船舶腐蚀及防护33793PPT课件.ppt

船舶腐蚀与防护 江苏科技大学高延敏 1 目录 船舶腐蚀船舶涂料与存在的问题船舶防护技术难题船舶涂料检测与方法江苏科技大学研究情况与产品 2 一 船舶腐蝕現象 是業界必須面對的問題 二 避免或延緩船舶腐蝕是重要的技術課題 也是船東從洽談新船規範開始應重視的問題 三 除依賴船廠的技術外 船東更應吸取本身現成船的維修經驗 规划新船的防蝕措施 必要時可能追加合理的船價 四 法規目前僅關切嚴重影響船舶安全區域的腐蝕 五 有些防蝕措施 祗要在船舶建造階段稍加用心即可獲得效果 並不須花費太多成本 六 本文旨在介紹船舶可能遭遇的腐蝕 並提供一些防蝕的觀念 作為新船建造及日後船舶管理的參考 前言 3 腐蝕意義 一 腐蝕 Corrosion 金屬與周圍環境發生反應所造成的破壞現象 二 銹 Rust 鐵或鋼腐蝕的產物 三 防蝕 阻止腐蝕現象的發生 四 耐蝕性 指腐蝕速度緩慢 並非指不生腐蝕現象 4 依發生的原因分類 一般有以下4類 一 電化學腐蝕 ElectrochemicalCorrosion 二 化學腐蝕 ChemicalCorrosion 三 微生物腐蝕 MicrobialCorrosion 四 冲刷腐蝕 腐蝕分類 5 一 電化學腐蝕 ElectrochemicalCorrosion 1 必備條件 1 陽極 Anode 遭受腐蝕的金屬 2 陰極 Cathode 金屬或電子導體 提供還原反應的位置 3 電解質 Electrolyte 一般為水溶液 與陽極及陰極相接觸 以提供離子傳導的路徑 4 兩極之間電路 MetallicPath 為陽極及陰極間之電子傳導路徑 电化学腐蚀 6 电化学腐蚀 2 水溶液中加速腐蝕之因素 1 足量的氧氣 2 足量的水 3 足量的離子 4 兩極間電位 Potential 差大 如銅閥鐵座造成閥失效 5 陽極面積小 陰極面積大 6 兩極距離小 7 兩極間電阻小 如鋼板表面塗以漆膜 可增加其間電阻 8 電解質流速大 9 較高的溫度 10 較高的氣壓 7 电化学腐蚀 3 電化學腐蝕典型途徑 2 要件 a 陽極 Anode b 陰極 Cathode c 電解質 Electrolyte d 兩極之間電路 MetallicPath 3 加速腐蝕因素 a 足量 氧氣 水 離子 b 兩極之間 電位差大 距離小 電阻小 c 陽極面積小 陰極面積大 d 電解質流速大 e 較高 溫度 氣壓 8 海水约含3 5 NaCl是对钢铁腐蚀速度最大的浓度 船舶腐蚀部位 特点 海水 生物腐蚀 船舶的腐蚀部位 9 由于海水导电性好 腐蚀电池的欧姆电阻很小 因此异金属接触能造成阳极性金属发生显著的电偶腐蚀破坏 海水中含大量氯离子 容易造成金属钝态局部破坏 碳钢在海水中发生吸氧腐蚀 凡是使氧极限扩散电流密度增大的因素 如流速增大 都会使碳钢腐蚀速度增大 海洋环境的腐蚀分为几个区域 海洋大气区 飞溅区 潮汐区 全浸区和海泥区 海水腐蚀的特点 10 耐海水钢Mariner与碳钢的试验结果 九年暴露 美国 11 船舶和海洋设施的保护 1 材料低合金海水用钢与碳钢的比较 12 电化学腐蚀 4 電位 電勢 Potential 1 意義 金屬釋放電子的趨力 2 標準電勢序列或標準還原電位序列可解釋電化學 腐蝕 現象 若干金屬之電勢序列如下 釋放電子的難易程度 金 Au 鉑 Pt 銀 Ag 銅 Cu 鐵 Fe 鋅 Zn 鋁 Al 3 加凡尼序列 GalvanicSeries 較實用 但環境不同 各加凡尼系列順序亦不盡相同 例如在海水中若干常用金屬的加凡尼序列如下 金 鉑 銀 銅 黑皮 millscale 鐵 鋁 鋅 13 化学腐蚀 二 化學腐蝕 ChemicalCorrosion 金屬溶解於有機溶劑 熔融鹽液中 三 微生物腐蝕 MicrobialCorrosion 因細菌 黴菌 酵母等微生物的參與而衍生的局部腐蝕現象 1 海水壓載艙內存在硫酸根還原菌 SRB 時 可將硫酸鹽還原成硫化物 具黑色 臭蛋味 