船舶的腐蚀与防护

上材料保护研究进展作者姓名卜祥星专业班级材研1302指导教师姓名乔宁学号摘要：船舶海上腐蚀是影响其寿命的最大因素之一。因腐蚀导致结构损坏和破坏,严重影响船舶性能和安全。本文介绍了当前船舶防腐蚀技术措施的实际应用情况。探讨在船体防腐蚀新技术的发展情况，如船体防腐涂料技术、防腐涂装技术、阴极保护功能和涂膜结合技术、防腐蚀监测新技术等方面的新技术应用。关键词：船舶，防腐蚀新技术，阴极保护，防腐蚀检测ABSTRACT:Theshipsmarinecorrosionisoneofthebiggestfactorsthataffectitslifespan,ThestructuredamageandthedestructioncausedbycorrodesaffectstheshipsperformaneeandsecurityseriouslyThisarticleintroducesthepracticalapplicationsituationofthecurrentshipscorrosionpreventingtechnologyandmethods，discussesthedevelopmentsituationofnewhullanticorrosiontechnologyandnewtechnologyapplication，suchasthehullancorrosionpaintingtechnology，theanticorrosionpaintingandcamouflagetechnology，thecathodeprotectionfunctionandthepaintingfilmcombinationtechnology，thenewanticorrosionmonitortechnologyandsoonKeywords:ship,newtechnologyofcorrosionprotection,catholicprotection,corrosiontest目前，大多数船舶都采用金属外壳。而金属在海洋环境中，受海水温度、海水含盐度、海洋大气温度、海洋大气湿度的影响，腐蚀程度很严重，腐蚀不仅降低了船舶钢结构的强度，缩短了船舶的使用寿命，同时还会使航行阻力增加，航速降低，影响使用性能。更为严重的是，一旦出现穿孔或开裂，还会导致海损事故的发生，造成惊人的损失2。这已引起国内外防腐专家的极大关注，并积极研究探索解决金属腐蚀的各种防护技术方法和措施。一、船舶腐蚀的类型及产生原因船舶腐蚀发生的原因主要有以下几种：1船体在初次涂装时由于其表面处理不干净，存在残碱、残盐、残存氧化皮或锈斑等而引起的破坏作用。残碱对金属有较大的亲和势，即使在涂覆涂层后，它还能自发的沿着涂层与金属界面扩展而破坏涂层与金属表面的粘附；残盐与通过涂层渗透进来的水分子发生水解和受氧分子的作用生成不溶性产物，此物质与金属形成腐蚀电池，体积不断增大，使涂膜破坏；残存氧化皮在介质发生渗透时，轧制氧化皮和轧制氧化皮缝隙所暴露出的铁，在电解质溶液下形成腐蚀电池，结果腐蚀沿缝隙在轧制氧化皮下扩展，最后氧化皮带着表面的涂层一起脱落3。2机械作用腐蚀。机械作用的腐蚀包括腐蚀作用和机械磨损，二者相互加速4。其中包括冲击腐蚀，这是由于液体湍流或冲击所造成；空泡腐蚀，高速流动的液体，因不规则流动，产生空泡，形成“水锤作用”，常常破坏金属表面的保护膜，加速腐蚀作用，如螺旋桨、泵轴等处易发生；微振磨损腐蚀，两个紧接着的表面相互振动而引起的磨捐；应力腐蚀开裂，在拉伸应力和腐蚀介质作用下的金属腐蚀破坏，金属内会产生沿晶或穿晶的裂纹5。