船舶金属腐蚀失效与防护研究

2023-12-11 来源：九壹网

第24卷　第1期海　洋　技　术Vol124,No11

2005年3月　　OCEANTECHNOLOGYMarch,2005船舶金属腐蚀失效与防护研究

余建星,王广东,王　亮,田　佳(天津大学建工学院,天津　300072)

摘　要:论文对船舶金属腐蚀机理及表现、船舶结构防腐要求等问题做了探讨,对船舶防腐蚀系统进行了分类,分析了腐蚀涂层状况与检验的关系,并对涂层失效的对策和恢复涂层的要求进行了研究。关键词:船舶金属腐蚀;腐蚀涂层检验;涂层恢复

中图分类号:U67217+2　　　文献标识码:B　　　文章编号:100322029(2005)0120040205

引言

船舶腐蚀控制系统的状况对于保持维护船舶结构起到关键性作用,一旦防腐涂层受到损坏,随之而来的腐蚀将使船舶结构的完整性受到破坏,不但要花费大量资源进行修理,还难于彻底恢复。因此,适时地对船舶金属腐蚀进行检验,并采用适当措施对于失效涂层进行处理,不但能节省大量资源,有效地延长船舶使用寿命,而且对改善船容船貌大有好处。有鉴于此,文中通过对船舶金属腐蚀机理及表现、船舶结构防腐要求和防腐蚀系统分类等相关问题的分析,对腐蚀涂层失效检验要求和对策进行了研究。

按腐蚀环境分类可分为大气腐蚀、海水腐蚀、土

壤腐蚀等。

按腐蚀形式分类可分为全面腐蚀和局部腐蚀。两者相比,局部腐蚀往往发生在应力集中的部位,如焊道的热影响区、肘板的趾端等,或者形状变化较大的区域,如构件的边缘等。由于局部腐蚀具有深度和发展不平均,表面不容易发现的特点,往往导致在整体状况较好的情况下,发生金属的局部穿孔或破裂,所以具有更大的危害性。

按腐蚀的反应机理分类情况参见图1。

化学腐蚀气体腐蚀非电解质溶液腐蚀

金单独的电化学腐蚀属固定应力腐蚀　　的腐电化学腐蚀电化学和机械作用共同腐蚀交变应力腐蚀蚀磨损腐蚀

电化学和生物作用共同腐蚀微生物腐蚀海洋生物腐蚀

1　金属的腐蚀

111　定义

图1　金属腐蚀反应机理分类

金属的腐蚀是指金属由于外部介质的化学作用或电化学作用而引起的破坏。近年来,随着材料科学的发展,其定义已扩展为:由于和周围介质相接触,使金属遭受破坏或使材料性能恶化的过程。在此定义中,增加了机械、物理因素引起的破坏。112　分类

收稿日期:2004207222

基金项目:国家自然科学基金项目(59979018)

作者简介:余建星(19582),男,博士,教授,博士生导师,天津大

学建筑工程学院院长。

2　船舶电化学腐蚀

船舶腐蚀主要是由电化学腐蚀引起的。对于船体金属材料而言,参照图1的分类,气体腐蚀包括内燃机、锅炉等装置的高温部件上由于空气所含的硫,燃油本身含有的钠等元素的作用而形成的燃气腐蚀;散货船装运硅铁、磷铁时,释放出的硫化氢、磷化氢气体对货舱,特别是舱口盖的腐蚀等。非电解质溶液腐蚀包括油轮载运原油时,石油中所含的硫及硫化物对货舱的腐蚀等。固定应力腐蚀包括锚

　第1期　　　　　　　　　　　　　　　余建星等:船舶金属腐蚀失效与防护研究　　　　　　　　　　　　　　　　41机、系泊绞车基座、甲板室根部等部位的腐蚀;交变应力腐蚀包括舱口围板纵向延伸肘板趾端和舱口甲板等部位的腐蚀;磨损腐蚀包括内底板、横舱壁板、斜坡板等在装卸货过程中易受装卸机械及货物碰撞部位的腐蚀。海洋生物腐蚀是指如船底板海洋生物附着处形成的明显坑状腐蚀等。

电化学腐蚀的产生机理主要分为腐蚀电池、浓差电池和微电池3种:腐蚀电池是指不同电极电位的金属与导电溶液相接触而使电极电位低的金属形成腐蚀,如干电池、牺牲阳极的阴极保护法等;浓差电池是指同一金属各部分接触的溶液成分不同造成的腐蚀;微电池是指金属内部化学成分、组织、温度、内应力及表面状态等的不同而使各部分在同一溶液中电极电位不同形成的无数微电池腐蚀。