而加速鋼板的腐蝕 2 細菌存在貨油艙底的沈澱水中或壓水艙底的沈澱物內 四冲刷腐蝕 指金屬表面因介質相對速度而產生的金屬損耗 14 金屬腐蝕型態 以水為媒介或溫度高低來分 可為溼蝕及乾蝕兩種 一 溼蝕 1 全面腐蝕 GeneralorUniformCorrosion 2 局部腐蝕 LocalCorrosion 3 速度效果腐蝕 磨動腐蝕 沖蝕 空蝕 二 乾蝕 1 氧化 Oxidation 2 硫化 Sulphidizing 3 氫侵蝕 HydrogenAttack 或脫碳 Decarburizing 4 釩侵蝕 VanadiumAttack 5 硫酸露點腐蝕 DewpointCorrosionofSulfuricAcid 15 金屬腐蝕型態 一 溼蝕 金屬與水接觸情況下所產生的腐蝕1 全面腐蝕 GeneralorUniformCorrosion 金屬處在大氣 海水 酸液 或鹼類等侵蝕性環境中所受的全面性腐蝕 1 現象 鋁合金表面氧化皮膜 中間軸表面生銹等 2 碳鋼銹蝕率 可以0 1 0 2mm 年計 常溫海水中 3 航行中船舶 全面腐蝕 動力負荷而加速腐蝕 某3萬載重噸單船殼油輪航行24年後甲板出現大裂縫 經檢查斷裂附近甲板 發現其厚度 16mm 平均每年減少約0 17 0 38mm 最深處則每年可達0 46mm 16 金屬腐蝕型態 4 鋼板在不同成份大氣中的銹蝕 a 相對溼度 RH 在70 以下 形成見不到的氧化保護膜 b 空氣乾淨 RH達到99 銹蝕亦可忽視 c 鹽水的存在會加速銹蝕 因離子增加 5 鋼板表面有黑皮 millscale 腐蝕速度可達無黑皮者的數十倍 如約80倍 黑皮是鋼熱延壓加工時 從高溫急冷下過程中受到不完全氧化所形成 這層黑皮看似結實 實際上因有很多空隙存在 使得大氣中氧氣與水份很容易浸透而形成激烈腐蝕 17 金屬腐蝕型態 2 局部腐蝕 LocalCorrosion 金屬局部發生腐蝕的現象 1 異金屬接觸腐蝕 BimetallicorGalvanicCorrosion 2 脫合金腐蝕 Dealloyingcorrosion Selectiveleaching Parting 3 粒界腐蝕 IntergranularCorrosion 4 應力腐蝕 StressCorrosion 5 金屬離子濃淡電池 MetalIonConcentrationCell 6 間隙腐蝕 CreviceCorrosion depositattack 7 孔蝕 PittingCorrosion 8 腐蝕疲勞 CorrosionFatigue 9 氫損害 HydrogenDamage 10 弥散電流腐蝕 StrayCurrentCorrosion 18 金屬腐蝕型態 2 局部腐蝕 LocalCorrosion 1 異金屬接觸腐蝕 BimetallicorGalvanicCorrosion 金屬與另一金屬或導電非金屬以電路連接 且同浸在電解液中 產生電化作用 而使低電位金屬腐蝕 2 脫合金腐蝕 Dealloyingcorrosion Selectiveleaching Parting 合金中較活潑金屬成分易發生溶解 如黃銅 brass 脫鋅 dezincification 使得合金顏色由黃色變成帶有紫紅色 並使其機械性能減弱 且呈多孔性 19 金屬腐蝕型態 3 粒界腐蝕 IntergranularCorrosion 高溫下金屬產生滲碳 carburizing 或氮化 Nitriding 現象的結果 如沃斯田 含鉻鎳 不銹鋼在電銲熱影響區 HeatAffectedZone 內或於高溫下 如SUS304在425 870oC之間 徐冷後 其結晶粒界之鉻與碳 大部份沈積在晶粒界處 結合成鉻碳化物 其近鄰因缺乏鉻成分而易產生腐蝕 電銲所發生的粒界腐蝕亦可稱為銲接衰弱 welddecay 20 金屬腐蝕型態 4 應力腐蝕 StressCorrosion a 金屬局部受應力而變形 不僅破壞其表面保護膜 且受力部份變成陽極而產生腐蝕 