鋼質海船腐蝕特點與防護措施

王利偉，逄喜斌，張岳林

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

鋼質海船腐蝕特點與防護措施

王利偉1，逄喜斌2，張岳林1

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

腐蝕是影響鋼質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，為了減少鋼質海船腐蝕程度，文章從腐蝕的特點、機理出發，對目前已有的金屬腐蝕防護措施進行論述，并針對全船不同區域腐蝕特點提出相應的防腐策略。船體、高溫高濕艙室易發生均勻腐蝕，液艙易發生點腐蝕。犧牲陽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。

鋼質海船；均勻腐蝕；點腐蝕；犧牲陽極；外加電流

海洋鋼結構，包括船舶、海洋平臺和暴露在海水環境中的鋼質橋梁都面臨嚴重的腐蝕風險，尤其是服役超過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；從船體強度角度講，腐蝕造成船體板減薄、改變船體結構受力方式從而造成應力集中，進而使船體材料老化，引發疲勞斷裂；從船舶設備角度講，腐蝕影響船舶設備的正常使用；另外，腐蝕產物易造成海洋環境污染。總之，腐蝕以其普遍存在性、不可避免性和持續破壞性，嚴重威脅著船舶的航行和使用安全，所以，研究腐蝕的成因、機理、種類和特點，并據此提出合理的防護措施，具有十分重要的意義。

1 鋼質海船腐蝕特點

在海洋工程中，挪威船級社(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[1]討論并定義了海洋環境中碳鋼的均勻腐蝕機理。這種腐蝕一般發生在結構表面，可能是化學腐蝕，也可能是電化學腐蝕。化學腐蝕是金屬自發的反應，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中發生，如機艙、輔機艙，其腐蝕產物直接產生并覆蓋在金屬表面，從理論上來講，隨著腐蝕產物的積累，金屬表面會形成氧化膜，阻止金屬與水蒸氣和氧氣的繼續接觸，從而限制金屬的繼續腐蝕，如圖1所示。在結構的整個服役周期內，第一階段(T0)由于涂層的保護作用腐蝕不發生，第二階段(Tt)涂層脫落，腐蝕過程開始，第三階段由于腐蝕產物的保護作用腐蝕逐漸停止在一個極限深度(d∞)。然而，由于機械性的碰撞、損傷、振動，以及氧化膜和金屬表面之間的灰塵、雜質，氧化膜并不能在金屬表面長時間的附著，氧化膜脫落后，腐蝕過程重新開始，如圖2所示。其中，階段0：腐蝕被附著微生物和電化學的復雜相互作用所控制，不影響長期腐蝕特性。階段1：活化控制階段，腐蝕速率受臨近金屬表面的氧氣擴散控制(r0為腐蝕速率(mm/a))。階段2：氧氣擴散控制階段，隨著腐蝕產物層的建立，氧氣擴散逐漸受到阻礙，腐蝕速率也隨之降低(ta是從有氧狀態到無氧狀態的轉變時間)。階段3：腐蝕沉淀物中微小位置的形成導致硫酸鹽還原菌的生長，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養供給和腐蝕沉淀物由于磨損(機械損傷)而消耗的影響。

圖1 Guedes Soares-Garbatov腐蝕模型[2]

圖2 Melchers腐蝕模型[3]

對于電化學腐蝕，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，有導電通路，又同時暴露在海水中，海水作為腐蝕溶液，發生宏電池腐蝕。

1.2 點腐蝕

金屬表面上產生的點狀、小孔狀的一種極為局部的腐蝕形態稱為點腐蝕。文獻[4]研究了碳鋼在海洋環境中的點腐蝕，包括微生物引起腐蝕(microbiologically induced corrosion, MIC)的定義。點腐蝕更容易出現在貨油艙底板和一些壓載水艙水平面上。水層(冷凝水和油生產過程中產生的水)經常在貨油艙底部被發現，這種水層可能高達總艙容的20%，而且具有高腐蝕性。盡管底板被薄油層覆蓋，當油層減薄或受損時，嚴重局部腐蝕依然會發生。MIC在有氧環境中代替一般腐蝕，在這些區域主導了腐蝕過程。低溶氧冷凝水和各種化學營養為硫酸鹽還原菌(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]進行的3年研究表明，蝕坑內的pH值介于2～4之間，對于MIC來說太低而不利于生存。

對于壓載水艙中含有機保護涂層(通常是煤焦環氧漆)的水平區域來說，水泡可能會在表面潮濕和溶氧貫穿表面或可溶物質從涂層中浸析時產生。當中性水泡產生時，內表面建立濃度差[6]，與下表面局部腐蝕結合。對于堿性氣泡，由于高堿性水泡液體，蝕坑不易產生，除非水泡發生機械損傷。

