鋁合金船舶的腐蝕防護技術現狀與展望

張 波，方志剛，李向陽，董彩常

(1.鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所, 山東 青島 266071)(2.海軍裝備研究院， 北京 100161)(3.中國鋼研科技集團有限公司， 北京 100081)

1 前 言

鋁合金具有比重小、比強度大、耐海水腐蝕性好、無磁性、低溫性能好等優點，它作為結構材料在造船業日益受到重視[1]。用鋁合金作船體材料可以有效地減輕船舶的重量，提高穩定性和航速，增強艦艇的技術戰術性能。對于高速滑行艇、水翼艇、氣墊船、小水面船及一些特殊用途船，選用鋁合金尤為合適。過去的30年，隨著鋁合金惰性氣體焊接技術的發展，生產成本的不斷降低，鋁合金材料的優勢及在海洋環境的應用不斷拓展，不僅在輕型船舶領域，在高速快艇領域也得到了很快發展[2-3]。

鋁和鋁合金化學性質很活潑，但由于它能與氧生成致密而鈍化的氧化膜，所以耐蝕性比鋼材好得多[4-5]。當鋁合金用在船舶上時，不論是在哪個部位，都或多或少會與海水接觸，或受到海水飛沫和海洋大氣的侵襲，因而受到一定的腐蝕。鋁合金的腐蝕是一個很復雜的過程，既受環境影響，又與合金的性質有關。船用鋁合金在海洋環境中常見的腐蝕類型有：點蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、剝落腐蝕和應力腐蝕開裂等[6]。

本文對船舶用鋁合金的腐蝕現狀進行了調研分析，在此基礎上，結合本研究所多年積累的鋁合金實海腐蝕研究資料對船舶用鋁合金的腐蝕防護技術應用現狀及其前景進行了分析總結，以期為鋁合金船的設計者、建造者和使用者提供參考。

2 鋁合金船舶的腐蝕情況

海洋環境是比較嚴酷的環境，對處于該工作環境中的鋁合金的防腐要求更高。對于船舶來說，不同部位所處的腐蝕環境不同，船底主要是受天然海水的滲透浸蝕作用和水生物的附著，水線以上部位主要是受鹽霧腐蝕作用和大氣老化作用。目前，鋁合金船舶的腐蝕基本情況如下：①船體的腐蝕防護一般采用涂料+鋁合金犧牲陽極的方法。根據對XX型艇的塢修及檢查記錄反映，目前使用涂料+鋁合金犧牲陽極的方法防腐效果良好，艇體水線上外表面及上層建筑總體漆膜較為完整，艇體水下部分未出現明顯腐蝕。涂層方面未出現大面積脫落，只有少數幾艘艇涂層漆膜局部受到機械刮傷而出現局部缺陷，如圖1所示。②空艙基本為裸鋁，沒有涂料保護設計。對幾艘在塢艇的空艙檢查發現，空艙艙壁普遍存在點腐蝕。空艙地板與船殼板的焊接處，普遍存在較明顯的腐蝕，如圖2，3所示。③鋁合金管海水管路存在電偶腐蝕現象。目前，在設計中要求與鋁合金管路配套的閥門、水泵、濾器等附件均應為鋁質，并且要求在所有異金屬連接處進行嚴格的電絕緣。但調研發現，仍有部分鋁合金管路與鋼質管路直接相連，并未采取相應的電絕緣措施。④在某型艇的專項全面檢查中發現較多艇艉板法蘭有明顯腐蝕，有的局部嚴重腐蝕甚至穿孔。個別艇的艉軸管架端部、艉封板與艉板法蘭連接的螺栓孔也出現了腐蝕。其腐蝕原因是涂層在內應力和水動力的沖刷作用下加速脫落，同時，鑄鋁噴泵艉板法蘭與不銹鋼葉輪產生電偶效應，繼而形成電化學腐蝕。當具備形成沖刷條件或氣蝕條件時，尾板法蘭則相繼產生沖刷腐蝕、空泡腐蝕和各種腐蝕疊加，直至形成穿孔。

圖1 某艇左片體艇體涂層脫落的照片Fig.1 Macrophoto of coating falling off on left piece hull of certain boat

圖2 某艇5號空艙腐蝕照片Fig.2 Macrophoto of corrosion of 5# empty cabin on certain boat

圖3 某艇空艙焊縫處腐蝕照片Fig.3 Macrophoto of corroded welding seam of empty cabin on certain boat