稱為應力腐蝕 b 金屬受內 residual 應力或施加之外力 容許應力內 情況下 若放置於腐蝕環境中 則會產生裂傷 稱為應力腐蝕裂痕 Stress Corrosion Cracking SCC 21 金屬腐蝕型態 5 金屬離子濃淡電池 MetalIonConcentrationCell 同一金屬材料 局部離子密度不一而產生電位差 如水中轉盤邊緣較易生銹即是 22 金屬腐蝕型態 6 間隙腐蝕 CreviceCorrosion depositattack a 因位置狹窄使電解液流通不順 氧氣缺乏而生 即同一金屬材料局部氧含量不一致而產生電位差 電解液含氯離子時更易發生 不銹鋼及鋁合金亦會發生 兩片同質金屬間螺栓週遭較易生銹即是 b 改善方式 如 i 以電銲替代使用墊片 gaskets ii 避免尖銳邊緣 sharpedges iii 使用橡膠 rubber 或鐵弗龍 Teflon 為材質的墊圈 23 金屬腐蝕型態 7 孔蝕 PittingCorrosion a 原油輪貨艙底板 局部殘留海水及SRB菌而孔蝕 b 不銹鋼等鈍態型合金處在氯離子等侵蝕生成 常發生在表面孔穴或受損部位上 i 金屬表面之鈍態表層 如前船舶艉軸油封系統所使用不銹鋼襯套 liner 其表層氧化膜 Cr2O3 受外物 橡膠油封圈 sealingring 纏繞處會與海水中氯離子起作用而破損 導致其下層不銹鋼材遭受孔蝕 ii 賤金屬 basemetal 上之貴金屬 noblemetal 表層 可能導致賤金屬產生針孔 c 可以含鉬 MO 成份之不銹鋼 如SUS316一般用於舵軸襯套 取代SUS304 屬18 8不銹鋼 一般用 可降低孔蝕風險 24 金屬腐蝕型態 8 腐蝕疲勞 CorrosionFatigue 腐蝕環境中 金屬受到疲勞應力時 其疲勞強度會降低 更易加速產生疲勞破裂 9 氫損害 HydrogenDamage 在酸液中因氫原子侵入金屬內部而造成氫鼓泡 HydrogenBlistering 或脆裂的損害 10 迷散電流腐蝕 StrayCurrentCorrosion 船舶泊岸進行電銲修補作業 若使用直流電銲機且在陸上接地 不在船體接地 則發生迷散電流而使船體腐蝕 若使用交流銲機則損失遠較輕微 25 金屬腐蝕型態 3 冲刷效果腐蝕 金屬表面與接觸物質間的相對速度所產生 1 磨動腐蝕 FrettingCorrosion 金屬表面承受高負荷 因振動或微短距離滑動而產生 2 沖蝕 Erosion a 金屬表面與液體或氣體相互運動而生 因腐蝕生成物一直被沖走 而使得腐蝕更形加速 b 某巴拿馬級散裝船雙層底海水壓載艙 塗料為單層環氧柏油 Epoxy Tar 航行18年後檢查發現艙內大致良好 惟在海水管路出入口 BellMouth 下方底板 原厚度21mm 發現鐘形凹陷一處 直徑約100mm 中間厚度約僅剩4 5mm 平均蝕腐每年約0 9mm 可歸咎受海水沖蝕 26 金屬腐蝕型態 c 可能發生沖蝕的場合 如 i 管徑突然改變 ii 加上不當接頭或襯墊 使滑順金屬表面變得不順 iii 有間隙而使液體外洩 iv 沉積之腐蝕生成物干擾液體層流 laminarflow 3 空蝕 Cavitation 溶液流經金屬表面發生壓力變化時 在低壓處所產在的汽泡 至高壓處崩破衝撞金屬表面而致凹凸不平 若螺槳葉片設計不良即可能發生空蝕現象 導致葉片受損 效率降低 並產生振動 27 金屬腐蝕型態 二 乾蝕 在高溫環境中各種金屬雖不接觸水亦可能產生腐蝕現象 亦稱為高溫腐蝕 HighTemperatureCorrosion 1 氧化 Oxidation 金屬在高溫下和氧接觸而形成氧化物 2 硫化 Sulphidizing 金屬高溫下接觸含硫物而硫化腐蝕 3 氫侵蝕 HydrogenAttack 或脫碳 Decarburizing 含碳金屬高溫下與氫作用而生甲烷 造成金屬膨脹等傷害 28 金屬腐蝕型態 4 釩侵蝕 VanadiumAttack 1 又稱燃燒之高溫腐蝕 