从以上分析可以看出,电化学腐蚀是由于电极电位不同的金属与导电介质同时存在而形成的。对船体而言,不同电极电位的金属大量存在,如艏艉柱为铸钢,螺旋桨为铜,机械部分为各种合金钢,同时这些金属都是通过焊接、铆接或者海水导电溶液连接在一起的,所以电化学腐蚀必然存在。电化学腐蚀的极化反应方程,即阴极金属表面腐蚀后释放电子的转移过程可表示为:

-O2+H2O+4e→4OH

货舱的所有内表面(不包括内底板和船舷侧肋骨下肘板外大约300mm以下的底边舱斜板)。同时在选择涂料时,要求船东应适当考虑将来营运中预定的装货情况。

底漆的使用应经过CCS规范有关规定的认可,其成分应不影响以后的焊接质量,也不至于在以后的焊接工作中产生重大的有害影响,并应与后序涂料相适应。同时规定在货油船上,一般含铅油漆不能用于油舱可积聚部件的涂装。

结构表面处理的粗糙度、清洁度应符合涂料制造厂的要求,涂层层数和干膜总厚度应符合设计要求。

此外,CCS规范主要针对油舱的牺牲阳极系统提出了相关要求。312　IMO的要求

IMO在第19届海事大会上通过了A1798(19)

号决议,对1998年7月1日以后建起的油船和散货船专用压载舱防腐蚀系统提出了新的要求,主要内容包括:船东应选择、维护一种可对海水压载舱进行充分保护的防腐蚀系统;涂料生产厂应能就其产品质量和满足船东要求的能力提供证明;船厂和󰃗或其分包人应能就其涂装经验提供证明;在船舶开始建造前,涂层标准、涂装要求、维护及修理标准应经船厂和󰃗或其分包人、船东和生产厂同意,并应与船级社磋商。

上述决议包含两方面含义:一是压载舱必须正确地进行涂装。如建议使用对比颜色的多层涂层进行涂装,为便于使用中进行检查,最好使用浅色涂层作为表面涂层;设计阶段可采用降低构件表面粗糙度,使用轧制型钢等措施使舱柜易于排水、干燥和清洁从而改进涂层质量;涂层选择时应考虑的因素包括热货限界面舱壁上的涂料应具备承受持续或重复受热而不脆化的能力,钢材表面处理及施工环境的一般要求,涂层厚度及表面状态的检查,各过程的检查报告应送达包括船级社在内的各有关部门等。二是压载舱防腐蚀系统的维护应纳入船舶的整个保养计划,其有效性应通过船级社的ESP检验后在船舶整个寿命中得以验证。

保持防腐蚀系统正常运作的最有效方法是及时修复在营运检验中发现的缺陷(例如点蚀、扶强材边缘的局部剥落等),同时应使用与建造时所用涂层相容的硬质涂层。如原涂料的旋涂条件达不到,可

如果在金属表面形成致密的涂层则可以有效地将水和氧气隔绝在外,使上述反应不能进行从而降低腐蚀速度。在船舶轻重载水线之间的钢板、主甲板等,由于上浪原因而与水结合,同时氧气供应充足,上述反应进行充分,而在船底部分,特别是在深海区域,水中氧容量较小,上述反应进行迟缓,因此船舶轻重载水线之间的钢板、主甲板较船底腐蚀严重。同理可以解释频繁压水的压载舱与不常压水的压载舱两者之间的腐蚀差异。

3　船舶结构防腐的要求

311　CCS规范的要求

在CCS规范中,对船舶结构防腐提出了一些基本要求,主要包括采用防腐涂料的部位,底漆的使用,结构表面的处理和对液舱牺牲阳极系统的要求等。

采用防腐涂料的部位包括一般货船的外板、海水压载舱、散货船的舱口围板、舱口盖的内外表面、

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使用一种能容忍低质量的表面处理,对湿度和温度要求不严格的涂料来代替,同时按照涂料生产商的要求进行涂装和保养。为有效的保护。但是,这种方法只能减缓锈蚀的发生,而且保护效果受到部分因素的影响,如原涂层对牺牲阳极系统的兼容性有时会很敏感。同时,电流的产生会使涂层剥落,而且牺牲阳极的设计数量及位置受实际状况影响较大,难以准确加以评估。即使兼容性较好的油漆,在过多阳极产生的电流作用下也会出现起泡现象,特别是阳极托架附近部位。

