船舶压载舱腐蚀原因及防腐涂层的研究

船舶压载舱腐蚀原因及防腐涂层的研究

胡政 ,卢建平

上海双希海事发展有限公司 上海市200000

摘要：船舶的压载水舱由于工作环境恶劣，干湿交替频繁，以及结构复杂不易进行清洁和涂装维护，是船舶各舱室中腐蚀最为严重的部位之一。而压载舱的腐蚀问题往往会带来严重的安全隐患。一些重大船舶事故便是由于压载舱严重腐蚀导致结构强度大幅下降而造成的。而目前国内船舶压载舱防腐涂料的性能与新标准要求的相差较大。因此，研制出我国自己的符合新标准要求的船舶压载舱防腐涂料已成为当务之急。

关键词：船舶压载舱；腐蚀原因；防腐涂层；                   

前言：新的《压载舱涂层性能标准》包括两部分：涂层、涂层性能标准和造船涂层全过程的质量控制要求。规定海水压载舱的保护涂层必须具有七年的预期使用寿命。建议使用多种涂层系统，并应比较每种涂层的颜色；面漆应为浅色，以便于在使用寿命期间进行检查。应从保护涂层的膜厚、涂层施工质量控制、保护涂层性能的基本要求、涂层质量评定和验收、涂层合格审定试验方法、设备等方面进行全面控制。

一、船舶压载舱腐蚀原因概述

腐蚀是指金属材料和环境介质表面的化学和电化学作用导致材料的退化和破坏。根据热力学，腐蚀是一个自发的过程，它破坏了材料的性质，使金属材料向电离或复合态转变，这是一个减少自由能的过程。金属腐蚀的类型主要有化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀。化学腐蚀是指金属表面与非电解质之间的直接化学反应造成的损伤。反应过程的特点是金属表面的原子与非电解质中的氧化剂直接反应，形成腐蚀产物。在腐蚀过程中，电子直接在金属和氧化剂之间传递，因此不会产生电流。纯化学腐蚀是罕见的，主要由金属在无水有机液体和气体剂中以及在干燥气体中的腐蚀引起。电化学腐蚀是指金属表面与离子导电介质电解质之间的电化学反应造成的损伤。船舶在航行过程中的大部分腐蚀是电化学腐蚀。腐蚀电池反应通过电化学机制进行的任何腐蚀反应包括至少一个阳极反应和一个阴极反应，并与金属内部的电子流和介质中的离子流形成回路。阳极反应是一种氧化过程，即金属离子从金属转移到介质并发射电子。阴极反应是一个还原过程，即介质中的氧化剂组分从阳极吸收电子。例如，当碳钢在酸中腐蚀时，铁在阳极区域被氧化成离子，释放的电子从阳极流到钢中的阴极，被离子吸收并还原为氢。可以看出，与化学腐蚀不同，电化学腐蚀的特点是其腐蚀过程可分为两个相对独立且同步的过程。由于在要腐蚀的金属表面上存在在空间或时间上分开的阳极和阴极区域，在腐蚀反应过程中，电子可以通过金属从阳极区域转移到阴极区域，因此必须产生电流。电化学腐蚀产生的电流和反应物质的转移可以通过法拉第定律定量联系起来。可以看出，金属的电化学腐蚀本质上是短路原电池作用的结果。物理腐蚀：物理腐蚀是指简单的物理溶解对金属造成的破坏。熔融金属中的腐蚀是指固体金属与熔融金属（如铅、锌、钠、汞等）接触而导致的金属溶解或开裂。这种腐蚀不是由于化学反应，而是由于物理溶解而形成合金或液态金属渗入晶界

