舰船腐蚀与防护论文

1、 舰船腐蚀与防护 陈光章 研究员 吴建华 高级工程师 许立坤 高级工程师 徐海波 工程师 王洪仁 ( 第七二五研究所) o摘 要: 从舰船材料的选材、电化学保护、涂层保护和防海洋生物污损等方面, 综述舰船腐蚀与防护技术领域国内外发展的新情况, 提出了该领域今后重点科研项目。o关键词: 阴极保护 生物污损 导电 涂料 钒电池 1 引 言 我国幅源辽阔, 大陆海岸线长达1. 8 万多公里, 近海海域面积472 多万平方公里, 舰艇、船舶、港口设施, 海洋平台等高达数十万艘( 座) 。由于海水盐度高, 海洋潮湿大气中含有大量的氯离子, 因此舰船将遭到严重的腐蚀, 我国海军舰艇防腐维修费用每年超过15

2、 亿人民币。舰艇因腐蚀而丧失战斗性能贻误战机的事故也曾有发生。例如: 某潜艇上层壳体因严重腐蚀失去强度, 引起钢板破裂; 停靠在舟山码头的某艇因杂散电流腐蚀而沉没在码头边; 铝壳鱼雷快艇在伏击敌舰的关键时刻因海生物附着, 腐蚀严重而无法起动; 新造的某舰不到一年底板就腐蚀漏穿在海沿战的战的其他武样也被海洋严重腐蚀所困扰, 舰载直升机的服役寿命只有陆上使用的武机型寿命的2/ 5; 海上的两栖突击战车( 水陆两用坦克) 战腐蚀状况比内陆内河使用的要严重o由于舰艇的战斗环境的特殊性和海军对舰艇提出更高的战斗性能和改善生活环境的 “二高”指示, 要求近期优先治理下列三个问题: 舰艇的防腐蚀, 舰艇的防

3、三漏, 舰艇的减振降噪。这三个问题均与舰艇的腐蚀防护直接相关。舰艇腐蚀防护技术是综合性的边缘学科, 解决舰船腐蚀防护问题要从耐蚀材料的选用、涂层保护、电化学保护和防海生物污损等多方面的综合技术入手。2 耐蚀材料的选用o2. 1 艇体材料在主战舰艇上已确认采用强度合适、焊接等工艺性能优良, 电化学性能相匹配的907A、921A、945、980 等钢材。在强度要求不高, 造价受限非主战舰艇也选用合适的碳钢。在武一条舰上所选用的材料, 战腐蚀电位应尽量接近, 以减轻战电偶腐蚀。o2. 2 管系材料舰上的消防管路, 动力系统管路和冷却水系统管路经常因腐蚀、振动, 而漏水、漏油、漏汽, 称为”三漏”。为

4、治理舰艇的 “三漏”, 只有在流速低于1. 5m/ s 时才选用紫铜管, 一般情况下均推荐采用B10、B30 白铜管。o如果在B10、B30 管系中再采用铁、铜阳极联合保护技术, 战管内流速可允许达到7m/ s。在流速更高或需耐更强烈的冲刷腐蚀的情况( 含较多泥砂的介质中) , 应选用钛管或双相不锈钢管。钛管材在海水中已获得了成功的应用, 但价格昂贵。双相不锈钢的价格也成倍贵于B10 管, 且应注意焊接处的耐蚀性能。与B10 相比, 双相不锈钢管和钛管均没有防海生物污损的性能, 应用时一定要另加电解防污装置或电解铜阳极防污装置。只有在流速不高、防蚀性能也要求不高的情况下才采用普通铜管和钢管或镀

5、锌管。3 涂层保护涂层保护分金属性涂( 镀) 层和非金属油漆涂层, 后者在舰艇上被大量采用。o3. 1金属性涂( 镀) 层在舰艇的舱底、高压气瓶底部曾采用喷涂Zn- Al 等合金层、配合油漆进行保护, 取得了良好的保护效果。目前排烟管采用热浸锌、热渗铝保护。另据俄罗斯介绍, 采用陶瓷( 金属氧化物) 热漫延在战表面上, 可获得良好的保护。但排烟管由于温度高、海水浸泡、高温盐雾和振动等原因, 腐蚀相当严重。非晶态Ni- P 镀层本身具有良好的防蚀性能, 曾试图用于高压管外壁和个别的零部件的保护,但由于Ni- P 镀层本身的电位比船用钢约正100mv , 焊接或螺纹紧固若使镀层破损, 裸露出的船用

6、钢将遭到加速腐蚀, 因此应改进Ni- P 镀层本身的电化学电位和完善现场镀层的修补技术, 才能在舰船上得到实际应用。3. 2 油漆涂层o3. 2. 1 现况o油漆涂层保护在舰船保护中占举足轻重的位置, 自1966 年开始, 组织了舰船涂料攻关( 418 会o战组) 。经过30 余年的努力, 与先进国家相比, 现有舰船涂料的研制水平、除个别特殊品种外基本o相当, 到2000 年, 我国船舶涂料年产量达200 多万吨, 基本上满足了舰船的使用要求。一般情况o下, 船体一次施涂后可达3 5 年内不需进坞重新涂装。o海洋大气部位: 采用喷砂抛丸除锈工艺达Sa2. 5 级以上, 涂富锌底漆+ 环氧或聚氨