3 船舶用鋁合金腐蝕防護技術現狀

3.1 犧牲陽極陰極保護

對于小型高速船，一般不采用外加電流陰極保護措施。目前國外最為普遍采用的是在艇體外板(有防腐涂層)設置犧牲陽極。鋁合金本身相對鋼、銅等材料來說是一種很好的犧牲陽極材料；對于鋁船體，必須選用電極電位足夠負的鋁合金犧牲陽極來對它進行陰極保護，同時要考慮陽極具有良好的溶解特性及電位不能過負而導致鋁發生堿腐蝕[7-8]。目前，鋁合金犧牲陽極材料的主要成分為Al-Zn-In-Mg-Ti；犧牲陽極使用螺栓固定，陽極中的“鐵蕊”必須使用鋁蕊，螺栓必須使用鋁質螺栓[9]。但根據調研情況，東海某型艇體外板Al-Zn-In-Mg-Ti犧牲陽極由于快艇上排時間過長，犧牲陽極表面的腐蝕產物經過空氣暴曬和干燥作用，形成堅硬的外殼，阻礙了犧牲陽極完全發揮保護作用。

另外，目前僅有針對鋼質船舶的犧牲陽極設計標準，還沒有成熟的能適用于鋁合金船舶犧牲陽極保護的相應標準規范和設計方法。隨航速的變化，鋁殼船船體濕表面的電位分布變化很大，犧牲陽極的數量、布置位置及平均保護電流密度值都缺乏設計依據。

3.2 鋁合金船用防腐防污涂料

鋁合金船船底和水線以上部位所處的腐蝕環境不同，船底主要是天然海水的滲透侵蝕作用和水生物的附著，水線以上部位主要是鹽霧腐蝕作用和大氣老化作用，因此，船底和水線以上部位對防腐漆的要求不完全相同。

船底防腐底漆應具有優良的耐海水腐蝕性能和優異的涂層附著力，如環氧聚酰胺類底漆；而水線以上部位的底漆應具有優良的耐鹽霧性能，如環氧聚酰胺類底漆、聚氨酯類底漆和氯化橡膠類底漆[10]。尤其是環氧樹脂，由于具有耐水性好、對基體附著力強、與多種涂料配套性好等優點而得到廣泛應用，通過添加各種防銹顏料，可滿足多種條件下的防腐要求，在配套體系中應用最為廣泛，如美國海軍在鋁殼艇中使用的就是雙組分環氧底漆(IP公司的Interguard 264系列、Epaint公司的EP Primer 1000等)。我國海軍XX艇的防銹底漆為H900X環氧防銹漆。

鋁合金船水線及水線以下的船殼在海水環境中深受海生物之害，附著在船底的海生物不僅增大了阻力和額外重量，還加速鋁合金的縫隙腐蝕。因此，除了要涂裝防腐涂料外，還必須涂裝防污涂料。早期的防污涂料采用有機錫、砷等有毒防污劑，隨著環保法規的陸續出臺，有機錫、砷等有毒防污劑的使用已受到限制[11]，而在含氧化亞銅的防污涂料中，由于銅與鋁之間電極電位的差別，會加速鋁合金船的腐蝕，因此在鋁合金船上使用的防污涂料應避免氧化亞銅的出現。現在普遍應用的是環保型無錫自拋光防污涂料和低表面能防污涂料。美國海軍在鋁殼艇的配套涂料中使用的就是3組分有機硅彈性體防污涂料和不含銅以及錫的單組分自拋光防污涂料，如IP公司的Intersleek 425和Epaint公司的SN-1等。我國海軍XX艇的防污漆為859長效船底防污漆，該漆不含有機錫D.D.T和氧化亞銅，符合國際海事組織有關控制船上使用防污涂料的國際規范。

對于水線以上的部位，面漆則應具有良好的耐大氣老化性、良好的光澤保持性以及裝飾性，并且與底漆具有良好的配套性，可以采用聚氨酯類面漆、醇酸類面漆、丙烯酸酯類面漆等，現在通常采用的是聚氨酯類面漆[12]。隨著對涂料性能要求的不斷提高，性能優越的氟碳涂料或者環氧、丙烯酸改性的氟碳涂料也開始應用到鋁合金的配套涂層體系中。

