艦船腐蝕與防護論文

艦船腐蝕與防護

陳光章研究員吳建華高級工程師

許立坤高級工程師

徐海波工程師王洪仁(第七二五研究所)

摘要:從艦船材料的選材、電化學(xué)保護、涂層保護和防海洋生物污損等方面,綜述艦船腐蝕與防護技術(shù)領(lǐng)域國內(nèi)外發(fā)展的新情況,提出了該領(lǐng)域今后重點科研項目。關(guān)鍵詞:陰極保護生物污損導(dǎo)電

涂料釩電池

1引言

我國幅源遼闊,大陸海岸線長達1.8萬多公里,近海海域面積472多萬平方公里,艦艇、船舶、港口設(shè)施,海洋平臺等高達數(shù)十萬艘(座)。由于海水鹽度高,海洋潮濕大氣中含有大量的氯離子,因此艦船將遭到嚴(yán)重的腐蝕,我國海軍艦艇防腐維修費用每年超過15億人民幣。艦艇因腐蝕而喪失戰(zhàn)斗性能貽誤戰(zhàn)機的事故也曾有發(fā)生。例如:某潛艇上層殼體因嚴(yán)重腐蝕失去強度,引起鋼板破裂;?？吭谥凵酱a頭的某艇因雜散電流腐蝕而沉沒在碼頭邊;鋁殼魚雷快艇在伏擊敵艦的關(guān)鍵時刻因海生物附著,腐蝕嚴(yán)重而無法起動;新造的某艦不到一年底板就腐蝕漏穿在沿海作戰(zhàn)的其他武備同樣也被海洋嚴(yán)重腐蝕所困擾,艦載直升機的服役壽命只有陸上使用的同機型壽命的2/5;海上的兩棲突擊戰(zhàn)車(水陸兩用坦克)其腐蝕狀況比內(nèi)陸內(nèi)河使用的要嚴(yán)重由于艦艇的戰(zhàn)斗環(huán)境的特殊性和海軍對艦艇提出更高的戰(zhàn)斗性能和改善生活環(huán)境的“二高”指示,要求近期優(yōu)先治理下列三個問題:艦艇的防腐蝕,艦艇的防三漏,艦艇的減振降噪。這三個問題均與艦艇的腐蝕防護直接相關(guān)。艦艇腐蝕防護技術(shù)是綜合性的邊緣學(xué)科,解決艦船腐蝕防護問題要從耐蝕材料的選用、涂層保護、電化學(xué)保護和防海生物污損等多方面的綜合技術(shù)入手。2耐蝕材料的選用2.1艇體材料在主戰(zhàn)艦艇上已確認(rèn)采用強度合適、焊接等工藝性能優(yōu)良,電化學(xué)性能相匹配的907A、921A、945、980等鋼材。在強度要求不高,造價受限非主戰(zhàn)艦艇也選用合適的碳鋼。在同一條艦上所選用的材料,其腐蝕電位應(yīng)盡量接近,以減輕其電偶腐蝕。2.2管系材料艦上的消防管路,動力系統(tǒng)管路和冷卻水系統(tǒng)管路經(jīng)常因腐蝕、振動,而漏水、漏油、漏汽,稱為”三漏”。為治理艦艇的“三漏”,只有在流速低于1.5m/s時才選用紫銅管,一般情況下均推薦采用B10、B30白銅管。如果在B10、B30管系中再采用鐵、銅陽極聯(lián)合保護技術(shù),其管內(nèi)流速可允許達到7m/s。在流速更高或需耐更強烈的沖刷腐蝕的情況(含較多泥砂的介質(zhì)中),應(yīng)選用鈦管或雙相不銹鋼管。鈦管材在海水中已獲得了成功的應(yīng)用,但價格昂貴。雙相不銹鋼的價格也成倍貴于B10管,且應(yīng)注意焊接處的耐蝕性能。與B10相比,雙相不銹鋼管和鈦管均沒有防海生物污損的性能,應(yīng)用時一定要另加電解防污裝置或電解銅陽極防污裝置。只有在流速不高、防蝕性能也要求不高的情況下才采用普通銅管和鋼管或鍍鋅管。3涂層保護涂層保護分金屬性涂(鍍)層和非金屬油漆涂層,后者在艦艇上被大量采用。3.1金屬性涂(鍍)層在艦艇的艙底、高壓氣瓶底部曾采用噴涂Zn-Al等合金層、配合油漆進行保護,取得了良好的保護效果。目前排煙管采用熱浸鋅、熱滲鋁保護。