3生物腐蚀。生物腐蚀是由海洋生物的船底附着物引起的，这种腐蚀包括化学腐蚀和电化学腐蚀两种6。由于海洋生物在船底的附着，破坏了漆膜，造成钢板局部电化学腐蚀；由于微生物的新陈代谢作用，分泌出具有侵蚀性的物质以及其他有机酸和无机酸引起钢板的腐蚀作用等7。4由于光照、温度、化学介质、磨损或机械损伤等原因引起的破坏。光照会使涂层老化、粉化；过高的温度以致超过高聚物所能承受的极限温度时会出现发软或龟裂、熔化等问题；化学介质会使涂层溶胀或溶解、脆化等；机械损伤会造成涂层破裂8。5介质渗透后使涂层下金属表面发生电化学腐蚀所引起的破坏。当漆膜有电解质透过后，发生了电化学腐蚀9，会使漆膜下呈碱性，当漆膜不耐碱时，就会对涂膜造成破坏。水的渗透使涂层体积增加所引起的破坏。有些涂层在水的浸泡过程中因吸收水分使体积增加而产生内应力，这时，在任何粘附得较差的点上的涂层就会脱离金属并隆起成泡10。二、船舶腐蚀防护措施船舶的防护直接关系到船舶的使用寿命和航行安全。船舶的防护包括合理选材、表面保护、阴极保护，船舶电力系统的保护，船舶防护智能系统。1合理选材材料的选择是我们首选要考虑的，好的选材能为我们的防腐带来很大的便利。船舶的选材要考虑很多，要考虑其力学性能、热性能、密度、防腐性能等。现在越来越多的新材料被应用到船舶上。这些新材料有：碳素钢、合金钢、复合材料等。韩国普泰有限公司研发的发泡铝已经应用到船舶的实际生产中。发泡铝是种十分轻的金属11。将铝锭熔解，经过发泡过程后，即形成比重为具有无数气孔的发泡铝。和铁7.85的比重相比不过才140。所以这对于满足汽车，列车，轮船等使用轻型材料的要求绰绰有余。发泡铝除了轻量化以外还有其他非凡特性。首先由于发泡铝拥有很多的气孔结构，所以具有吸收噪音的性能。而且，由于发泡铝为多层结构，所以能够充分吸收外界爆炸，抗击等能量的抗冲击性能。且使用后可以将发泡铝进行熔解，100可再使用。由于发泡铝诸多优秀的特性，所以现止在广泛应用于建筑，国防，机械，原子能，交通运输等产业领域。船舶中应用的发泡铝产品大致可分为3种。第一种，发泡铝本身。主要安装于船舶的机舱壁和顶棚进行吸音用。需要的话，将发泡铝和不燃聚氨酯泡沫复合从源头上切断发动机向船体各部位传播的震动。第二种是将发泡铝和薄型大理石相复合的发泡铝大理石复合板产品12。游艇售价较高，从游艇使用者期望的内部装饰产品中天然大理石的重量和加工层面而言，会降低船舶的性能。第三种，环保型夹心复合扳。即发泡铝两面复合铝板作为高级船舶的地扳材料，船舱舱壁顶棚材料等使用的板材。大部分的高级船舶现在均使用内部填充玻璃棉或者矿棉，两面复台铁板的复合板材。2表面保护表面保护主要是表面涂上一层保护膜。目前，船舶涂料的品种有：水线涂料、船壳涂料、甲板涂料、油舱涂料、饮水舱涂料、压载水舱涂料、防污涂料等。船舶用防腐蚀涂料的防蚀机理：(1)涂膜对腐蚀介质的屏蔽作用。当涂料在金属表面形成连续的涂膜以后，可以将金属和腐蚀介质隔离开。根据电化学腐蚀原理，如果能完全将腐蚀介质、氧气隔离，不和金属接触，就可以避免金属的腐蚀13。(2)涂膜的阴极保护作用。有机高分子聚合物一般都是绝缘体，如果在成膜物质中加入能成为牺牲阳极材料的金属颜料，当金属颜料和金属表面直接接触，有腐蚀介质渗入后，金属颜料被腐蚀，可以保护金属。例如富锌底漆中的颜料为金属锌的粉末，将其涂刷在钢板上时，锌可作为牺牲阳极14。(1) (3)涂料的阳极钝化和缓蚀作用在涂料中含有水溶性颜料，当水渗入涂膜后，颜料溶解会起到缓蚀作用，或使金属表面钝化的作用。多层防腐蚀涂膜的构成底漆。