4　船舶防腐蚀系统的分类

411　硬质涂层

硬质涂层是指在干燥过程中发生化学变化的涂层,可以是无机的也可以是有机的,如各种类型的油漆,其防腐蚀基本原理如前所述是在钢材表面形成一层致密的薄膜以隔绝氧气和水分。需要注意两点:一是牺牲型涂料,如含锌涂料一般只能作为本间底漆使用,因为其中的金属锌被氧化耗尽后,涂层就会产生微孔,导致油漆下面产生锈层,使保护作用急剧降低。二是水泥浆涂层的检验,建造时一般将水泥浆涂刷在硬质涂层外面,以更为有效地隔绝水分和氧气,但在检验中,通常将水泥浆作为一般覆盖物对待,判定去掉水泥浆涂层后内部油漆及构件的情况。412　软质涂层

5　涂层状况与检验的关系在船级社进行特别检验和中间检验时,会对压载舱内涂层状况进行评估,涂层状况评定的结果有良好、一般和较差三种状态。511　涂层状况的定义与解释

良好状态(GOOD)是指涂层仅有少量点状锈蚀且轻微面锈蚀的面积较小,与结构无分层,未产生起泡现象,但可允许有少量脱落,焊缝涂层脱落小于所论区域的20%,涂层保持良好的防腐作用。

一般状态(FAIR)是指涂层允许有大面积点状腐蚀和大于所论区域20%的轻度面腐蚀,但不允许严重的面腐蚀,无较大面积脱落,与结构无分层,未产生起泡现象,在扶强材和焊缝处的涂层允许有局部脱落,和󰃗或轻度锈蚀超过所论区域20%或更多,但小于较差状态定义的量,涂层防腐作用尚未有很大丧失。

较差状态(POOR)是指涂层有大面积脱落,面锈蚀较为普遍,发生与结构分层和起泡现象,普遍脱落超过所论区域的20%或更多,或硬质锈皮达到所论区域的10%或更多,涂层基本上已起不到防腐蚀的作用。上述定义和具体解释可参见表1。

软质涂层由于容易发生损耗,同时容易污染压载水,已很少采用,一般均被认为是一种临时性的保护系统,必须经过更多、更广泛的测厚和近观检验。因此,对于采用软质涂层的舱室,不论表面状态如何,CCS要求每年检验时必须进行内部检查。413　牺牲阳极的阴极保护法

在硬质涂层发生局部损坏时,附加牺牲阳极保护是实践中较为简单可行的方式。硬质涂层局部损坏最常见的部位是构件的边缘,如面板边缘、流水孔边缘等,而在这些部位,由于电荷趋向性较强,保护电流会相对大一些,所以牺牲阳极方法能提供更

涂层状

态表1　涂层状况的定义与解释

锈蚀状

况点状锈蚀

轻度锈蚀结构边缘涂层脱落焊缝涂层脱落硬质锈皮涂层普遍脱落

ISO标准

良好状态数量较少面积较小局部脱落小于所论区域的20%

轻　　度仅有少量脱落

RI3级RE3级

一般状态较差状态

大于所论区域的20%

大面积脱落大于所论区域的20%小于所论区域的10%小于所论区域的20%

RI4级RE4级

大于所论区域的10%大于所论区域的20

RI5级RE5级

欧洲锈蚀标准

　第1期　　　　　　　　　　　　　　　余建星等:船舶金属腐蚀失效与防护研究　　　　　　　　　　　　　　　　43512　海水压载舱检验要求

海水压载舱在进行年度检验时进行内部检验的要求参见表2。

表2　海水压载舱年度内部检验要求

舱室类别

涂层状况良好或一般

双层底舱

无涂层、有部分涂层或使用软涂层涂层状态差无涂层、有部分涂层

双层底以外的舱或使用软涂层涂层状态差

年度检验时是否需进行内部检查

不需要不需要不需要需　要需　要

度和通风条件等;施工方法,如静电喷涂、无气喷涂和滚刷等;施工要求,如各层漆膜的厚度、层间干燥的时间等。

由于未按油漆商的工艺要求进行涂层恢复的效果难于评估和预测,所以必须按相关要求对整个舱进行打砂和打磨后,对涂层进行整体更新,在认为情况满意时,才可接受涂层状况已转变为良好。