HighTemperatureCorrosion 燃燒時 燃油 釩 鈉 釩鈉化合物 在高溫下 約450 650oC 熔解氧化鐵而腐蝕 2 如活塞冠 PistonCrown 頂部發生燒陷現象 3 熔解溫度值受釩與鈉成份的比例影響甚大 一般較其黏著溫度 煙灰黏著在燃燒室壁上的溫度 高些 4 釩 納比率與黏著溫度的關係如圖12所示 29 金屬腐蝕型態 5 硫酸露點腐蝕 DewpointCorrosionofSulfuricAcid 1 又稱燃燒之低溫腐蝕 LowTemperatureCorrosion 燃燒中硫 氧 硫氧化物 硫氧化物 水份 水汽 硫酸 在露點 130 160oC左右 以下侵蝕金屬 2 特殊情況 出現在氣缸襯套 liner 內壁或節熱器蒸汽盤管上 3 露點高低視燃油含硫量及缸內含氧量而定 4 設計 如節熱器 避免此種腐蝕的下限溫度 一般設定在175oC 30 2020 1 8 31 船舶腐蚀造成的危害 32 管路的腐蚀 33 腐蚀穿孔 外形貌 腐蚀穿孔 内形貌 腐蚀产物膜微观形貌 腐蚀产物膜的化学成份分析 在船舱腐蚀的情况 34 是主用控制船体与舱室腐蚀的措施 用于船上的管路 与涂料联合控制腐蚀 船舶腐蚀的控制方法 35 防蝕方法 一般避免產生腐蝕的方法 一 被覆隔離保護層 Barrier 二 電化學防蝕 三 腐蝕抑制劑 CorrosionInhibitor 四 改用抗蝕金屬或合金 五 防蝕結構設計 36 防蝕方法 一 被覆隔離保護層 Barrier 可利用下列材料 以裏襯 lining 塗層 coating 或塗裝 painting 等方式來進行隔離保護 1 有機物 如環氧樹脂 油漆等 2 無機物 如琺瑯 耐蝕磚 陶瓷等 3 耐蝕金屬 如 不銹鋼包覆 clad 鋼材 熔融鋅電鍍 electroplated 鋼材 熱浸鍍鋅 hotdipgalvanized 鋼材 鋅熔射 thermalsprayed 塗層 4 銅 鋁棒MGPS 產生氫氧化鋁散佈在海水管內壁 37 防蝕方法 二 電化學防蝕1 陰極保護 CathodicProtection 1 犧牲陽極法 Galvanic SacrificialAnode 陽極 船舶外板加裝之鋅塊陰極 外板 保護對象 溶解鋅塊發出電流 保護外板 應計算所需陽極板的大小 數量 及分佈等 以發揮蝕的最高效果 2 強制電流法 ImpressedCurrent 船舶加裝ICCP系統 ImpressedCurrentCathodicProtectionSystem 陰極 外板 保護對象 陽極 加裝白金等不溶性電極陽極流出外供直流電流 保護外板 38 防蝕方法 2 陽極保護 AnodicProtection 以能鈍化的金屬為陽極 保護對象 加裝陰極金屬 外供直流電流將陽極表層鈍化 而達到陽極免受高侵蝕性電解液的腐蝕 39 防蝕方法 三 腐蝕抑制劑 缓蚀剂 CorrosionInhibitor 添加少量化學品於腐蝕環境中 以減低腐蝕速率 1 吸附型 AbsorptionInhibitor 抑制劑吸附於將腐蝕的金屬表面 以降低腐蝕反應 2 皮膜型 BarrierInhibitor 抑制劑與溶出的金屬離子反應 產生難腐蝕性皮膜 3 鈍化型 Passivator 即化學性之陽極防蝕 對會呈現鈍態的金屬添加具還原力之氧化劑 使保護物表層呈鈍態現象 40 防蝕方法 四 改用抗蝕金屬或合金 1 碳鋼改用不銹鋼 2 需電銲不銹鋼時 可使用低含碳量之不銹鋼 如SUS304L 或銲後熱處理等 以免產生粒界腐蝕 3 使用抗蝕鋼料 CRS 如原油輪貨艙底板為一般鋼料時 其孔蝕率可能達3 4mm 年 改用抗孔蝕鋼料後 孔蝕率可低至一般鋼料的1 5 41 防蝕方法 五 防蝕結構設計結構設計時 稍加留意 即可有效避免結構的潛在腐蝕威脅 以下提供若干以防蝕為主要考量的情境 作為參考 1 考量均勻腐蝕的容許量 a 如船舶設計決定鋼材結構尺寸時 一般均預留船舶使用年限內每年0 1mm的容許量 b 目前各船級協會規定 