王利偉，逄喜斌，張?jiān)懒?/p>

(1.91404部隊(duì)，河北 秦皇島 066001；2.92956部隊(duì)，遼寧 旅順 116041)

鋼質(zhì)海船腐蝕特點(diǎn)與防護(hù)措施

王利偉1，逄喜斌2，張?jiān)懒?

(1.91404部隊(duì)，河北 秦皇島 066001；2.92956部隊(duì)，遼寧 旅順 116041)

腐蝕是影響鋼質(zhì)海船正常使用的主要因素之一，具有普遍存在性和不可避免性，為了減少鋼質(zhì)海船腐蝕程度，文章從腐蝕的特點(diǎn)、機(jī)理出發(fā)，對(duì)目前已有的金屬腐蝕防護(hù)措施進(jìn)行論述，并針對(duì)全船不同區(qū)域腐蝕特點(diǎn)提出相應(yīng)的防腐策略。船體、高溫高濕艙室易發(fā)生均勻腐蝕，液艙易發(fā)生點(diǎn)腐蝕。犧牲陽(yáng)極法適用于小型船舶、壓載水艙的防腐，外加電流法適用于大型船舶船體水下部分的防腐。

鋼質(zhì)海船；均勻腐蝕；點(diǎn)腐蝕；犧牲陽(yáng)極；外加電流

海洋鋼結(jié)構(gòu)，包括船舶、海洋平臺(tái)和暴露在海水環(huán)境中的鋼質(zhì)橋梁都面臨嚴(yán)重的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，尤其是服役超過(guò)15～20 a之后。從船舶性能角度講，腐蝕造成船體表面粗糙，增大船舶航行阻力；從船體強(qiáng)度角度講，腐蝕造成船體板減薄、改變船體結(jié)構(gòu)受力方式從而造成應(yīng)力集中，進(jìn)而使船體材料老化，引發(fā)疲勞斷裂；從船舶設(shè)備角度講，腐蝕影響船舶設(shè)備的正常使用；另外，腐蝕產(chǎn)物易造成海洋環(huán)境污染。總之，腐蝕以其普遍存在性、不可避免性和持續(xù)破壞性，嚴(yán)重威脅著船舶的航行和使用安全，所以，研究腐蝕的成因、機(jī)理、種類和特點(diǎn)，并據(jù)此提出合理的防護(hù)措施，具有十分重要的意義。

1 鋼質(zhì)海船腐蝕特點(diǎn)

在海洋工程中，挪威船級(jí)社(DNV)建議把腐蝕分為4種類型。

1.1 均勻腐蝕

均勻腐蝕也叫全面腐蝕，即腐蝕均勻分布在金屬表面上。文獻(xiàn)[1]討論并定義了海洋環(huán)境中碳鋼的均勻腐蝕機(jī)理。這種腐蝕一般發(fā)生在結(jié)構(gòu)表面，可能是化學(xué)腐蝕，也可能是電化學(xué)腐蝕。化學(xué)腐蝕是金屬自發(fā)的反應(yīng)，由于不需要異種金屬接觸和電解液，這種腐蝕往往是普遍存在的，尤其容易在高溫高濕的氣體介質(zhì)中發(fā)生，如機(jī)艙、輔機(jī)艙，其腐蝕產(chǎn)物直接產(chǎn)生并覆蓋在金屬表面，從理論上來(lái)講，隨著腐蝕產(chǎn)物的積累，金屬表面會(huì)形成氧化膜，阻止金屬與水蒸氣和氧氣的繼續(xù)接觸，從而限制金屬的繼續(xù)腐蝕，如圖1所示。在結(jié)構(gòu)的整個(gè)服役周期內(nèi)，第一階段(T0)由于涂層的保護(hù)作用腐蝕不發(fā)生，第二階段(Tt)涂層脫落，腐蝕過(guò)程開(kāi)始，第三階段由于腐蝕產(chǎn)物的保護(hù)作用腐蝕逐漸停止在一個(gè)極限深度(d∞)。然而，由于機(jī)械性的碰撞、損傷、振動(dòng)，以及氧化膜和金屬表面之間的灰塵、雜質(zhì)，氧化膜并不能在金屬表面長(zhǎng)時(shí)間的附著，氧化膜脫落后，腐蝕過(guò)程重新開(kāi)始，如圖2所示。其中，階段0：腐蝕被附著微生物和電化學(xué)的復(fù)雜相互作用所控制，不影響長(zhǎng)期腐蝕特性。階段1：活化控制階段，腐蝕速率受臨近金屬表面的氧氣擴(kuò)散控制(r0為腐蝕速率(mm/a))。階段2：氧氣擴(kuò)散控制階段，隨著腐蝕產(chǎn)物層的建立，氧氣擴(kuò)散逐漸受到阻礙，腐蝕速率也隨之降低(ta是從有氧狀態(tài)到無(wú)氧狀態(tài)的轉(zhuǎn)變時(shí)間)。階段3：腐蝕沉淀物中微小位置的形成導(dǎo)致硫酸鹽還原菌的生長(zhǎng)，尤其是靠近金屬表面(ra為加速腐蝕速率/(mm/a))。階段4：腐蝕速率受還原菌的營(yíng)養(yǎng)供給和腐蝕沉淀物由于磨損(機(jī)械損傷)而消耗的影響。

