钢质海船腐蚀特点与防护措施

王利伟，逄喜斌，张岳林

(1.91404部队，河北 秦皇岛 066001；2.92956部队，辽宁 旅顺 116041)

钢质海船腐蚀特点与防护措施

王利伟1，逄喜斌2，张岳林1

(1.91404部队，河北 秦皇岛 066001；2.92956部队，辽宁 旅顺 116041)

腐蚀是影响钢质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，为了减少钢质海船腐蚀程度，文章从腐蚀的特点、机理出发，对目前已有的金属腐蚀防护措施进行论述，并针对全船不同区域腐蚀特点提出相应的防腐策略。船体、高温高湿舱室易发生均匀腐蚀，液舱易发生点腐蚀。牺牲阳极法适用于小型船舶、压载水舱的防腐，外加电流法适用于大型船舶船体水下部分的防腐。

钢质海船；均匀腐蚀；点腐蚀；牺牲阳极；外加电流

海洋钢结构，包括船舶、海洋平台和暴露在海水环境中的钢质桥梁都面临严重的腐蚀风险，尤其是服役超过15～20 a之后。从船舶性能角度讲，腐蚀造成船体表面粗糙，增大船舶航行阻力；从船体强度角度讲，腐蚀造成船体板减薄、改变船体结构受力方式从而造成应力集中，进而使船体材料老化，引发疲劳断裂；从船舶设备角度讲，腐蚀影响船舶设备的正常使用；另外，腐蚀产物易造成海洋环境污染。总之，腐蚀以其普遍存在性、不可避免性和持续破坏性，严重威胁着船舶的航行和使用安全，所以，研究腐蚀的成因、机理、种类和特点，并据此提出合理的防护措施，具有十分重要的意义。

1 钢质海船腐蚀特点

在海洋工程中，挪威船级社(DNV)建议把腐蚀分为4种类型。

1.1 均匀腐蚀

均匀腐蚀也叫全面腐蚀，即腐蚀均匀分布在金属表面上。文献[1]讨论并定义了海洋环境中碳钢的均匀腐蚀机理。这种腐蚀一般发生在结构表面，可能是化学腐蚀，也可能是电化学腐蚀。化学腐蚀是金属自发的反应，由于不需要异种金属接触和电解液，这种腐蚀往往是普遍存在的，尤其容易在高温高湿的气体介质中发生，如机舱、辅机舱，其腐蚀产物直接产生并覆盖在金属表面，从理论上来讲，随着腐蚀产物的积累，金属表面会形成氧化膜，阻止金属与水蒸气和氧气的继续接触，从而限制金属的继续腐蚀，如图1所示。在结构的整个服役周期内，第一阶段(T0)由于涂层的保护作用腐蚀不发生，第二阶段(Tt)涂层脱落，腐蚀过程开始，第三阶段由于腐蚀产物的保护作用腐蚀逐渐停止在一个极限深度(d∞)。然而，由于机械性的碰撞、损伤、振动，以及氧化膜和金属表面之间的灰尘、杂质，氧化膜并不能在金属表面长时间的附着，氧化膜脱落后，腐蚀过程重新开始，如图2所示。其中，阶段0：腐蚀被附着微生物和电化学的复杂相互作用所控制，不影响长期腐蚀特性。阶段1：活化控制阶段，腐蚀速率受临近金属表面的氧气扩散控制(r0为腐蚀速率(mm/a))。阶段2：氧气扩散控制阶段，随着腐蚀产物层的建立，氧气扩散逐渐受到阻碍，腐蚀速率也随之降低(ta是从有氧状态到无氧状态的转变时间)。阶段3：腐蚀沉淀物中微小位置的形成导致硫酸盐还原菌的生长，尤其是靠近金属表面(ra为加速腐蚀速率/(mm/a))。阶段4：腐蚀速率受还原菌的营养供给和腐蚀沉淀物由于磨损(机械损伤)而消耗的影响。

图1 Guedes Soares-Garbatov腐蚀模型[2]

图2 Melchers腐蚀模型[3]