底漆和金属表面直接接触，故底漆应具有以下特点：和金属表面的结合力好，具有很好的润湿性；含有阴极保护性颜料或阳极缓蚀性颜料；底漆的成膜物质具有很好的屏蔽作用，阻止腐蚀介质的渗透中间层漆。中间层漆起着连接底漆和面漆的作用。(2) 面漆。面漆是阻挡腐蚀介质的第一步，因此使用面漆时要注意以下要求。根据腐蚀环境选择不同性质的面漆，例如船舶的面漆要具有防海洋气候的性能；为减少孔隙度，最后一层面漆使用不含颜料的清漆，可获得致密的涂膜；针对不同的要求，使用特殊功能的面漆。例如，船舶底部为防止因海洋生物的附着而造成的腐蚀，使用防污漆。下表是现在典型的船舶用涂料16。现在有很多人在研究新型船舶用涂料。山西华海精细化工研究所科研人员经过长期探索研究，成功研制了一种纳米环保液体防腐涂料，并已获得国家发明专利(专利号为ZL031008941)，目前已投入批量生产，是有望成为替代当前热镀锌工艺的最佳产品17。本产品是由新型高分子聚合物组成的：有着优异性能的IPN(即互穿聚合物网络)和可再生原材料。在生产和使用过程中没有三废排放，涂层耐酸、碱、盐，附着力强，硬度高，耐候性能优良，施工操作简便，成本低，耗能低。是目前国内有望替代热镀锌工艺的最佳新型材料。所研制的水性防火涂料，在舰船上已开始应用，是一个良好的开端。青岛海洋化工研究院研制的船舶用水性沥青漆，前两年已有报道18。欧美龙(南通)重防腐涂料有限公司申请的专利：船舶压载舱防腐无溶剂环氧涂料改性添加剂及改性环氧涂料。其所述添加剂组分及用量如下：聚异丁烯3035wt%酚醛环氧树脂2025wt%石油树脂4050wt%本发明所提出的添加剂具有降低无溶剂环氧涂料的粘度，漆膜韧性较之现有技术有很大的提高，添加涂料的耐阴极剥离性能及附着力。可以作为无溶剂涂料的添加剂使用19。3阴极保护技术对于船舶中与海水直接接触的部位，采用比钢铁的电极电位更低的金属或合金与钢铁船体电性连接，使其在整体上成为阴极；或给钢铁船体不断地加上一个与钢铁腐蚀时产生的腐蚀电流方向相反的直流电，同样可使其在整体上成为阴极，并且得到极化，便可使钢铁船体免受腐蚀，即得到保护，对于这样的保护措施，称之为船舶的阴极保护。对于船舶的阴极保护来说，主要有牺牲阳极保护和外加电流保护两种20。(1)牺牲阳极保护技术牺牲阳极阴极保护技术是通过在船体外表面安装充当阳极的被牺牲掉的金属块，以保护作为阴极的船体钢板不被腐蚀。牺牲阳极阴极保护是船舶浸水部分最有效的、应用广泛的方法之一，所采用的阳极材料电化学性能的好坏是牺牲阳极阴极保护水平的技术关键。目前，船体使用的牺牲阳极有锌铝镉三元合金（称为三元锌牺牲阳极）、高效铝合金阳极、铁合金阳极等21。渤船重工有限责任公司的张树琴提出的使用镁牺牲阳极进行阴极保护，是一种更有效更经济的防止金属腐蚀的方法。华侨大学所发明的钢铁表面化学镀镍-锌-磷镀层具有非晶态结构，外观层暗灰色，平滑致密，镀层与基体钢铁结合力强。而且镀液稳定性高，沉积速度较快（可达mg-cm-2h-1）,所得镀层锌含量原子百分比（at%）,磷含量%本发明的化学镀液体系由于使用了硼酸（一种缓冲剂），可提高镀层中锌的含量和大幅度提高该镀层的沉积速率，此镀层能使钢铁在海洋性环境下具有优异的抗腐蚀性能。镍-锌-磷镀层在（重量百分比wt%）氯化钠溶液中比钢铁开路电位更负一些，因此该镀层相对于钢铁为阳极镀层，保护钢铁的机理为牺牲阳极的阴极保护法。浸泡实验表明，该镀层在海洋性环境中不生锈、不起锌镀层引起的“白霜”，累计失重不超过mgcm-2（一个月）,抗海洋性环境腐蚀强，是一种理想的代替镉镀层。