3.3 鋁合金的微弧氧化處理

微弧氧化處理是近年來興起的一種表面處理新技術。它采用較高的能量密度，將陽極氧化工作區從法拉第區引入到高壓放電區，通過電化學、熱化學及等離子體化學等的共同作用，在Al,Mg,Ti,Nd等有色金屬表面原位形成陶瓷質氧化膜[13]。微弧氧化是陽極氧化技術的發展，其實質仍是較高電壓下的陽極氧化。而與常規陽極氧化比較，微弧氧化對工件的前處理要求不苛刻，因而工件的表面狀態對工藝的影響不大。鋁合金微弧氧化膜同陽極氧化膜的性能比較如表1所示[14]。

表1 鋁合金微弧氧化膜和陽極氧化膜比較Table 1 Comparison of aluminum alloy microarc oxidation film and anodic oxide film

目前，對于鋁合金船的空艙腐蝕問題，雖然涂層是解決方法之一，但由于該型船輕便快捷的結構設計要求，涂層的使用既增加了重量，又增加了消防安全隱患，因此不宜使用。空艙腐蝕是因鋁材鈍化膜局部受到破壞引起的，對鈍化膜保護的強化是必然的方法。因此，相對于涂裝而言，下一步應考慮將微弧氧化技術作為空艙主要的防護措施。

3.4 鋁合金船的異種金屬絕緣隔離保護技術

鋁合金船雖然船體是鋁材，但因各種機電設備、管路系統、舾裝件等大部分是由非鋁質金屬構成的，而鋁與非鋁質金屬存在電位差，較易形成電偶腐蝕[15]。為了預防電偶腐蝕應采取措施：①相同區域或管系選用同一種耐蝕材料，如鈦管鈦閥、鋁管鋁閥，避免異種金屬直接接觸。②無法避免時，采取有效可靠的絕緣保護措施。無論是船體還是管系，鋁合金材料與其它金屬部件連接時，都要采取相對適用的絕緣措施，如環氧樹脂、尼龍墊片、套筒及螺紋絕緣膠等。

4 船舶用鋁合金腐蝕防護技術展望

鋁合金由于具有多種優點而得到廣泛的應用，隨著船舶上鋁合金使用部位的增多，對鋁合金的防腐要求也越來越高。

(1)鋁合金船體犧牲陽極布置時應兼顧考慮船停靠碼頭和高速航行時兩種不同的狀態，應采用模擬仿真計算和優化布置設計。根據鋁合金的靜態自然腐蝕穩定電位值和動態開路電位值，以犧牲陽極材料實驗數據為基礎，定量確定犧牲陽極最佳數量、布置位置及保護年限。同時，在不同的海域，應針對相應的海域特點使用能夠有效發揮保護作用的犧牲陽極材料。

(2)鋁合金表面對涂料有其特殊要求，選擇適當的涂料和制定恰當的配套對鋁合金船防腐效果至關重要。隨著環保法規的陸續出臺，今后用于鋁合金的防腐涂料將采用新的技術，向著無毒、通用化、高性能的方向發展。開發新型環保、性能優異的防銹顏料是今后發展的重點。

(3)微弧氧化技術在國內外均未進入大規模工業應用階段，但該技術的特點決定了其比較適用于對鋁合金船的空艙腐蝕進行防護。因此，在鋁合金船舶的防腐蝕領域，微弧氧化技術具有廣泛的應用前景。

5 結 語

雖然鋁合金在海洋環境中具有較好的耐蝕性，但鋁合金船在使用過程中暴露出不同以往鋼質船舶的腐蝕特點和規律，如不同海域環境和服役條件造成同樣成分和規格的Al-Zn-In-Mg-Ti犧牲陽極對船體的保護狀況不一、水下船體點蝕問題較為普遍甚至穿孔和空艙艙底積水造成嚴重點蝕等現象。目前，我國海軍和民用鋁合金船舶的設計者和使用者也意識到了腐蝕對鋁合金船的危害性和鋁殼船腐蝕的獨特性，不能僅僅是將鋼質船成功的防腐技術和經驗照搬過來加以應用。因此，還需針對鋁合金船的具體腐蝕現狀及潛在的腐蝕問題進行深入研究，采取多種新技術、新材料、新工藝來進行有效控制，以保障鋁合金船的在役期安全性能。

同時，鋁殼船的腐蝕控制還與設計、建造、維護、修理及使用環境等密切相關，這是一項復雜的系統工程。因此，在加強鋁合金船腐蝕防護技術重點攻關、不斷提高設計和建造水平的同時，還要進一步規范鋁殼船的使用維護工作，并完善相關維修操作規程，進而建立腐蝕綜合控制體系，才能最終做好鋁殼船的腐蝕控制工作。

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