对于电化学腐蚀，又可分为宏电池腐蚀和微电池腐蚀，而均匀腐蚀一般是宏电池腐蚀，如船体水下部位的钛合金球鼻艏和低合金钢船外板、船外板和铜合金螺旋桨，2种金属活性不同，存在电位差，2种金属相互接触，有导电通路，又同时暴露在海水中，海水作为腐蚀溶液，发生宏电池腐蚀。

1.2 点腐蚀

金属表面上产生的点状、小孔状的一种极为局部的腐蚀形态称为点腐蚀。文献[4]研究了碳钢在海洋环境中的点腐蚀，包括微生物引起腐蚀(microbiologically induced corrosion, MIC)的定义。点腐蚀更容易出现在货油舱底板和一些压载水舱水平面上。水层(冷凝水和油生产过程中产生的水)经常在货油舱底部被发现，这种水层可能高达总舱容的20%，而且具有高腐蚀性。尽管底板被薄油层覆盖，当油层减薄或受损时，严重局部腐蚀依然会发生。MIC在有氧环境中代替一般腐蚀，在这些区域主导了腐蚀过程。低溶氧冷凝水和各种化学营养为硫酸盐还原菌(sulphate-reducing bacteria, SRB)等微生物提供了赖以生存的理想有氧条件。而且，温油和加热设施也能加剧微生物腐蚀，研究表明，温度介于20～50 ℃是SRB的最佳新陈代谢条件[2]。然而，Katoh等[5]进行的3年研究表明，蚀坑内的pH值介于2～4之间，对于MIC来说太低而不利于生存。

对于压载水舱中含有机保护涂层(通常是煤焦环氧漆)的水平区域来说，水泡可能会在表面潮湿和溶氧贯穿表面或可溶物质从涂层中浸析时产生。当中性水泡产生时，内表面建立浓度差[6]，与下表面局部腐蚀结合。对于碱性气泡，由于高碱性水泡液体，蚀坑不易产生，除非水泡发生机械损伤。

点腐蚀以腐蚀向材料厚度方向迅速扩展为特征，易造成蚀孔孔边应力集中[7](见图3、图4)，对结构的破坏性较大，还可能导致疲劳裂纹的产生，所以其逐渐成为该领域研究的重点。

图3 点腐蚀蚀孔有限元模型

图4 点腐蚀蚀孔应力集中云图

1.3 沟槽腐蚀和边缘腐蚀

沟槽腐蚀容易发生在临近板筋焊缝的纵筋连接处，而边缘腐蚀通常发生在加强筋自由端以及开孔或者缺口处，晶间腐蚀可能发生在工艺操作(锻接、焊接及热矫正等)时产生局部受热作用的结构部分[8]。

尽管冶金不变，不受影响的基础金属容易遭受高残余拉应力，进而造成应力腐蚀裂纹。可以看出焊缝可能会使沟槽腐蚀更为复杂。然而，很少有文献对焊接腐蚀过程和船体结构构件腐蚀速率的关系进行研究。这可能是由于结构遭受载荷或非载荷(摇荡作用)时的连续交变残余应力，使实际值难以评估，而且提高了其对腐蚀性能的影响。

就结构构件的边缘而言，复杂的集合性形状可能会导致涂层变薄，使这些区域更容易腐蚀。

2 金属防腐蚀措施

2.1 涂层保护

金属的保护程度以及防腐蚀程度的高低在一定程度上取决于金属的涂层材料。如果采用适宜的金属涂料，并且能够用恰当的施工工艺将金属的某些部位进行有效覆盖，使金属表面与外界的各种环境相隔离，那么就能够使金属得到有效的保护，从而减少金属的腐蚀。对于一般的金属来说，最普遍的办法就是选择正确的涂层，因为涂层对于金属来说是最有效、最经济的一种办法。这其中的关键就在于选择一套合理的科学的涂层系统，同时还要具备正确的施工技术以及科学的管理措施[9]。

