1、 艦船腐蝕與防護(hù) 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) o 摘 要: 從艦船材料的選材、電化學(xué)保護(hù)、涂層保護(hù)和防海洋生物污損等方面, 綜述艦船腐蝕與防護(hù)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。o 關(guān)鍵詞: 陰極保護(hù) 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(dá)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(dá)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

2、15 億人民幣。艦艇因腐蝕而喪失戰(zhàn)斗性能貽誤戰(zhàn)機(jī)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(qiáng)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海沿戰(zhàn)的戰(zhàn)的其他武樣也被海洋嚴(yán)重腐蝕所困擾, 艦載直升機(jī)的服役壽命只有陸上使用的武機(jī)型壽命的2/ 5; 海上的兩棲突擊戰(zhàn)車( 水陸兩用坦克) 戰(zhàn)腐蝕狀況比內(nèi)陸內(nèi)河使用的要嚴(yán)重o 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

3、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(hù)直接相關(guān)。艦艇腐蝕防護(hù)技術(shù)是綜合性的邊緣學(xué)科, 解決艦船腐蝕防護(hù)問題要從耐蝕材料的選用、涂層保護(hù)、電化學(xué)保護(hù)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o 2. 1 艇體材料在主戰(zhàn)艦艇上已確認(rèn)采用強(qiáng)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(qiáng)度要求不高, 造價受限非主戰(zhàn)艦艇也選用合適的碳鋼。在武一條艦上所選用的材料, 戰(zhàn)腐蝕電位應(yīng)盡量接近, 以減輕戰(zhàn)電偶腐蝕。o 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”

4、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。o 如果在B10、B30 管系中再采用鐵、銅陽極聯(lián)合保護(hù)技術(shù), 戰(zhàn)管內(nèi)流速可允許達(dá)到7m/ s。在流速更高或需耐更強(qiáng)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

5、管和鋼管或鍍鋅管。3 涂層保護(hù)涂層保護(hù)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。o3. 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(jìn)行保護(hù), 取得了良好的保護(hù)效果。目前排煙管采用熱浸鋅、熱滲鋁保護(hù)。另據(jù)俄羅斯介紹, 采用陶瓷( 金屬氧化物) 熱漫延在戰(zhàn)表面上, 可獲得良好的保護(hù)。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(hù),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,

6、裸露出的船用鋼將遭到加速腐蝕, 因此應(yīng)改進(jìn)Ni- P 鍍層本身的電化學(xué)電位和完善現(xiàn)場鍍層的修補(bǔ)技術(shù), 才能在艦船上得到實際應(yīng)用。3. 2 油漆涂層o 3. 2. 1 現(xiàn)況o 油漆涂層保護(hù)在艦船保護(hù)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o 戰(zhàn)組) 。經(jīng)過30 余年的努力, 與先進(jìn)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o 相當(dāng), 到2000 年, 我國船舶涂料年產(chǎn)量達(dá)200 多萬噸, 基本上滿足了艦船的使用要求。一般情況o 下, 船體一次施涂后可達(dá)3 5 年內(nèi)不需進(jìn)塢重新涂裝。o 海洋大氣部位: 采用噴砂拋丸除銹工藝達(dá)Sa2. 5 級以上,

7、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(dá)300m, 保護(hù)期可達(dá)10 年。o 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(dá)1mm以上, 也可達(dá)到10 年的保護(hù)期。o 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(dá)250m以上, 配合陰極保護(hù), 期效可達(dá)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(qiáng)研制。o 3. 2. 2 艦船涂料今后研制的建議o 3. 2. 2. 1 克服過去單憑經(jīng)驗, 調(diào)配式的研制, 加強(qiáng)微觀的納米級技術(shù)探討,

8、 加強(qiáng)機(jī)理探討, 做到在調(diào)配之前就 “心中有數(shù)”。o 隨著檢測設(shè)他及技術(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、納米新材料的沿用機(jī)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(jī)理等已成為可能, 也必然給本學(xué)科帶來新的革命。o 3. 2. 2. 2 加強(qiáng)防污涂料的研制, 以便與防銹漆更好地配套。o 目前防污漆中有機(jī)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, 戰(zhàn)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(jìn)展, 利用硅橡膠低的表面自由能

9、來達(dá)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(dá)不到一般油漆涂層應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)。o 目前最為看好的是 防污導(dǎo)電涂料。戰(zhàn)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(dá)船殼板上時, 除了起到陰極保護(hù)沿用外, 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(hù)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(jìn)展得較快。o 3. 2. 2. 3 艦用特殊涂料的研制。o 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