圖1 Guedes Soares-Garbatov腐蝕模型[2]

圖2 Melchers腐蝕模型[3]

對(duì)于電化學(xué)腐蝕，又可分為宏電池腐蝕和微電池腐蝕，而均勻腐蝕一般是宏電池腐蝕，如船體水下部位的鈦合金球鼻艏和低合金鋼船外板、船外板和銅合金螺旋槳，2種金屬活性不同，存在電位差，2種金屬相互接觸，有導(dǎo)電通路，又同時(shí)暴露在海水中，海水作為腐蝕溶液，發(fā)生宏電池腐蝕。

1.2 點(diǎn)腐蝕

金屬表面上產(chǎn)生的點(diǎn)狀、小孔狀的一種極為局部的腐蝕形態(tài)稱為點(diǎn)腐蝕。文獻(xiàn)[4]研究了碳鋼在海洋環(huán)境中的點(diǎn)腐蝕，包括微生物引起腐蝕(microbiologically induced corrosion, MIC)的定義。點(diǎn)腐蝕更容易出現(xiàn)在貨油艙底板和一些壓載水艙水平面上。水層(冷凝水和油生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的水)經(jīng)常在貨油艙底部被發(fā)現(xiàn)，這種水層可能高達(dá)總艙容的20%，而且具有高腐蝕性。盡管底板被薄油層覆蓋，當(dāng)油層減薄或受損時(shí)，嚴(yán)重局部腐蝕依然會(huì)發(fā)生。MIC在有氧環(huán)境中代替一般腐蝕，在這些區(qū)域主導(dǎo)了腐蝕過(guò)程。低溶氧冷凝水和各種化學(xué)營(yíng)養(yǎng)為硫酸鹽還原菌(sulphate-reducing bacteria, SRB)等微生物提供了賴以生存的理想有氧條件。而且，溫油和加熱設(shè)施也能加劇微生物腐蝕，研究表明，溫度介于20～50 ℃是SRB的最佳新陳代謝條件[2]。然而，Katoh等[5]進(jìn)行的3年研究表明，蝕坑內(nèi)的pH值介于2～4之間，對(duì)于MIC來(lái)說(shuō)太低而不利于生存。

對(duì)于壓載水艙中含有機(jī)保護(hù)涂層(通常是煤焦環(huán)氧漆)的水平區(qū)域來(lái)說(shuō)，水泡可能會(huì)在表面潮濕和溶氧貫穿表面或可溶物質(zhì)從涂層中浸析時(shí)產(chǎn)生。當(dāng)中性水泡產(chǎn)生時(shí)，內(nèi)表面建立濃度差[6]，與下表面局部腐蝕結(jié)合。對(duì)于堿性氣泡，由于高堿性水泡液體，蝕坑不易產(chǎn)生，除非水泡發(fā)生機(jī)械損傷。

點(diǎn)腐蝕以腐蝕向材料厚度方向迅速擴(kuò)展為特征，易造成蝕孔孔邊應(yīng)力集中[7](見(jiàn)圖3、圖4)，對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞性較大，還可能導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生，所以其逐漸成為該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。

圖3 點(diǎn)腐蝕蝕孔有限元模型

圖4 點(diǎn)腐蝕蝕孔應(yīng)力集中云圖

1.3 溝槽腐蝕和邊緣腐蝕

溝槽腐蝕容易發(fā)生在臨近板筋焊縫的縱筋連接處，而邊緣腐蝕通常發(fā)生在加強(qiáng)筋自由端以及開(kāi)孔或者缺口處，晶間腐蝕可能發(fā)生在工藝操作(鍛接、焊接及熱矯正等)時(shí)產(chǎn)生局部受熱作用的結(jié)構(gòu)部分[8]。