即CSR 2006 4 1開始簽約新建油輪與散裝船的鋼材尺寸結構 以營運25年為設計目標 依部位不同而留有不同的腐蝕留量 一般在2 4 5mm之間 特殊部位則大一些 42 防蝕方法 2 考量排水問題 消除金屬腐蝕的生成條件 如圖16 18 43 防蝕方法 3 保持乾燥 特別是在混凝土 吸水性 上固著金屬時 儘量將兩者隔開 如圖19 20 44 防蝕方法 4 避免構成腐蝕條件 如隔離異金屬或電解質的接觸 45 防蝕方法 5 避免構造性縫隙 減少發生間隙腐蝕的機會 如圖26 6 考慮銲接位置 因銲接部位易產生腐蝕 因此其接頭儘量避免位於潮溼等利於構成電化學效應的環境 46 防蝕方法 7 考慮殘留內應力部位的位置 金屬承受內應力的地方易生腐蝕 因此應避免該部位處於易構成電化學效應的環境 如圖28 8 注意溫度的傳導 避免水汽凝結成水的機會 如圖29 47 防蝕方法 9 避免因液體濃縮 造成其附著金屬產生高腐蝕 如圖30 31 48 防蝕方法 10 避免產生磨動腐蝕 沖蝕 及空蝕等現象 如 a 兩金屬之間使用潤滑劑 以減少磨動腐蝕 b 妥善設計螺槳 避免在葉片範圍內發生空蝕現象 在物件發生空蝕部位預先覆蓋耐撞擊材料等 C 降低流速 避免紊流或衝擊等設計 以減少沖蝕 如圖32 49 防蝕方法 11 考慮未來保養方便 預留保養空間 如圖33 12 結構上減少開孔 以成型型鋼 rolledprofile 取代銲接型鋼 built upprofile 以利塗裝效果 13 修飾最終表面 使表面呈現光滑 除有安全及美觀上的好處外 亦可確保防蝕措施的效果 50 法規對防蝕的要求 1 法規對船舶防蝕 著重於船舶安全 2 船舶安全相關法規 最重要的有 1 國際海上人命安全公約 SOLAS 2 船級協會規範 51 法規對防蝕的要求 3 與防蝕相關的其他國際環保公約 1 國際船舶資源回收公約 SRConvention 油漆可能含有的危害性物質 TBT 三丁鍚 PCB 多氯聯苯 Cd 鎘 Cr 鉻 Pb 鉛 Hg 汞 As 砷 Ni 鎳 Cu 銅 Zn 鋅 2 國際控管壓艙水與沉澱物公約 BWM 消毒壓艙水的煤介 可能優化腐蝕的環境 如臭氧 氯 52 法規對防蝕的要求 一 SOLAS的規定1 第II 1 3 2規則 PSPC要求的法源 1 本規則適用於 a 總噸位 500所有船舶的專用海水壓載艙 及 b 船長 150m以上散裝船的雙層舷側空間 2 適用新船 2008 7 1以後簽約者 或2009 1 1以後安放龍骨 無合約時 者 或2012 7 1以後交船者 3 符合MSC 215 82 決議案 保護塗層性能標準 要求 並將本防護塗層系統的保養列入整體船舶保養方案中 主管機關應驗證其有效性 在船舶的生命期間 53 法規對防蝕的要求 4 1998 7 1以後建造而為上述 1 以外的油輪及散裝輪 其專用海水壓載艙適用MSC 47 66 修正案的II 1 3 2規定 a 專用海水壓載艙應有類似硬質保護塗層 Hardprotectivecoatings 防蝕系統 塗層顏色最好為淺色 b 該系統之選擇 應用及維持方案 註1 須經主管機關認可 以IMO所採納準則 註2 為藍本 註1 國際船級協會聯合會 IACS 對SOLAS規則第II 1 3 2條的解釋 SC122 中 列有上述塗裝系統選擇 應用及維持方案應有的最少內容 註2 該準則詳國際海事組織 IMO 的A 798 19 決議案 專用海水壓載艙防蝕系統之選擇 應用及維持準則 54 法規對防蝕的要求 2 第II 1 3 11規則 原油艙PSPC要求的法源 1 本規則適用於 原油輪 5 000載重噸的貨油艙 2012 1 1開始生效 2 適用新船 2013 1 1以後簽約者 或2013 7 1以後安放龍骨 無合約時 者 或2016 1 1以後交船者 55 法規對防蝕的要求 3 符合MSC 288 87 決議案 原油輪貨艙保護塗層性能標準 a 保護處 貨艙船底板及高0 3m 貨艙頂及至下