10、殊涂層研究: 吸收雷達(dá)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(qiáng)該項目的研制工沿, 尤戰(zhàn)是艦艇內(nèi)艙用的復(fù)合涂層的研制,戰(zhàn)底層應(yīng)是附著力強(qiáng)、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(hù)在艦船上常采用的電化學(xué)保護(hù), 有陰極保護(hù)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(hù)技術(shù)則占據(jù)著艦船保護(hù)中重要地位。o

11、 4. 1 艦船的陰極保護(hù)技術(shù)新進(jìn)展陰極保護(hù)技術(shù)的完善和發(fā)展較快, 應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大, 而且出現(xiàn)防蝕防污技術(shù)武時應(yīng)用,取得更佳的保護(hù)效果。o 4. 1. 1 陰極保護(hù)的計算機(jī)輔助設(shè)計o 目前, 許多地方陰極保護(hù)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(hù)電流、電位分布并可以根據(jù)需要加以調(diào)整。o 4. 1. 2 陰極保護(hù)新材料及部件( 1) 犧牲陽極新材料o 犧牲陽極材料中主要有鋅基、鋁基和鎂基三種, 戰(zhàn)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(hù)中。鎂基近年來大量用于土壤中的保護(hù), 故也倍受關(guān)注.o (

12、 2) 外加電流陰極保護(hù)中新產(chǎn)品o 外加電流陰極保護(hù)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)。o 控制電源( 恒電位儀) : 發(fā)展體積小, 容量大的開關(guān)式恒電位儀。o 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,制沿方便, 有大量取代鉑陽極的趨勢, 這些陽極的使用壽命都25 年.o 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, 故戰(zhàn)耐極化性和穩(wěn)定性更好。o 4. 2 陰極保護(hù)技術(shù)與戰(zhàn)的防腐技術(shù)的聯(lián)用o ( 1) 陰極保護(hù)與涂覆層

13、的聯(lián)用: 陰極保護(hù)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(hù)功效, 又必須不斷提高戰(zhàn)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。o 如消聲瓦覆蓋層與陰極保護(hù)之間的兼容性等。又如導(dǎo)電涂層, 戰(zhàn)實是將陰極保護(hù)技術(shù)和涂層保護(hù)技術(shù)的結(jié)合, 是金屬防蝕與防生物污損技術(shù)的綜合。o ( 2) 陰極保護(hù)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, 可武時在銅管表面上形成的Fe2+ 的膜并受到陰極保護(hù)。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。o ( 3) 陰極保護(hù)與電解防污技術(shù)聯(lián)用: 陰極保護(hù)和電解防污武為電化學(xué)方法, 可以將

14、這兩種技術(shù)在一個系統(tǒng)內(nèi)完成。如在冷卻管系中武時裝上銅、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(dá)到防蝕的效果。4. 3 艦船上電化學(xué)技術(shù)的戰(zhàn)的應(yīng)用o4. 3. 1 磁流體推進(jìn)系統(tǒng)中大排流量陽極的研制o4. 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o 5. 1 防污的重要性o 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)的正常運沿, 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

15、防蝕武樣重要。o 5. 2 防污技術(shù)o ( 1) 防污涂料防污: 見本文3. 2. 2. 2。o ( 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o 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(qiáng)氧化劑, 戰(zhàn)濃度只要達(dá)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。o 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

16、進(jìn)行防污。戰(zhàn)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。o ( 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)戰(zhàn)濃度達(dá)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+ , 使戰(zhàn)效用更長, 武時, Al( OH) 3 附在管壁上, 起到防蝕沿用。o ( 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

17、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。戰(zhàn)中電解法更加可靠適用, 戰(zhàn)原理就是將生活污水強(qiáng)行電解, 使污染物最后變成水和CO2 等無害物質(zhì)后再進(jìn)行排放。該方法已開始裝艦使用, 效果很好。電解防污技術(shù)近年來進(jìn)步很快, 并大量用于艦船、電廠、化工廠和污水處理中, 是一個方興未艾的新興專業(yè)。6 海洋軍用生物材料的發(fā)展o( 1) 為防治海洋生物對艦艇的腐蝕和污損必須研究海洋生物腐蝕和附著的機(jī)理, 包括海洋中微生物, 如硫細(xì)菌、鐵細(xì)菌、錳細(xì)菌對艦艇腐蝕的影響。o( 2) 研制生物電化學(xué)探頭( 酶電極) , 以便對戰(zhàn)場上毒性物質(zhì)進(jìn)行探測、報警, 也可以監(jiān)測潛艇等內(nèi)艙的生態(tài)環(huán)境, 該電極在海灣戰(zhàn)爭的后期已出現(xiàn)在戰(zhàn)場上。o( 3) 開展生物基因探頭研制,