盡管冶金不變，不受影響的基礎(chǔ)金屬容易遭受高殘余拉應(yīng)力，進(jìn)而造成應(yīng)力腐蝕裂紋。可以看出焊縫可能會(huì)使溝槽腐蝕更為復(fù)雜。然而，很少有文獻(xiàn)對(duì)焊接腐蝕過(guò)程和船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件腐蝕速率的關(guān)系進(jìn)行研究。這可能是由于結(jié)構(gòu)遭受載荷或非載荷(搖蕩作用)時(shí)的連續(xù)交變殘余應(yīng)力，使實(shí)際值難以評(píng)估，而且提高了其對(duì)腐蝕性能的影響。

就結(jié)構(gòu)構(gòu)件的邊緣而言，復(fù)雜的集合性形狀可能會(huì)導(dǎo)致涂層變薄，使這些區(qū)域更容易腐蝕。

2 金屬防腐蝕措施

2.1 涂層保護(hù)

金屬的保護(hù)程度以及防腐蝕程度的高低在一定程度上取決于金屬的涂層材料。如果采用適宜的金屬涂料，并且能夠用恰當(dāng)?shù)氖┕すに噷⒔饘俚哪承┎课贿M(jìn)行有效覆蓋，使金屬表面與外界的各種環(huán)境相隔離，那么就能夠使金屬得到有效的保護(hù)，從而減少金屬的腐蝕。對(duì)于一般的金屬來(lái)說(shuō)，最普遍的辦法就是選擇正確的涂層，因?yàn)橥繉訉?duì)于金屬來(lái)說(shuō)是最有效、最經(jīng)濟(jì)的一種辦法。這其中的關(guān)鍵就在于選擇一套合理的科學(xué)的涂層系統(tǒng)，同時(shí)還要具備正確的施工技術(shù)以及科學(xué)的管理措施[9]。

2.2 外加電流保護(hù)措施

外加電流保護(hù)又稱為強(qiáng)制電流陰極保護(hù)。通過(guò)直流電源以及輔助陽(yáng)極，迫使電流流向被保護(hù)金屬，使金屬表面陰極電位降低到陽(yáng)極電位，此時(shí)，金屬表面不再有陰極或陽(yáng)極，使被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)電位低于周圍環(huán)境，整個(gè)金屬結(jié)構(gòu)成為新的電路中陰極。該系統(tǒng)主要由整流電源、連接電纜、接線盒、參比電極、陰極接地板和輔助陽(yáng)極組成，如圖5所示。

圖5 外加電流保護(hù)裝置組成

2.3 犧牲陽(yáng)極保護(hù)措施

犧牲陽(yáng)極保護(hù)和外加電流保護(hù)都是利用原電池原理，對(duì)陰極進(jìn)行保護(hù)，犧牲陽(yáng)極保護(hù)裝置由電位較負(fù)的金屬材料制成，當(dāng)它與被保護(hù)的管道連接時(shí)，自身發(fā)生優(yōu)先離解，從而抑制被保護(hù)金屬的腐蝕。犧牲陽(yáng)極法和外加電流保護(hù)法都是符合規(guī)范、技術(shù)成熟的保護(hù)法，在工程中都有廣泛的應(yīng)用。2種保護(hù)方法進(jìn)行對(duì)比見(jiàn)表1[10]。

3 針對(duì)海船腐蝕特點(diǎn)的防腐措施

3.1 船體水上部位

船體中處于水上的部分主要包括甲板、上層建筑以及干舷。這些船體的水上部分在平時(shí)主要受到雨雪、海水飛沫以及海洋大氣的影響，這些因素都是造成船體水上部分嚴(yán)重腐蝕的重要原因。在海洋大氣中，存在著大量的氮化物，這樣就使凝結(jié)水加劇了對(duì)船體結(jié)構(gòu)的破壞。盡管如此，由于不直接暴露在海水中，船體結(jié)構(gòu)水上部分主要發(fā)生的依然是化學(xué)腐蝕，對(duì)于這些位置的防腐，一般采用涂料保護(hù)。在有特殊要求的部位采用熱噴涂金屬涂層保護(hù)。

表1 犧牲陽(yáng)極保護(hù)和外加電流保護(hù)方法對(duì)比

3.2 船體水下部位

船體水下部位主要包括主船體結(jié)構(gòu)、球鼻艏以及與主船體直接相連的螺旋槳、舭龍骨、舵、減搖鰭等附體，船體水下部位暴露在海水中，受波浪載荷等的沖擊，易造成涂層脫落。涂層脫落后，由于附體與附體、附體與主船體材料的不同，加上海水作為電解液，容易造成宏電池腐蝕。另外，即使同種金屬，材料中也不可避免的存在其他金屬雜質(zhì)，尤其是合金(鈦合金、銅合金、合金鋼)，這樣就容易發(fā)生微電池腐蝕。對(duì)于這些位置的防腐，僅采用涂料保護(hù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需同時(shí)采用陰極保護(hù)，如前文所述，犧牲陽(yáng)極保護(hù)法初始費(fèi)用較低，使用壽命短，適合用于小型漁船船體水下部位的防腐，而對(duì)于高性能、對(duì)船體水下表面光滑度要求較高、壽命周期較長(zhǎng)的大型船舶，則宜采用外加電流保護(hù)法。

