船舶腐蚀及防护.ppt

1、船舶腐蚀与防护,江苏科技大学 高延敏,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,(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

2、考。,前 言,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。,依發生的原因分類，一般有以下4類： (一)電化學腐蝕 (Electrochemical Corrosion) (二)化學腐蝕 (Chemical Corrosion) (三)微生物腐蝕 (Microbial Corrosion) (四)冲刷腐蝕,腐 蝕 分 類,(一)電化學腐蝕(Electrochemical Corrosion) 1.必備條件： (1)陽極(

3、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(Metallic Path)： 為陽極及陰極間之電子傳導路徑。,电化学腐蚀,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

4、度 (10)較高的氣壓,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 (Metallic Path) (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,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,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

5、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,耐海水钢Mariner与碳钢的试验结果（九年暴露，美国）,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,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

6、(Cu)、鐵(Fe)、鋅(Zn)、鋁(Al) (3)加凡尼序列(Galvanic Series) ：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(mill scale)、鐵、鋁、鋅,化学腐蚀,(二)化學腐蝕(Chemical Corrosion)： 金屬溶解於有機溶劑、熔融鹽液中。 (三)微生物腐蝕(Microbial Corrosion)： 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

7、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。,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 (General or Uniform Corrosion) 2.局部腐蝕 (Local Corrosion) 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(Hydrogen Attack)或脫碳(Decarburizing) 4.釩侵蝕 (Vanadium Attack) 5.硫酸露點腐蝕 (Dew po

8、int Corrosion of Sulfuric Acid),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(General or Uniform Corrosion)： 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

9、.46mm。,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(mill scale)： 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。,金 屬 腐 蝕 型 態,2.局部腐蝕(Local Corrosion) ：金屬局部發生腐蝕的現象 (1) 異金屬接觸腐蝕

10、 (Bimetallic or Galvanic Corrosion) (2) 脫合金腐蝕 (Dealloying corrosion, Selective leaching, Parting) (3) 粒界腐蝕 (Intergranular Corrosion) (4) 應力腐蝕 (Stress Corrosion) (5) 金屬離子濃淡電池 (Metal Ion Concentration Cell) (6) 間隙腐蝕 (Crevice Corrosion, deposit attack) (7) 孔蝕 (Pitting Corrosion) (8) 腐蝕疲勞 (Corrosion Fat

11、igue) (9) 氫損害 (Hydrogen Damage) (10) 弥散電流腐蝕 (Stray Current Corrosion),金 屬 腐 蝕 型 態,2.局部腐蝕(Local Corrosion) (1)異金屬接觸腐蝕： (Bimetallic or Galvanic Corrosion) 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： (Dealloying corrosion, Selective leaching, Parting) 合金中較活潑金屬成分易發生溶解。如黃銅(brass)脫鋅(dezinci

12、fication)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。,金 屬 腐 蝕 型 態,(3)粒界腐蝕(Intergranular Corrosion)： 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(Heat Affected Zone)內或於高溫下(如SUS304在425-870o C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 (weld decay)。,金 屬 腐 蝕 型 態,(4)應力腐

13、蝕(Stress Corrosion)： (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)。,金 屬 腐 蝕 型 態,(5)金屬離子濃淡電池(Metal Ion Concentration Cell)： 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。,金 屬 腐 蝕 型 態,(6)間隙腐蝕(Crevice Corrosion,d

14、eposit attack)： (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(sharp edges) (iii)使用橡膠(rubber)或鐵弗龍(Teflon)為材質的墊圈,金 屬 腐 蝕 型 態,(7)孔蝕(Pitting Corrosion)： (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

15、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(sealing ring)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(base metal)上之貴金屬(noble metal)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。,金 屬 腐 蝕 型 態,(8)腐蝕疲勞(Corrosion Fatigue)： 腐蝕環境中，金屬受到疲勞應力時，其疲勞

16、強度會降低，更易加速產生疲勞破裂。 (9)氫損害(Hydrogen Damage)： 在酸液中因氫原子侵入金屬內部而造成氫鼓泡(Hydrogen Blistering)或脆裂的損害。 (10)迷散電流腐蝕(Stray Current Corrosion)： 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。,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 (Fretting Corrosion) 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 (

17、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(Bell Mouth)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。,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

18、生成物干擾 液體層流(laminar flow) (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。,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(High Temperature Corrosion)。 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(Hydrogen A

19、ttack)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。,金 屬 腐 蝕 型 態,4.釩侵蝕(Vanadium Attack)： (1)又稱燃燒之高溫腐蝕(High Temperature Corrosion)。燃燒時， 燃油：釩+鈉釩鈉化合物，在高溫下(約450-650o C)熔解氧化鐵而腐蝕。 (2)如活塞冠(Piston Crown)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。,金 屬 腐 蝕 型 態,5.硫酸露點

20、腐蝕(Dew point Corrosion of Sulfuric Acid) (1)又稱燃燒之低溫腐蝕(Low Temperature Corrosion)，燃燒中 硫+氧硫氧化物，硫氧化物+水份/水汽硫酸，在露點 (130-160o C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175o C。,船舶腐蚀造成的危害,管路的腐蚀,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,是主

21、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,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 (Corrosion Inhibitor) (四)改用抗蝕金屬或合金 (五)防蝕結構設計,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

22、(electroplated)鋼材、熱浸鍍鋅(hot dip galvanized)鋼材、鋅熔射(thermal sprayed)塗層。 (4)銅/鋁棒MGPS：產生氫氧化鋁散佈在海水管內壁。,防 蝕 方 法,(二)電化學防蝕 1.陰極保護 (Cathodic Protection) (1)犧牲陽極法(Galvanic/Sacrificial Anode): 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(Impressed Current): 船舶加裝ICCP系統 (I

23、mpressed Current Cathodic Protection System)， 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。,防 蝕 方 法,2.陽極保護(Anodic Protection) 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。,防 蝕 方 法,(三)腐蝕抑制劑（缓蚀剂）(Corrosion Inhibitor) 添加少量化學品於腐蝕環境中,以減低腐蝕速率。 (1)吸附型(Absorption Inhibitor)： 抑制劑吸附於將腐蝕的金屬表面，以降低腐蝕反應。

24、 (2)皮膜型(Barrier Inhibitor)： 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。,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。,防 蝕 方 法,(五)防蝕結構設計 結構設計時，稍加留意，即可有

25、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。,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),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),防 蝕

26、 方 法,(4)避免構成腐蝕條件: 如隔離異金屬或電解質的接觸。,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。,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),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),防 蝕 方 法,(10)避免產生磨動腐蝕、沖蝕、及空

27、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),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(rolled profile)取代銲接型鋼(built-up profile)，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。,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

28、的有： (1) 國際海上人命安全公約(SOLAS) (2) 船級協會規範,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(SR Convention ) 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,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

29、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)。,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(Hard protectiv

30、e coatings)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。,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,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