并且本发明还对镀层进行钝化和封闭处理，经过钝化处理和封闭处理后的镀层，浸泡在%氯化钠溶液中不生锈，不起锌镀层引起的“白霜”，累计失重不超过mg-cm-2（六个月），进一步提高了其耐腐蚀性能。中国海洋还发明了一种可调式牺牲阳极阴极保护法及所用的装置。其特征在于将一种绝缘屏蔽套安装在被保护体金属1和金属2连接处，将参比电极安装在被保护体金属1和金属2连接处，将牺牲阳极一端的引出导线与可调电阻R、标准电阻和被保护体串联；用参比电极和毫伏计实时测量被保护体金属1与金属2连接处的电位；改变换向开关K的位置由毫伏计测量标准电阻Rs两端的电压，通过可调电阻R进行调整阳极发出电流，以控制被保护体保护效果和被保护体金属1和金属2连接处的电位。本发明可以适当控制被保护体的保护效果和不同金属连接处的保护电位；能实时监测被保护体的状况；屏蔽套能扩大异种金属材料之间的电位梯度；并可预测牺牲阳极的使用寿命22。（2）外加电流保护技术外加电流阴极保护技术是将牺牲阳极保护中的牺牲阳极块更换成只起导电作用而不溶解的辅助阳极，在阳极和钢板之间加一直流电源，并通过海水构成回路。电源向钢板输入保护电流，使钢板成为阴极而得到保护23。该外加电流保护系统由恒电位仪也就是外加电源、参比电极、不溶性辅助阳极构成。整个系统使船体电位始终保持在保护电位范围内。外加电流保护技术越来越多地应用于船舶壳体的腐蚀保护，其优点是设计保护寿命长、电位、电流可调节性强，但目前仍存在可靠性和经济性较差等缺点，未来的发展趋势是通过在恒电位仪的可靠性、辅助阳极的排流量、参比电极的长期稳定性等方面的改进，提高外加电流系统的可靠性和降低保护费用，并进一步延长保护年限。4防腐监测技术船体的防腐蚀监测的内容包括两个方面：一是船体腐蚀状况监测：另一个是船体腐蚀防护效果监测。这类监测技术有船体阴极保护状态监测（船体电位监测）、船体腐蚀状况监测（超声波测厚技术测量船体钢板平均厚度，x射线或超声波腐蚀测试仪，钢板表面腐蚀坑深度监测）、水下电视监测系统（船体水下腐蚀及污垢状况监测）、热波成像检测系统等24。赵艳霞，李云飞，张文锋等研究的远程防腐监测系统。其基本原理如下：与其它远程监测系统相似，防腐远程监测系统实质上是一套集数据采集、传输、接收、显示和处理于一体的综合系统，其实现的效果是将传统人工采集、记录、处理、递送和归档阴极保护数据的过程通过电子信息系统来实现。具体来说，防腐远程监测系统包括数据采集系统、数据传输系统、监控终端和辅助支持系统。其原理如下图所示25。三几种防腐方法的比较：比较几种防腐方法。合理选材能起到很好地防腐作用，但是新材料的开发是一个长期的过程，而且能综合满足各种功能的材料比较难找。表面保护虽然能起到很好地保护作用，但涂层经一段时间会由于各种原因发生破坏，所以要做好日常保养和监测。阴极保护技术也是一个比较有用的方法，但由于现在的船体越来越大，结构也越来越复杂，所以阴极保护的问题也越来越多，所以要根据实际情况调整保护方法。防腐监测技术是一个辅助技术，能很好地发现腐蚀的状况，以便及时修整。在实际应用中，这几种方法要综合使用，同时要加大新材料的开发力度。参考文献：WanHG，GaosM，PengQsVirtualAssemblyInACAVEEnvironmentAIn：ProceedingsoftheSeventhInternationalConferenceonComputerAidedDesignandComputerGraphicsCKunming：InternationalAcademicPublishers，2001：1 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