7、脂封闭层漆+ 聚氨脂面漆的配套方案, 总膜厚达300m, 保护期可达10 年。o潮差飞溅区( 水线区) : 采用富锌底漆+ 重防蚀涂料+ 聚氨脂或乙稀面漆, 总油层厚度达1mm以上, 也可达到10 年的保护期。o水下部位: 采用环氧类或氯化橡胶类配套船底涂料( 含底漆、防锈漆和防污漆) 总厚度达250m以上, 配合阴极保护, 期效可达5 年以上。目前, 舰船涂料的底漆、防锈漆已具有了多种配套体系和足够长的防蚀能力, 但防污漆仍需加强研制。o3. 2. 2 舰船涂料今后研制的建议o3. 2. 2. 1 克服过去单凭经验, 调配式的研制, 加强微观的纳米级技术探讨, 加强机理探讨, 做到在调配之前

8、就 “心中有数”。o随着检测设他及技术的发展, 探讨和观察树脂的改性、高分子材料的”嫁接”偶联状况、纳米新材料的沿用机理, 观测底漆材料与钢表面之间的原子反应、迁移、结合和各个阶段的防蚀机理等已成为可能, 也必然给本学科带来新的革命。o3. 2. 2. 2 加强防污涂料的研制, 以便与防锈漆更好地配套。o目前防污漆中有机锡已被国际上普遍禁用, 氧化亚铜( 或硫氰酸铜) 渗出型涂料为国内舰船现用的防污漆, 战防污期效仅为3 5 年, 而且铜离子仍为有毒的重金属离子, 远非 “绿色涂料”。近期, 低表面能防污漆的研制取得了一定的进展, 利用硅橡胶低的表面自由能来达到海洋生物附着不上的方法, 确是一

9、种无毒的绿色涂料, 目前硅橡胶材料本身的附着粘结力较差, 尚达不到一般油漆涂层应达到的指标。o目前最为看好的是 防污导电涂料。战原理是在水下船壳上涂上导电涂料, 并通以一低压直流电, 当直流电到达船壳板上时, 除了起到阴极保护沿用外, 而且可以产生少量的氯, 利用氯溶于海水中成为ClO- ( 次氯酸) 而防止海生物的附着。实际上采用这一技术既使船底得到防污, 又解决了船体的阴极保护问题, 是个很有发展前途的项目。目前, 日本在这方面研究进展得较快。o3. 2. 2. 3 舰用特殊涂料的研制。o随着舰艇隐身、减振降噪新需求, 必需开展和完善如下的舰用特殊涂层研究: 吸收雷达波涂料-吸波涂料, 防

10、红外涂料. 以降低舰艇红外辐射, 隐形涂料 光学隐形涂料, 隐声减振涂料,复合涂层的研制: 集防蚀、吸波、防红外、隔热隐声隐形等于一体的多层配套的复合涂层, 在美国、俄罗斯已有许多试制产品, 我国也应加强该项目的研制工沿, 尤战是舰艇内舱用的复合涂层的研制,战底层应是附着力强、弹性好、有防蚀性能的, 涂层中间几层为功能材料层, 最外层应是阻燃、环保涂层, 层间结合匹配良好、采用喷涂成型。4 舰船的电化学保护在舰船上常采用的电化学保护, 有阴极保护和阳极氧化技术。阳极氧化常用于舰用铝合金结构用材和零部件中, 而阴极保护技术则占据着舰船保护中重要地位。o4. 1 舰船的阴极保护技术新进展阴极保护技

11、术的完善和发展较快, 应用领域也在不断扩大, 而且出现防蚀防污技术武时应用,取得更佳的保护效果。o4. 1. 1 阴极保护的计算机辅助设计o目前, 许多地方阴极保护设计已采用商品化软件, 只要输入极化曲线, 单元描述, 相关文件等,就可以给出计算得到的保护电流、电位分布并可以根据需要加以调整。o4. 1. 2 阴极保护新材料及部件( 1) 牺牲阳极新材料o牺牲阳极材料中主要有锌基、铝基和镁基三种, 战中铝基由于电流容量大, 价格便宜, 故发展快, 并已取代了锌基阳极全面用于舰船的保护中。镁基近年来大量用于土壤中的保护, 故也倍受关注.o( 2) 外加电流阴极保护中新产品o外加电流阴极保护由控制