點腐蝕以腐蝕向材料厚度方向迅速擴展為特征，易造成蝕孔孔邊應力集中[7](見圖3、圖4)，對結構的破壞性較大，還可能導致疲勞裂紋的產生，所以其逐漸成為該領域研究的重點。

圖3 點腐蝕蝕孔有限元模型

圖4 點腐蝕蝕孔應力集中云圖

1.3 溝槽腐蝕和邊緣腐蝕

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

盡管冶金不變，不受影響的基礎金屬容易遭受高殘余拉應力，進而造成應力腐蝕裂紋。可以看出焊縫可能會使溝槽腐蝕更為復雜。然而，很少有文獻對焊接腐蝕過程和船體結構構件腐蝕速率的關系進行研究。這可能是由于結構遭受載荷或非載荷(搖蕩作用)時的連續交變殘余應力，使實際值難以評估，而且提高了其對腐蝕性能的影響。

就結構構件的邊緣而言，復雜的集合性形狀可能會導致涂層變薄，使這些區域更容易腐蝕。

2 金屬防腐蝕措施

2.1 涂層保護

金屬的保護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，并且能夠用恰當的施工工藝將金屬的某些部位進行有效覆蓋，使金屬表面與外界的各種環境相隔離，那么就能夠使金屬得到有效的保護，從而減少金屬的腐蝕。對于一般的金屬來說，最普遍的辦法就是選擇正確的涂層，因為涂層對于金屬來說是最有效、最經濟的一種辦法。這其中的關鍵就在于選擇一套合理的科學的涂層系統，同時還要具備正確的施工技術以及科學的管理措施[9]。

2.2 外加電流保護措施

外加電流保護又稱為強制電流陰極保護。通過直流電源以及輔助陽極，迫使電流流向被保護金屬，使金屬表面陰極電位降低到陽極電位，此時，金屬表面不再有陰極或陽極，使被保護金屬結構電位低于周圍環境，整個金屬結構成為新的電路中陰極。該系統主要由整流電源、連接電纜、接線盒、參比電極、陰極接地板和輔助陽極組成，如圖5所示。

圖5 外加電流保護裝置組成

2.3 犧牲陽極保護措施

犧牲陽極保護和外加電流保護都是利用原電池原理，對陰極進行保護，犧牲陽極保護裝置由電位較負的金屬材料制成，當它與被保護的管道連接時，自身發生優先離解，從而抑制被保護金屬的腐蝕。犧牲陽極法和外加電流保護法都是符合規范、技術成熟的保護法，在工程中都有廣泛的應用。2種保護方法進行對比見表1[10]。

3 針對海船腐蝕特點的防腐措施

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，這樣就使凝結水加劇了對船體結構的破壞。盡管如此，由于不直接暴露在海水中，船體結構水上部分主要發生的依然是化學腐蝕，對于這些位置的防腐，一般采用涂料保護。在有特殊要求的部位采用熱噴涂金屬涂層保護。

表1 犧牲陽極保護和外加電流保護方法對比

3.2 船體水下部位

船體水下部位主要包括主船體結構、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，尤其是合金(鈦合金、銅合金、合金鋼)，這樣就容易發生微電池腐蝕。對于這些位置的防腐，僅采用涂料保護是遠遠不夠的，需同時采用陰極保護，如前文所述，犧牲陽極保護法初始費用較低，使用壽命短，適合用于小型漁船船體水下部位的防腐，而對于高性能、對船體水下表面光滑度要求較高、壽命周期較長的大型船舶，則宜采用外加電流保護法。

3.3 壓載水艙

如前文所述，壓載水艙在保護涂層脫落后易發生點腐蝕，所以，防止壓載水艙腐蝕首先要采用吸附力強的涂料，如環氧樹脂。其次，由于壓載水艙與主船體相比較小，壓載水的儲存對艙內布置無要求，所以便于安裝犧牲陽極保護。另外，由于壓載水艙內外均是海水，不利于安裝外加電流保護。根據CCS《鋼質海船入級規范》的規定，為檢查犧牲陽極的塊數、類型和分布情況，應提交下列內容的說明書：陽極材料及其容量；液艙結構的計算表面積；陽極的大小、形狀，包括橫剖面積和總重量；載運貨物的類型；用于壓載的時間。

4 結束語

無論何種腐蝕，都是在涂層脫落的情況下發生的，所以，尋找新型附著力強的涂料依然是防腐領域的研究重點。隨著合金材料在船體結構中的使用，微電池腐蝕是不可避免的，這就促進了陰極保護法的發展，對于不同類型的腐蝕，選擇合理的保護方法是至關重要的。

[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.艦艇結構腐蝕狀態評估方法與要求研究[J].船舶，2010，21(4):16-19.

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

[10] 鄭建麗,湛志新,于文明,等.鋼質漁船船體腐蝕原因及對策探討[J].南方水產科學，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，主要從事船舶設計鑒定與機電一體化研究工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.06.002

2016-06-23