鋁合金船舶的腐蝕及防腐工藝

安連彤 廣東海洋大學(xué)海運(yùn)學(xué)院

裴冬梅 歐倫船業(yè)有限公司

孫成琪 趙志強(qiáng) 廣東海洋大學(xué)海運(yùn)學(xué)院

鋁合金機(jī)械強(qiáng)度高、耐腐蝕能力強(qiáng)、加工成型性好、可焊接、密度遠(yuǎn)小于鋼材，在諸如游艇、水翼船、軍用快艇等高速船舶制造領(lǐng)域獲得了愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用，成為世界各國(guó)艦船的主要結(jié)構(gòu)材料之一。由于表面氧化膜的存在，鋁合金的耐腐蝕性遠(yuǎn)好于鋼材，但在復(fù)雜的海洋環(huán)境下，仍然會(huì)發(fā)生各種類(lèi)型的腐蝕，造成穿孔、開(kāi)裂、剝落等嚴(yán)重的后果。近年來(lái)，船舶鋁合金腐蝕問(wèn)題受到廣泛關(guān)注，開(kāi)展諸多鋁合金在海水中腐蝕行為的研究，證明鋁合金的腐蝕和合金成分、海水環(huán)境、溫度、磁場(chǎng)等多種因素相關(guān)。

本文分析了鋁合金船舶的腐蝕類(lèi)型及其腐蝕機(jī)理，比較了船用各系鋁合金的防腐特性和應(yīng)用范圍，并探討了鋁合金船舶常用的防腐工藝和施工注意事項(xiàng)。

1.鋁合金船舶的腐蝕分類(lèi)

鋁合金的腐蝕是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，既和合金的性質(zhì)相關(guān)，又受到環(huán)境的影響，船舶鋁合金的腐蝕有如下幾種形式。

1.1 均勻腐蝕

鋁及鋁合金表面受到均勻侵蝕時(shí)，稱(chēng)之為均勻腐蝕。鋁合金表面致密氧化膜非常致密，在大氣中的耐腐蝕性極佳，有證據(jù)表明，長(zhǎng)時(shí)間曝露在大氣環(huán)境中的鋁合金腐蝕率極低，并且?guī)缀鯖](méi)有機(jī)械性能損失。鋁合金表面的氧化膜有較強(qiáng)的耐酸堿性，通常在pH=3.5～8.5的溶液中都能保證不被破壞，能夠耐受海水腐蝕。因此，船舶鋁合金幾乎不會(huì)發(fā)生均勻腐蝕。

1.2 點(diǎn)腐蝕

點(diǎn)腐蝕又稱(chēng)為孔蝕，是船舶鋁合金最典型的局部腐蝕，以局部分散蝕孔的形式出現(xiàn)。通常，鋁合金發(fā)生點(diǎn)腐蝕的原因是其表面氧化膜存在缺陷（如凹坑）或薄弱點(diǎn)(如夾雜物、晶界、位錯(cuò)等)，這些部位容易吸附Cl-，和海水中氧的共同作用下，導(dǎo)致鈍化膜的溶解破壞，在鋁基體上形成細(xì)微的孔洞，并形成大陰極小陽(yáng)極的腐蝕電池。Cl-侵入并與Al3+作用，使蝕孔內(nèi)酸性增強(qiáng)，進(jìn)一步加快腐蝕速度。通常，蝕孔深度與浸漬時(shí)間的立方根成正比。鋁合金的點(diǎn)腐蝕產(chǎn)物Al(OH)3會(huì)堆積在蝕孔的出口處，呈砂礫狀白色粉末。鋁合金船舶的點(diǎn)腐蝕常出現(xiàn)在船體外表面以及機(jī)艙、空調(diào)間等通有海水管路的位置，嚴(yán)重的點(diǎn)腐蝕會(huì)造成船體和設(shè)備的穿孔。此外，大氣中的鋁合金，當(dāng)表面附著有混凝土、煤煙、鐵粉、硫氧化物、氮氧化物等物質(zhì)時(shí)，如果混合水汽就會(huì)形成腐蝕性溶液，同樣會(huì)造成鋁合金的點(diǎn)腐蝕。