目前还有相当一部分旧船的压载舱内,在普通硬质涂层外面涂上一层水泥浆。部分船东认为这是一种有效的防腐方法,当原有涂层出现剥落时,涂上水泥浆可保护钢结构,其实这种做法并不恰当。实际上,水泥浆凝固后,其内部存在很多微孔,水分和空气可以穿过水泥涂层渗透到钢材表面,腐蚀水泥下方的钢材。同时,由于水泥被海水浸泡后,有部分盐分和其他腐蚀性物质留在水泥涂层内,使水泥本身也带有一定的碱性,会导致腐蚀的加快。由此可见,水泥涂层不能起到保护钢材的作用,不能作为有效保护性涂层,只能作为一般覆盖物看待。

因此,当压载舱内的涂层状况不好,油漆出现剥落的情况时,不应简单涂刷水泥浆来代替普通涂层。正确的做法是彻底清除锈层后,按照油漆商的技术说明和工艺要求重新恢复涂层。

6　涂层失效对策和恢复涂层要求

611　涂层失效对策

鉴于防腐保护系统对于船舶结构的重要性,根据检验的资料(包括外观检查和测厚),从延续使用寿命和维护保养方面,可决定是否有必要恢复腐蚀保护系统。假如船舶还要长期营运(营运期8～10a),重新恢复涂层是一个有效的涂层失效解决措施。对于只需短期营运(营运期4～5a)的船舶,可采用临时保护系统,如考虑采用软涂层及牺牲阳极法,其好处是费用低,施工容易,但其有效性需根据现有腐蚀状况和预计的腐蚀率进行定期认真监测,而且每年的年检还需对双层底压载舱外的压载舱室进行内部检查。

612　恢复涂层要求

对于营运中的船舶,很多船东都希望对状态较差的压载舱涂层进行重新恢复,但大多数船东对恢复涂层的要求并不很了解。按照CCS的规定,恢复涂层必须按照油漆商的工艺要求来进行,而且还应有油漆商的技术人员在场进行施工指导。油漆工艺一般应包括如下内容:漆膜设计,包括层数、各层油漆的品种等;油漆敷设前钢材表面的处理,包括用淡水清洗除去附着的盐分、喷沙、铁锈和残余漆膜等以提高表面清洁度;施工条件,如环境温度、湿

7　结束语

船舶腐蚀控制系统的状况对于维护保持船舶结

构起到关键性作用,一旦涂层受到损坏,随之而来的腐蚀将使船舶结构的完整性受到破坏,不但要花费大量资源进行修理,还难于彻底恢复。很多机务都有相关经验,处理腐蚀引起的结构损坏非常棘手,尤其是边缘腐蚀、焊缝及其附近的腐蚀和船底构件的腐蚀等,不但难以决断,而且修理的附加工程量也较大。目前,PSC检查日趋严格,对结构的检查也越来越重视和深入,因此,应该对船舶防腐系统给以高度重视。保持防腐系统的有效性,不但能节省大量资源,有效地延长船舶使用寿命,而且对改善船容船貌有重要作用。由于我国机务队伍构成和习惯上的原因,过去不少公司在这方面的工作往往不够重视,应引起广大船东、机务对船舶保养工作的重视。

(下转第57页)

　第1期　　　　　　　　　　　　　　　　李晓平等:海洋缆索的动力学仿真研究　　　　　　　　　　　　　　　　　57TwoMethodsforHandlingtheElasticityofCablesforMulti-body

FiniteSegmentModeling

LIXiao2ping,WANGShu2xin,HEMan2li(SchoolofMechanicalEngineering,TianjinUniversity,Tianjin,300072)

Abstract:Usingspringsbetweensegmentstosimulatecableelasticityandadoptingelasticsegment,elasticsegmentmaybeisabetterchoice.Itcombineselasticmechanicswithmulti-bodydynamicsandmulti-bodyfinitesegmentmodelmakingupofelasticsegmentsissetup.Theeffectofaddedmassofunderwatercablesisjustinthesamewayasinertiaforceandfallsintogeneralizedinertialforce.Fluiddragandotherforcesaretransformedtoconcentratedforceandmomentatmasscenter.Keywords:cable;elasticsegment;finitesegment;addedmass

(上接第43页)

参考文献:

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TheStudyonShipMetalCorrosionInvalidationandProtection

YUJian2xing,WANGGuang2dong,WANGLiang,TIANJia

(SchoolofCivilEngineering,TianjinUniversity,Tianjin,300072)

Abstract:Inthispaper,thetheoryofshipmetalcorrosionandrepresentationformsarediscussed,shipanti-corrosionsys2temsareclassified.Byanalyzingtherelationshipbetweenstatusofanti-corrosionandinspectionmeasure,thetechniquedealingwithcoatinvalidationanddemandonresumingcoatareresearched.Keywords:shipmetalcorrosion;inspectiononcorrosioncoat;coatresuming

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