另據(jù)俄羅斯介紹,采用陶瓷(金屬氧化物)熱漫延在其表面上,可獲得良好的保護。但排煙管由于溫度高、海水浸泡、高溫鹽霧和振動等原因,腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重。非晶態(tài)Ni-P鍍層本身具有良好的防蝕性能,曾試圖用于高壓管外壁和個別的零部件的保護,但由于Ni-P鍍層本身的電位比船用鋼約正100mv,焊接或螺紋緊固若使鍍層破損,裸露出的船用鋼將遭到加速腐蝕,因此應(yīng)改進Ni-P鍍層本身的電化學(xué)電位和完善現(xiàn)場鍍層的修補技術(shù),才能在艦船上得到實際應(yīng)用。3.2油漆涂層3.2.1現(xiàn)況油漆涂層保護在艦船保護中占舉足輕重的位置,自1966年開始,組織了艦船涂料攻關(guān)(418會戰(zhàn)組)。經(jīng)過30余年的努力,與先進國家相比,現(xiàn)有艦船涂料的研制水平、除個別特殊品種外基本相當(dāng),到2000年,我國船舶涂料年產(chǎn)量達200多萬噸,基本上滿足了艦船的使用要求。一般情況下,船體一次施涂后可達3~5年內(nèi)不需進塢重新涂裝。海洋大氣部位:采用噴砂拋丸除銹工藝達Sa2.5級以上,涂富鋅底漆+環(huán)氧或聚氨脂封閉層漆+聚氨脂面漆的配套方案,總膜厚達300μm,保護期可達10年。潮差飛濺區(qū)(水線區(qū)):采用富鋅底漆+重防蝕涂料+聚氨脂或乙稀面漆,總油層厚度達1mm以上,也可達到10年的保護期。水下部位:采用環(huán)氧類或氯化橡膠類配套船底涂料(含底漆、防銹漆和防污漆)總厚度達250μm以上,配合陰極保護,期效可達5年以上。目前,艦船涂料的底漆、防銹漆已具有了多種配套體系和足夠長的防蝕能力,但防污漆仍需加強研制。3.2.2艦船涂料今后研制的建議3.2.2.1克服過去單憑經(jīng)驗,調(diào)配式的研制,加強微觀的納米級技術(shù)探討,加強機理探討,做到在調(diào)配之前就“心中有數(shù)”。隨著檢測設(shè)備及技術(shù)的發(fā)展,探討和觀察樹脂的改性、高分子材料的”嫁接”偶聯(lián)狀況、納米新材料的作用機理,觀測底漆材料與鋼表面之間的原子反應(yīng)、遷移、結(jié)合和各個階段的防蝕機理等已成為可能,也必然給本學(xué)科帶來新的革命。3.2.2.2加強防污涂料的研制,以便與防銹漆更好地配套。目前防污漆中有機錫已被國際上普遍禁用,氧化亞銅(或硫氰酸銅)滲出型涂料為國內(nèi)艦船現(xiàn)用的防污漆,其防污期效僅為3~5年,而且銅離子仍為有毒的重金屬離子,遠(yuǎn)非“綠色涂料”。近期,低表面能防污漆的研制取得了一定的進展,利用硅橡膠低的表面自由能來達到海洋生物附著不上的方法,確是一種無毒的綠色涂料,目前硅橡膠材料本身的附著粘結(jié)力較差,尚達不到一般油漆涂層應(yīng)達到的指標(biāo)。目前最為看好的是防污導(dǎo)電涂料。其原理是在水下船殼上涂上導(dǎo)電涂料,并通以一低壓直流電,當(dāng)直流電到達船殼板上時,除了起到陰極保護作用外,而且可以產(chǎn)生少量的氯,利用氯溶于海水中成為ClO-(次氯酸)而防止海生物的附著。實際上采用這一技術(shù)既使船底得到防污,又解決了船體的陰極保護問題,是個很有發(fā)展前途的項目。目前,日本在這方面研究進展得較快。3.2.2.3艦用特殊涂料的研制。隨著艦艇隱身、減振降噪新需求,必需開展和完善如下的艦用特殊涂層研究:吸收雷達波涂料----吸波涂料,防紅外涂料.以降低艦艇紅外輻射,隱形涂料