1.3 接觸腐蝕

接觸腐蝕指兩種不同金屬相互接觸并處于電解質(zhì)中所產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕，是一種典型的電偶腐蝕。鋁合金材料的陽(yáng)極活性較高，在常溫靜止的海水中，A l-Mg合金的穩(wěn)定電位在（-0.75）～（-0.80）V之間,Al-Zn-Mg合金的穩(wěn)定電位在（-0.90）～（-0.95）V之間，遠(yuǎn)低于其它常用金屬材料的電極電位（Cu為-0,20V，Pb為-0.55V，軟鋼大約為-0.58V），當(dāng)鋁合金與這些金屬接觸時(shí)，會(huì)形成電偶，鋁合金作為陽(yáng)極發(fā)生電化學(xué)腐蝕。所以，鋁合金船體上很少使用銅和鋼鐵材料。但是，鋁合金和奧氏體不銹鋼之間卻很少發(fā)生接觸腐蝕，因此可以在鋁合金船體上使用不銹鋼附體，但是在兩者的基礎(chǔ)部位仍可能出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕現(xiàn)象。

1.4 縫隙腐蝕

縫隙腐蝕本質(zhì)上屬于電化學(xué)腐蝕中的濃差腐蝕，鋁合金等有表面鈍化膜的金屬最容易發(fā)生縫隙腐蝕。發(fā)生縫隙腐蝕的縫隙寬度在0.025～0.254mm之間，該寬度可以保證海水（Cl-）能夠進(jìn)入并滯留在縫隙中。從而造成縫隙內(nèi)外海水的氧濃度差，最終導(dǎo)致差異充氣腐蝕。縫隙腐蝕會(huì)在縱深處形成和發(fā)展，破壞性極大。早期采用鉚接形式的船體，鉚縫內(nèi)部易發(fā)生縫隙腐蝕，腐蝕產(chǎn)物Al(OH)3體積膨脹可能導(dǎo)致鉚釘松脫，結(jié)構(gòu)損壞。現(xiàn)代鋁合金船舶縫隙腐蝕多發(fā)生在船體水線以下結(jié)構(gòu)或裝置的縫隙處。此外，鋁合金與木制件接觸時(shí)，接觸面常存在縫隙，因此鋁合金船舶應(yīng)避免使用木制護(hù)舷。

表1 船舶常用鋁合金的特性及用途

2.船用鋁合金的耐蝕性

船用鋁合金按用途可分為船體結(jié)構(gòu)用鋁合金、舾裝用鋁合金以及焊接添加用鋁合金。5000系合金（鋁鎂合金）抗拉強(qiáng)度高、延伸率大，密度低于其它系鋁合金，且有較好的耐海水腐蝕性，適合制造船殼和其它部件，在船舶制造中應(yīng)用最為廣泛。6000系合金（鋁鎂硅合金）同樣具有較好的機(jī)械性能，且成形性更佳，但在海水中容易出現(xiàn)晶間腐蝕，因此主要用于船舶上部結(jié)構(gòu)。7000系列合金（鋁鋅鎂合金）的機(jī)械和工藝性能均優(yōu)于5000系列合金，具有良好的發(fā)展前景，但抗應(yīng)力腐蝕性差，因此制約了該系列合金的應(yīng)用范圍，目前主要用于軍用艦船。此外，1000系合金（純鋁）和3000系合金（鋁錳合金）成形性和可焊性較好，常用于船舶的內(nèi)裝。船舶常用鋁合金的用途及特性如表1所示。

3.鋁合金船舶的防腐

3.1 涂料防腐

涂料防腐廣泛應(yīng)用于鋁合金船舶的船體及上層建筑的腐蝕防護(hù)，其防護(hù)效果取決于涂料品質(zhì)、涂刷質(zhì)量、施工環(huán)境等多種因素。在涂刷前通常要進(jìn)行小樣空泡試驗(yàn)，測(cè)試合格方可涂裝。防腐涂料必須獲得船級(jí)社認(rèn)可，涂料中不得含有銅、鉛、汞等惰性金屬，也不得含有石墨等導(dǎo)電材料，以免鋁合金發(fā)生電化學(xué)腐蝕或其它類(lèi)型腐蝕。油漆防腐在施工過(guò)程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）應(yīng)使用真空噴涂設(shè)備進(jìn)行噴涂，在預(yù)涂和小面積涂裝時(shí)可使用涂刷方法；