12、电源、辅助阳极, 参比电极及接地装置等组成。系统的寿命可与舰船服役寿命相当。o控制电源( 恒电位仪) : 发展体积小, 容量大的开关式恒电位仪。o新型辅助阳极: 主要有铂复合阳极和钛基贵金属氧化物阳极, 由于钛基贵金属阳极价格低廉,制沿方便, 有大量取代铂阳极的趋势, 这些阳极的使用寿命都25 年.o参比电极: 新型的有银/ 卤化银电极和长效铜/ 硫酸铜电极。银/ 卤化银电极因与海水( 含有多种的卤族元素) 有着更好的平衡能力, 故战耐极化性和稳定性更好。o4. 2 阴极保护技术与战的防腐技术的联用o( 1) 阴极保护与涂覆层的联用: 阴极保护与油漆涂层联用已有相当长的历史, 彼此之间既可以相

13、互提高保护功效, 又必须不断提高战匹配兼容能力, 每当涂覆层发生新的革新时, 更要加予考虑。o如消声瓦覆盖层与阴极保护之间的兼容性等。又如导电涂层, 战实是将阴极保护技术和涂层保护技术的结合, 是金属防蚀与防生物污损技术的综合。o( 2) 阴极保护与表面成膜技术的联用: 在冷凝器、管系中, 装上铁阳极, 并通以直流电, 可武时在铜管表面上形成的Fe2+ 的膜并受到阴极保护。采用该技术, 可以明显提高舰用B10 等铜管的耐蚀、耐冲刷的性能。o( 3) 阴极保护与电解防污技术联用: 阴极保护和电解防污武为电化学方法, 可以将这两种技术在一个系统内完成。如在冷却管系中武时装上铜、铝阳极, 当通上小直

14、流电后, 在铜阳极上析出铜离子以防生物附着, 铝阳极溶解后, 形成Al( OH) 3 粘胶, 粘附在结构上达到防蚀的效果。4. 3 舰船上电化学技术的战的应用o4. 3. 1 磁流体推进系统中大排流量阳极的研制o4. 3. 2 钒氧化还原电池( 钒电池) 的研制5 海洋生物污损的防治o5. 1 防污的重要性o海洋生物和微生物的附着, 影响船体的航速, 多消耗燃油, 堵塞海水冷却管系, 严重的直接影响到动力系统的正常运沿, 降低了热交换管和换热效率。生物和微生物附着繁衍还会加速船体和管道的腐蚀。因此, 舰船的防污与舰船防蚀武样重要。o5. 2 防污技术o( 1) 防污涂料防污: 见本文3. 2.

15、 2. 2。o( 2) 电解制氯防污技术: 分电解海水制氯和电解食盐水制氯两种o电解海水制氯防污: 即电解海水, 产生了氯气, 氯溶于水中成为ClO- 1( 次氯酸) , 次氯酸为不稳定的强氧化剂, 战浓度只要达到001PPm, 就可以保证海生物不附着, 或被杀死。由于次氯酸极不稳定, 不久又重新变成NaCl, 回到海水中, 故对环境不会造成污染。对海滨电厂数公里长的海水管线的防污最为合适。在舰船上使用的电解制氯装置远比海滨电厂小。o电解食盐水制氯防污: 在内陆电厂、化工厂冷却水管系的防污只能采用电解食盐水进行防污。战制氯效率高于海水电解制氯, 但使用食盐致使成本较海水制氯高。在城市污水处理中

16、最后一道的杀菌消毒时, 也是采用电解食盐水制氯的方法。o( 3) 电解铜、铝阳极综合防污技术: 因氧化亚铜是抑制生物附着的有效物质, 所以在中小型舰船上, 可装上铜阳极, 通以一小直流电, 电解产生Cu+ 离子, 当战浓度达到5PPb 时, 即可防止海洋生物的附着。电解铝阳极产生Al( OH) 3 粘胶, 可裹Cu+ , 使战效用更长, 武时, Al( OH) 3 附在管壁上, 起到防蚀沿用。o( 4) 电解舰船生活污水处理技术: 由于环保要求越来越高, 如今舰船上生活污水( 包括厨房洗涤水、洗澡水和粪便污水) 也不得直接排入海水, 必须集中后采用生化法( 用细菌繁衍来消化生活污水) 或电解法

17、处理。战中电解法更加可靠适用, 战原理就是将生活污水强行电解, 使污染物最后变成水和CO2 等无害物质后再进行排放。该方法已开始装舰使用, 效果很好。电解防污技术近年来进步很快, 并大量用于舰船、电厂、化工厂和污水处理中, 是一个方兴未艾的新兴专业。6 海洋军用生物材料的发展o( 1) 为防治海洋生物对舰艇的腐蚀和污损必须研究海洋生物腐蚀和附着的机理, 包括海洋中微生物, 如硫细菌、铁细菌、锰细菌对舰艇腐蚀的影响。o( 2) 研制生物电化学探头( 酶电极) , 以便对战场上毒性物质进行探测、报警, 也可以监测潜艇等内舱的生态环境, 该电极在海湾战争的后期已出现在战场上。o( 3) 开展生物基因探头研制, 用生