光學(xué)隱形涂料,隱聲減振涂料,復(fù)合涂層的研制:集防蝕、吸波、防紅外、隔熱隱聲隱形等于一體的多層配套的復(fù)合涂層,在美國、俄羅斯已有許多試制產(chǎn)品,我國也應(yīng)加強該項目的研制工作,尤其是艦艇內(nèi)艙用的復(fù)合涂層的研制,其底層應(yīng)是附著力強、彈性好、有防蝕性能的,涂層中間幾層為功能材料層,最外層應(yīng)是阻燃、環(huán)保涂層,層間結(jié)合匹配良好、采用噴涂成型。4艦船的電化學(xué)保護在艦船上常采用的電化學(xué)保護,有陰極保護和陽極氧化技術(shù)。陽極氧化常用于艦用鋁合金結(jié)構(gòu)用材和零部件中,而陰極保護技術(shù)則占據(jù)著艦船保護中重要地位。4.1艦船的陰極保護技術(shù)新進展陰極保護技術(shù)的完善和發(fā)展較快,應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴大,而且出現(xiàn)防蝕防污技術(shù)同時應(yīng)用,取得更佳的保護效果。4.1.1陰極保護的計算機輔助設(shè)計目前,許多地方陰極保護設(shè)計已采用商品化軟件,只要輸入極化曲線,單元描述,相關(guān)文件等,就可以給出計算得到的保護電流、電位分布并可以根據(jù)需要加以調(diào)整。4.1.2陰極保護新材料及部件(1)犧牲陽極新材料犧牲陽極材料中主要有鋅基、鋁基和鎂基三種,其中鋁基由于電流容量大,價格便宜,故發(fā)展快,并已取代了鋅基陽極全面用于艦船的保護中。鎂基近年來大量用于土壤中的保護,故也倍受關(guān)注.(2)外加電流陰極保護中新產(chǎn)品外加電流陰極保護由控制電源、輔助陽極,參比電極及接地裝置等組成。系統(tǒng)的壽命可與艦船服役壽命相當(dāng)?？刂齐娫?恒電位儀):發(fā)展體積小,容量大的開關(guān)式恒電位儀。新型輔助陽極:主要有鉑復(fù)合陽極和鈦基貴金屬氧化物陽極,由于鈦基貴金屬陽極價格低廉,制作方便,有大量取代鉑陽極的趨勢,這些陽極的使用壽命都≧25年.參比電極:新型的有銀/鹵化銀電極和長效銅/硫酸銅電極。銀/鹵化銀電極因與海水(含有多種的鹵族元素)有著更好的平衡能力,故其耐極化性和穩(wěn)定性更好。4.2陰極保護技術(shù)與其他防腐技術(shù)的聯(lián)用(1)陰極保護與涂覆層的聯(lián)用:陰極保護與油漆涂層聯(lián)用已有相當(dāng)長的歷史,彼此之間既可以相互提高保護功效,又必須不斷提高其匹配兼容能力,每當(dāng)涂覆層發(fā)生新的革新時,更要加予考慮。如消聲瓦覆蓋層與陰極保護之間的兼容性等。又如導(dǎo)電涂層,其實是將陰極保護技術(shù)和涂層保護技術(shù)的結(jié)合,是金屬防蝕與防生物污損技術(shù)的綜合。(2)陰極保護與表面成膜技術(shù)的聯(lián)用:在冷凝器、管系中,裝上鐵陽極,并通以直流電,可同時在銅管表面上形成的Fe2+的膜并受到陰極保護。采用該技術(shù),可以明顯提高艦用B10等銅管的耐蝕、耐沖刷的性能。(3)陰極保護與電解防污技術(shù)聯(lián)用:陰極保護和電解防污同為電化學(xué)方法,可以將這兩種技術(shù)在一個系統(tǒng)內(nèi)完成。如在冷卻管系中同時裝上銅、鋁陽極,當(dāng)通上小直流電后,在銅陽極上析出銅離子以防生物附著,鋁陽極溶解后,形成Al(OH)3粘膠,粘附在結(jié)構(gòu)上達到防蝕的效果。4.3艦船上電化學(xué)技術(shù)的其他應(yīng)用4.3.1磁流體推進系統(tǒng)中大排流量陽極的研制4.3.2釩氧化還原電池(釩電池)的研制5海洋生物污損的防治5.1防污的重要性海洋生物和微生物的附著,影響船體的航速,多消耗燃油,堵塞海水冷卻管系,嚴(yán)重的直接影響到動力系統(tǒng)的正常運作,降低了熱交換管和換熱效率。生物和微生物附著繁衍還會加速船體和管道的腐蝕。因此,艦船的防污與艦船防蝕同樣重要。5.2防污技術(shù)(1)防污涂料防污:見本文3.2.2.2。(2)電解制氯防污技術(shù):分電解海水制氯和電解食鹽水制氯兩種電解海水制氯防污:即電解海水,產(chǎn)生了氯氣,氯溶于水中成為ClO-1(次氯酸),次氯酸為不穩(wěn)定的強氧化劑,其濃度只要達到001PPm,就可以保證海生物不附著,或被殺死。由于次氯酸極不穩(wěn)定,不久又重新變成NaCl,回到海水中,故對環(huán)境不會造成污染。對海濱電廠數(shù)公里長的海水管線的防污最為合適。在艦船上使用的電解制氯裝置遠(yuǎn)比海濱電廠小。電解食鹽水制氯防污:在內(nèi)陸電廠、化工廠冷卻水管系的防污只能采用電解食鹽水進行防污。其制氯效率高于海水電解制氯,但使用食鹽致使成本較海水制氯高。在城市污水處理中最后一道的殺菌消毒時,也是采用電解食鹽水制氯的方法。(3)電解銅、鋁陽極綜合防污技術(shù):因氧化亞銅是抑制生物附著的有效物質(zhì),所以在中小型艦船上,可裝上銅陽極,通以一小直流電,電解產(chǎn)生Cu+離子,當(dāng)其濃度達到5PPb時,即可防止海洋生物的附著。電解鋁陽極產(chǎn)生Al(OH)3粘膠,可裹Cu+,使其效用更長,同時,Al(OH)3附在管壁上,起到防蝕作用。(4)電解艦船生活污水處理技術(shù):由于環(huán)保要求越來越高,如今艦船上生活污水(包括廚房洗滌水、洗澡水和糞便污水)也不得直接排入海水,必須集中后采用生化法(用細(xì)菌繁衍來消化生活污水)或電解法處理。其中電解法更加可靠適用,其原