二、防腐涂层的研究

1.船舶表面的防腐涂层材料主要分为船底和水线防腐涂层，以及船体上的重防腐涂层。涂层一般有2～4层，包括车间底漆或防锈漆、中间层和各种面漆。每层油漆都有不同的功能。车间底漆或防锈漆与金属表面接触时主要起到防锈和防腐的作用；中间层负责车间底漆或防锈漆与各种面漆的粘结；面漆属于功能性涂料，船舶不同部位的面漆具有不同的功能。在船舶防腐涂料的生产和供应模式中，船舶防腐涂料是系列生产的。根据面漆的使用功能，船舶防腐涂料的生产和供应包括与车间底漆、防锈漆、中间层和面漆相同系列的油漆类型。由于该系列产品来自同一制造商，因此在各种油漆之间的兼容性和匹配性以及油漆现场技术和售后服务方面具有优势。因此，根据表面涂层的作用，船舶防腐涂层的分类通常为船舶底漆。在海上航行的船底涂料主要有环氧沥青、氯化橡胶、氯化橡胶沥青和环氧树脂。每一系列涂料通常由车间底漆或防锈漆、中间层和防污漆组成。每道工序涂1～3次。各工序涂层的使用寿命在0.5～8a之间，其中环氧系列船舶底漆的使用寿命较长。由于单组分氯化橡胶铝粉厚涂底漆和沥青防腐铝粉底底漆的防腐效果较差，以及沥青的致癌嫌疑，环氧沥青涂层逐渐被纯环氧涂层所取代。目前，船底防腐涂料的发展方向是低表面处理适应性、高固含量、通用性、长期防腐、固化船底水线防腐涂料。由于船舶水线区域涂层长期受到海水浸泡、流水冲击、干湿交替、阴极剥离等影响，此类涂层主要包括环氧沥青体系、环氧体系、氯化橡胶体系环氧体系和酚醛体系。每一系列涂料通常由车间底漆或防锈漆、中间层和水面线漆等组成。每一道工序都经过一至三次涂装，其中环氧基船用水线防腐涂料的使用寿命为5部分8a，相对较长。船体重防腐涂层。该区域的涂层主要受海水、雾、海风、温度变化和阳光的影响，从而加速漆膜老化，甚至开裂和剥落。该涂料主要由环氧防锈体系、氯化橡胶体系、丙烯酸体系、全氯乙烯体系和醇酸体系组成。涂装工艺从环氧防锈系列车间底漆、防锈漆、中间层和船体漆四道工序简化为丙烯酸系列防锈漆和船体漆两道工序。每道工序的使用寿命用于环氧防锈系列工艺的环氧铝粉厚涂防锈漆和聚氨酯船体漆的使用寿命分别达到3～5年。船体重防腐涂料的发展趋势是长期、环保、施工通道少、施工过程中溶剂挥发少、耐候性高。目前，各大型船舶涂料制造商正在研究并推出相应的产品。

2.根据上述压载舱涂层的耐腐蚀性测试结果和电化学阻抗谱测试结果，氟碳系列涂层系统的耐海水腐蚀性总体上明显优于环氧系列涂层系统。氟碳系列涂料体系配套方案由无机富锌底漆、环氧云铁中间漆和氟碳面漆组成。当涂层系统与腐蚀性介质接触时，氟碳面漆具有高阻抗值。首先，它为涂层提供了良好的介电屏蔽效果。即使腐蚀介质穿过氟碳面漆并进入环氧云铁中间漆，环氧云铁中级漆中的层状云铁也会堆叠在涂层中形成迷宫结构，大大增加了腐蚀介质渗透的路径，延迟了腐蚀介质与钢板之间的反应时间，从而通过阻挡腐蚀介质进一步提高涂层系统的耐腐蚀性。即使腐蚀介质通过上述两层涂层进入富锌底漆，涂层中电位较低的锌粉也会优先牺牲腐蚀，在腐蚀早期对钢起到阴极保护作用；在腐蚀的后期，随着锌粉的腐蚀，涂层中锌粉的腐蚀产物沉积并填充在颜料层中，形成致密、微碱性的非导电腐蚀产物，阻挡腐蚀介质的渗透，然后依靠屏蔽作用起到防腐作用。因此，氟碳系列涂层系统可以充分发挥涂层屏蔽、层状填料阻挡和阴极保护等多种防腐机制，为钢结构提供高质量的防腐保护。环氧涂层系统是一种双涂层环氧防腐系统，主要依靠环氧树脂的绝缘和屏蔽作用为钢提供防腐保护。与氟碳涂层体系各种机理的结合相比，其防腐机理单一。一旦腐蚀介质穿过涂层或涂层损坏，环氧涂层系统就不能提供良好的保护。

结论：目前，世界主要船舶涂料制造商正在开发新一代船舶压载舱重防腐涂料，并高度重视模拟压载舱条件的试验方法和试验装置的研究。日本、挪威等国都建立了相应的检测机构。我国现行压载舱涂料技术规范应用研究基础薄弱，仅规定了耐盐雾和耐盐水的技术要求。在压载舱涂层的实际应用条件下，对于湍流和摇摆引起的海水飞溅以及压载舱周围的环境因素对压载舱涂料的影响，缺乏试验方法和验证试验的技术支持，这肯定会限制我国高性能船舶压载舱保护涂层的研究和应用，并且很难达到国际标准。

参考文献：

【1】曹楚南等．中国材料的自然环境腐蚀【M】．北京：化学工业出版社，2021，8．

【2】刘秀晨，安成强．金属腐蚀学【M】．北京：国防工业出版社，2019．

【3】朱日彰．金属腐蚀学．北京：冶金工业出版社，2019．