（2）涂覆前，應(yīng)適當(dāng)清理被涂覆表面，尤其是焊縫和邊角部位，確保表面無(wú)粉塵和其它污染物；

（3）涂覆時(shí)，相對(duì)濕度須小于85%，環(huán)境溫度高于5℃，被涂覆表面溫度高于露點(diǎn)溫度3℃以上，以免水汽凝結(jié)在底材表面，導(dǎo)致漆膜出現(xiàn)白化、起泡、剝落等現(xiàn)象；

（4）兩道涂層的涂覆間隔通常不受限制（乙烯環(huán)氧漆除外），但若前道涂層因陽(yáng)光照射等原因出現(xiàn)粉化現(xiàn)象，則需對(duì)其表面進(jìn)行清潔，通過(guò)打磨、拉毛等措施除去粉化表面，以提高涂層附著力。此外，如需獲得最佳附著力則應(yīng)在前道涂層完全固化前進(jìn)行后道涂層的涂裝；

（5）涂層應(yīng)無(wú)空隙、劃痕及其它易于引起局部腐蝕的有害缺陷，陽(yáng)極氧化鋁制件表面不需涂覆油漆。

3.2 絕緣隔離

與鋁合金直接接觸的絕緣材料中不得含有導(dǎo)致鋁合金腐蝕的有害成份，否則，應(yīng)當(dāng)采用適當(dāng)?shù)耐苛匣虬策M(jìn)行隔離。用于粘結(jié)鋁合金與絕緣材料的粘結(jié)劑中也不得含有對(duì)鋁合金有腐蝕作用的成份。尤其要注意的是，一些木材中可能含有銅、鉛等微量元素以及酸性樹(shù)液，不能與鋁合金直接接觸。

船上的一些死角、縫隙、凹槽等位置，容易積存灰塵、污垢和液體，尤其腐蝕性液體經(jīng)蒸發(fā)濃縮后，酸堿度較高，會(huì)引起嚴(yán)重的腐蝕。對(duì)于這些位置，應(yīng)采用涂層或其他方法進(jìn)行防護(hù)。應(yīng)當(dāng)優(yōu)化艙室布置，盡量避免死角的出現(xiàn)，尤其在潮濕處更應(yīng)該注意。在可能產(chǎn)生剝離腐蝕的舭部、錨鏈艙等處，所使用的鋁合金應(yīng)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚恚咕哂锌箘冸x腐蝕的能力。對(duì)于60℃以上的工作環(huán)境，應(yīng)使用特別指定在該溫度下工作的鋁合金和焊接材料。

3.3 陰極保護(hù)

陰極保護(hù)分為犧牲陽(yáng)極保護(hù)和外加電流保護(hù)兩種形式，小型高速船一般采用前者。對(duì)鋁合金船體采用犧牲陽(yáng)極保護(hù)時(shí)，過(guò)低的陽(yáng)極電位可能導(dǎo)致被保護(hù)的鋁合金表面pH值過(guò)高，溶解表面的氧化膜，使腐蝕加劇，因此要嚴(yán)格限制保護(hù)電位，防止出現(xiàn)過(guò)保護(hù)現(xiàn)象。通常采用高純度鋅（≥99.99%）、鋅合金（如Zn-Al-Cd）、鎂合金、及鋁合金（如Al-Zn-In-Mg-Ti）作為陽(yáng)極材料。

（1）犧牲陽(yáng)極可用焊接或螺接方法進(jìn)行安裝。焊接時(shí)可將支架焊于船殼上，也可以用埋頭螺釘將陽(yáng)極固定于艉部延伸板上或艉封板上。犧牲陽(yáng)極應(yīng)制成流線型，以減少船體阻力；

（2）犧牲陽(yáng)極的內(nèi)部芯材應(yīng)使用鋁芯，安裝用螺栓（螺釘）也應(yīng)使用鋁制螺栓，安裝陽(yáng)極的支架與固定螺栓應(yīng)與鋁合金船體緊密接觸，確保陽(yáng)極與船體良好接觸與導(dǎo)電；

（3）不能在犧牲陽(yáng)極外表面涂覆油漆，否則會(huì)阻礙保護(hù)回路的形成，喪失防腐效果，而在陽(yáng)極背面可刷涂一道油漆，即可防止陽(yáng)極腐蝕脫落，也能限制陽(yáng)極背面放電，保證陽(yáng)極作用面積的穩(wěn)定，防止出現(xiàn)過(guò)保護(hù)。需要強(qiáng)調(diào)的是，油漆只能刷涂在陰極金屬上，而不能刷涂在鋁合金上，否則可能會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)蝕；