2.2 外加电流保护措施

外加电流保护又称为强制电流阴极保护。通过直流电源以及辅助阳极，迫使电流流向被保护金属，使金属表面阴极电位降低到阳极电位，此时，金属表面不再有阴极或阳极，使被保护金属结构电位低于周围环境，整个金属结构成为新的电路中阴极。该系统主要由整流电源、连接电缆、接线盒、参比电极、阴极接地板和辅助阳极组成，如图5所示。

图5 外加电流保护装置组成

2.3 牺牲阳极保护措施

牺牲阳极保护和外加电流保护都是利用原电池原理，对阴极进行保护，牺牲阳极保护装置由电位较负的金属材料制成，当它与被保护的管道连接时，自身发生优先离解，从而抑制被保护金属的腐蚀。牺牲阳极法和外加电流保护法都是符合规范、技术成熟的保护法，在工程中都有广泛的应用。2种保护方法进行对比见表1[10]。

3 针对海船腐蚀特点的防腐措施

3.1 船体水上部位

船体中处于水上的部分主要包括甲板、上层建筑以及干舷。这些船体的水上部分在平时主要受到雨雪、海水飞沫以及海洋大气的影响，这些因素都是造成船体水上部分严重腐蚀的重要原因。在海洋大气中，存在着大量的氮化物，这样就使凝结水加剧了对船体结构的破坏。尽管如此，由于不直接暴露在海水中，船体结构水上部分主要发生的依然是化学腐蚀，对于这些位置的防腐，一般采用涂料保护。在有特殊要求的部位采用热喷涂金属涂层保护。

表1 牺牲阳极保护和外加电流保护方法对比

3.2 船体水下部位

船体水下部位主要包括主船体结构、球鼻艏以及与主船体直接相连的螺旋桨、舭龙骨、舵、减摇鳍等附体，船体水下部位暴露在海水中，受波浪载荷等的冲击，易造成涂层脱落。涂层脱落后，由于附体与附体、附体与主船体材料的不同，加上海水作为电解液，容易造成宏电池腐蚀。另外，即使同种金属，材料中也不可避免的存在其他金属杂质，尤其是合金(钛合金、铜合金、合金钢)，这样就容易发生微电池腐蚀。对于这些位置的防腐，仅采用涂料保护是远远不够的，需同时采用阴极保护，如前文所述，牺牲阳极保护法初始费用较低，使用寿命短，适合用于小型渔船船体水下部位的防腐，而对于高性能、对船体水下表面光滑度要求较高、寿命周期较长的大型船舶，则宜采用外加电流保护法。

3.3 压载水舱

如前文所述，压载水舱在保护涂层脱落后易发生点腐蚀，所以，防止压载水舱腐蚀首先要采用吸附力强的涂料，如环氧树脂。其次，由于压载水舱与主船体相比较小，压载水的储存对舱内布置无要求，所以便于安装牺牲阳极保护。另外，由于压载水舱内外均是海水，不利于安装外加电流保护。根据CCS《钢质海船入级规范》的规定，为检查牺牲阳极的块数、类型和分布情况，应提交下列内容的说明书：阳极材料及其容量；液舱结构的计算表面积；阳极的大小、形状，包括横剖面积和总重量；载运货物的类型；用于压载的时间。

4 结束语

无论何种腐蚀，都是在涂层脱落的情况下发生的，所以，寻找新型附着力强的涂料依然是防腐领域的研究重点。随着合金材料在船体结构中的使用，微电池腐蚀是不可避免的，这就促进了阴极保护法的发展，对于不同类型的腐蚀，选择合理的保护方法是至关重要的。

[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.舰艇结构腐蚀状态评估方法与要求研究[J].船舶，2010，21(4):16-19.

[9] 郑金东.浅议船体腐蚀与维护保养措施[J]. 中国水运，2013，13(1):1-2.

[10] 郑建丽,湛志新,于文明,等.钢质渔船船体腐蚀原因及对策探讨[J].南方水产科学，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

王利伟(1981-)，男，河北唐山人，工程师，硕士，主要从事船舶设计鉴定与机电一体化研究工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.06.002

2016-06-23