3.3 壓載水艙

如前文所述，壓載水艙在保護(hù)涂層脫落后易發(fā)生點(diǎn)腐蝕，所以，防止壓載水艙腐蝕首先要采用吸附力強(qiáng)的涂料，如環(huán)氧樹(shù)脂。其次，由于壓載水艙與主船體相比較小，壓載水的儲(chǔ)存對(duì)艙內(nèi)布置無(wú)要求，所以便于安裝犧牲陽(yáng)極保護(hù)。另外，由于壓載水艙內(nèi)外均是海水，不利于安裝外加電流保護(hù)。根據(jù)CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》的規(guī)定，為檢查犧牲陽(yáng)極的塊數(shù)、類型和分布情況，應(yīng)提交下列內(nèi)容的說(shuō)明書(shū)：陽(yáng)極材料及其容量；液艙結(jié)構(gòu)的計(jì)算表面積；陽(yáng)極的大小、形狀，包括橫剖面積和總重量；載運(yùn)貨物的類型；用于壓載的時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)論何種腐蝕，都是在涂層脫落的情況下發(fā)生的，所以，尋找新型附著力強(qiáng)的涂料依然是防腐領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。隨著合金材料在船體結(jié)構(gòu)中的使用，微電池腐蝕是不可避免的，這就促進(jìn)了陰極保護(hù)法的發(fā)展，對(duì)于不同類型的腐蝕，選擇合理的保護(hù)方法是至關(guān)重要的。

[1] R.E. Melchers, The changing character of long term marine corrosion of mildsteel[R].Research Report No. 277.04.2010.

[2] Y.Garbatov,C.Guedes Soares,G.Wang,Nonlinear time dependent corrosion wastage of deck plates of ballast and cargo tanks of tankers [J].Journal. Offshore mechanics and Arctic Engineering，2007，129(1):48-55.

[3] R.E.Melchers, Probabilistic models for corrosion in structural reliability assessment - Part 2:models based on mechanics [C].Trans. ASME 125 (2003):272-280.

[4] R.E.Melchers, Extreme value statistics and long-term marine pitting corrosion of steel [J].Probabilistic Engineering Mechanics,2008,23(4):482-488.

[5] K. Katoh,S.Imai, D.T.Yasunaga,et al.Study on localised corrosion on cargo oil tank bottom plate of oil tanker [C].World Maritime Technology Conference,USA,San Francisco,2003.

[6] A. Forsgren,Corrosion Control Through Organic Coatings [M]. Taylor & Francis Group,LLC,2006.

[7] Yi Huang,Yan Zhang, Gang Liu,et al.Ultimate strength assessment of hull structural plate with pitting corrosion danification under biaxial compression [J].Ocean Engineering, 2010,37(17):1503-1512.

[8] 平洋.艦艇結(jié)構(gòu)腐蝕狀態(tài)評(píng)估方法與要求研究[J].船舶，2010，21(4):16-19.

[9] 鄭金東.淺議船體腐蝕與維護(hù)保養(yǎng)措施[J]. 中國(guó)水運(yùn)，2013，13(1):1-2.

[10] 鄭建麗,湛志新,于文明,等.鋼質(zhì)漁船船體腐蝕原因及對(duì)策探討[J].南方水產(chǎn)科學(xué)，2013,9(6)：78-83.

Corrosion is one of the main factors affecting the normal use of steel vessel with the characteristics of normal exist and unavoidance.To degrade the degree of steel vessel corrosion,in this paper,the characteristics and mechanism of corrosion are set out,the existing metal protection measures are discussed,and corresponding protection strategy is put forward for the corrosion characters in different parts of the whole vessel.According to the research,general corrosion is probably to find on the hull and highhumidity chamber,liquid tank is easy to subject pitting corrosion.Sacrificial anode method is suitable for the corrosion of small ships and ballast tank,and impressed current protection method is suitable for the corrosion protection of the underwater part of large ship's hull.

steel vessel;general corrosion;pitting corrosion;sacrificial anode;impressed current

王利偉(1981-)，男，河北唐山人，工程師，碩士，主要從事船舶設(shè)計(jì)鑒定與機(jī)電一體化研究工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.06.002

2016-06-23