（4）若陽(yáng)極長(zhǎng)時(shí)間曝露在空氣中，則應(yīng)注意陽(yáng)極表面腐蝕產(chǎn)物由于日曬干燥導(dǎo)致的陽(yáng)極鈍化，及時(shí)清除鈍化層；

（5）犧牲陽(yáng)極的材料、數(shù)量、尺寸、位置及固定方式等詳細(xì)資料應(yīng)提交船級(jí)社審查。

此外，對(duì)于采用外加電流保護(hù)的船舶，應(yīng)采取相應(yīng)措施以防止過(guò)保護(hù)的發(fā)生，并應(yīng)提供陽(yáng)極類(lèi)型、電壓、布置等資料供船級(jí)社審查。必要時(shí)可進(jìn)行電極電位測(cè)試。陰極保護(hù)系統(tǒng)一般應(yīng)保證至少2年的服役期。年檢時(shí)如發(fā)現(xiàn)有必要，可以進(jìn)行更新或修補(bǔ)。

3.4 設(shè)備防腐

（1）船舶尾軸和舵桿一般采用不銹鋼材料，尾軸承和舵軸承需采用高分子復(fù)合材料使尾軸和舵桿與主船體鋁質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行絕緣；

（2）當(dāng)使用不銹鋼軸承套時(shí)，軸承套與船體之間應(yīng)采用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行連接固定，軸封的安裝也是采用環(huán)氧樹(shù)脂與船體實(shí)現(xiàn)絕緣，主機(jī)齒輪箱的彈性減震器使用環(huán)氧樹(shù)脂絕安裝在船體縱桁基座上實(shí)現(xiàn)絕緣；

（3）螺旋槳艉軸通常采用不銹鋼材料，而漿葉漿轂采用鎳鋁青銅，兩者都是耐腐蝕材料，大量實(shí)船案例表明，這兩種異種金屬拂配接觸后不會(huì)發(fā)生相互腐蝕。螺旋槳、艉軸架采用環(huán)氧樹(shù)脂與船體實(shí)現(xiàn)絕緣，螺旋槳軸與船體本身也應(yīng)絕緣。

3.5 施工注意事項(xiàng)

（1）鋁合金船舶在塢內(nèi)修造時(shí)，應(yīng)防止雜散電流對(duì)鋁合金船體的不利影響。杜絕修造過(guò)程中因使用岸電、電焊、搭線等造成的船體被腐蝕情況和異種金屬腐蝕情況。交流電應(yīng)與船體絕緣。直流電應(yīng)盡量避免接地于鋁合金船體。當(dāng)出于安全考慮必須接地時(shí)，應(yīng)將負(fù)極接于船體。

（2）禁止使用鋼絲棉或鋼絲刷刷洗鋁船體的表面，如果需要可以進(jìn)行研磨，但不能使用砂輪或已用于除漆的其中含有銅或汞的防污化合物的非金屬磨片。

（3）基座與設(shè)備的連接螺栓、螺母等除特殊要求外，均采用不銹鋼1Cr18Ni9Ti。對(duì)鋁質(zhì)上層建筑的鋁合金基座與非鋁合金設(shè)備基座安裝時(shí),其緊固螺栓配套絕緣套管，防止異種金屬材料接觸產(chǎn)生電化腐蝕；

（4）注意避免與堿性較強(qiáng)的灰漿發(fā)生接觸，避免艙內(nèi)長(zhǎng)期積水等引起的腐蝕。

4.結(jié)論

（1）鋁合金船舶的腐蝕形式以點(diǎn)腐蝕最為典型，也容易發(fā)生接觸腐蝕和縫隙腐蝕，這些腐蝕形式的本質(zhì)都是電化學(xué)腐蝕；

（2）5000系鋁合金兼具優(yōu)良的機(jī)械性能和抗腐蝕性，在鋁制船舶上應(yīng)用中最為廣泛，7000系合金機(jī)械性能優(yōu)異，具有良好的發(fā)展前景；

（3）油漆涂覆結(jié)合犧牲陽(yáng)極保護(hù)是目前最普遍的防腐工藝，可以有效防止鋁合金船舶的腐蝕。

（4）鋁合金船舶腐蝕防護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)的工程，只有抓好設(shè)計(jì)、建造、使用、維護(hù)過(guò)程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)，才能有效解決鋁合金船舶的防腐問(wèn)題。