統(tǒng)使船體電位始終保持在保護(hù)電位范圍內(nèi)。外加電流保護(hù)技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于船舶殼體的腐蝕保護(hù)，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)保護(hù)壽命長(zhǎng)、電位、電流可調(diào)節(jié)性強(qiáng)，但目前仍存在可靠性和經(jīng)濟(jì)性較差等缺點(diǎn)，未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是通過(guò)在恒電位儀的可靠性、輔助陽(yáng)極的排流量、參比電極的長(zhǎng)期穩(wěn)定性等方面的改進(jìn)，提高外加電流系統(tǒng)的可靠性和降低保護(hù)費(fèi)用，并進(jìn)一步延長(zhǎng)保護(hù)年限。4防腐監(jiān)測(cè)技術(shù)船體的防腐蝕監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括兩個(gè)方面：一是船體腐蝕狀況監(jiān)測(cè)：另一個(gè)是船體腐蝕防護(hù)效果監(jiān)測(cè)。這類(lèi)監(jiān)測(cè)技術(shù)有船體陰極保護(hù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)(船體電位監(jiān)測(cè))、船體腐蝕狀況監(jiān)測(cè)(超聲波測(cè)厚技術(shù)測(cè)量船體鋼板平均厚度，x射線或超聲波腐蝕測(cè)試儀，鋼板表面腐蝕坑深度監(jiān)測(cè))、水下電視監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(船體水下腐蝕及污垢狀況監(jiān)測(cè))、熱波成像檢測(cè)系統(tǒng)等[24]。趙艷霞，李云飛，張文鋒等研究的遠(yuǎn)程防腐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其基本原理如下：與其它遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相似，防腐遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一套集數(shù)據(jù)采集、傳輸、接收、顯示和處理于一體的綜合系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)的效果是將傳統(tǒng)人工采集、記錄、處理、遞送和歸檔陰極保護(hù)數(shù)據(jù)的過(guò)程通過(guò)電子信息系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體來(lái)說(shuō)，防腐遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、監(jiān)控終端和輔助支持系統(tǒng)。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(kāi)發(fā)是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，而且能綜合滿(mǎn)足各種功能的材料比較難找。表面保護(hù)雖然能起到很好地保護(hù)作用，但涂層經(jīng)一段時(shí)間會(huì)由于各種原因發(fā)生破壞，所以要做好日常保養(yǎng)和監(jiān)測(cè)。陰極保護(hù)技術(shù)也是一個(gè)比較有用的方法，但由于現(xiàn)在的船體越來(lái)越大，結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜，所以陰極保護(hù)的問(wèn)題也越來(lái)越多，所以要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整保護(hù)方法。防腐監(jiān)測(cè)技術(shù)是一個(gè)輔助技術(shù)，能很好地發(fā)現(xiàn)腐蝕的狀況，以便及時(shí)修整。在實(shí)際應(yīng)用中，這幾種方法要綜合使用，同時(shí)要加大新材料的開(kāi)發(fā)力度。參考文獻(xiàn)：[1]WanHG，GaosM，PengQs．VirtualAssemblyInACAVEEnvironment[A]．In：ProceedingsoftheSeventhInternationalConferenceonComputerAidedDesignandComputerGraphics[C]．Kunming：InternationalAcademicPublishers，2001：552—557．[2]BallingerHJ，RicherM，SeidelKA．VirtualAssemblyPlanning[J]．HumanFactorsandErgonomicsInManufracturing，2000，10(3)：331—341．[3]陳定方，羅亞波．虛擬設(shè)計(jì)[M]．機(jī)械工業(yè)出版社，2002．[4]劉振宇，譚建榮．面向過(guò)程的虛擬環(huán)境中產(chǎn)品裝配建模研究[J]．2004，40(3)：93—99．[5]許友林，姚智剛，熊玲．船舶防腐蝕技術(shù)應(yīng)用及其發(fā)展．中國(guó)修船，2008(6)：17—19．[6]谷旭東．船體的腐蝕與保養(yǎng).中國(guó)修船，2003(5)：40—41．[7]李婭娟．船舶腐蝕防護(hù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)．大連：大連海事大學(xué)2007：13-21．[8]SorenHill．Seawater—solublepigmentsandtheirpotentialuseinselfpolishingantifoulingpaints：simulation—basedscreeningt001．ProgressinOrganicCoatings，2002(45)：423—434．[9]王丙玲，邊洪村,王曉麗，等．海水消毒凈化技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用．海岸工程，2001，20(3)，65—68．[10]BTWaterman，BDaphne，SSieverseta1．Bioassaysandselectedchemicalanalysisofbiocide—freeantifoulingcoatings．Chemosphere.2005,(60)：1530—1541．．[11]JGrantBurgess，eta1．Thedevelopmentofmarinenatureproductbasedantifoulingpaint.2003(19supplement)：197—205．[12]BurkardWatermann．AlternativeAntifoulingTechniquesPresentandFuture．ww．1imnomar．de／download／DHZ-GJH一1997．pdf．[13]Hans-Curt，eta1．Antifoulingstrategiesintechnicalsystem-ashortreview．Wat．Sci．Tech．V01．34，1996。No．5-6：517—524．[14]LolinJEvans．OrganicCompoundinModernTechnology：135—174．[15]顏東洲，賈成功．防污涂料的應(yīng)用和技木進(jìn)展．化工科技市場(chǎng)，2002，25(12)：21—24．[16]Watts，JamesL．AntifoulingCoatingCompositionContainingCapsaicin．USPatent，5397385．1995．3．14．[17]吳笠宇，李建新．抗海洋生物污染漁網(wǎng)．中國(guó)專(zhuān)利，ZL03100894．1[18]RobertFBradyJr．Afracturemechanicalanalysisoffoulingreleasef