鋁合金船舶的腐蝕防護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀與展望

張 波，方志剛，李向陽(yáng)，董彩常

(1.鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所, 山東 青島 266071)(2.海軍裝備研究院， 北京 100161)(3.中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司， 北京 100081)

1 前 言

鋁合金具有比重小、比強(qiáng)度大、耐海水腐蝕性好、無(wú)磁性、低溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，它作為結(jié)構(gòu)材料在造船業(yè)日益受到重視[1]。用鋁合金作船體材料可以有效地減輕船舶的重量，提高穩(wěn)定性和航速，增強(qiáng)艦艇的技術(shù)戰(zhàn)術(shù)性能。對(duì)于高速滑行艇、水翼艇、氣墊船、小水面船及一些特殊用途船，選用鋁合金尤為合適。過(guò)去的30年，隨著鋁合金惰性氣體焊接技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)成本的不斷降低，鋁合金材料的優(yōu)勢(shì)及在海洋環(huán)境的應(yīng)用不斷拓展，不僅在輕型船舶領(lǐng)域，在高速快艇領(lǐng)域也得到了很快發(fā)展[2-3]。

鋁和鋁合金化學(xué)性質(zhì)很活潑，但由于它能與氧生成致密而鈍化的氧化膜，所以耐蝕性比鋼材好得多[4-5]。當(dāng)鋁合金用在船舶上時(shí)，不論是在哪個(gè)部位，都或多或少會(huì)與海水接觸，或受到海水飛沫和海洋大氣的侵襲，因而受到一定的腐蝕。鋁合金的腐蝕是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，既受環(huán)境影響，又與合金的性質(zhì)有關(guān)。船用鋁合金在海洋環(huán)境中常見(jiàn)的腐蝕類型有：點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、剝落腐蝕和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等[6]。

本文對(duì)船舶用鋁合金的腐蝕現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研分析，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合本研究所多年積累的鋁合金實(shí)海腐蝕研究資料對(duì)船舶用鋁合金的腐蝕防護(hù)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及其前景進(jìn)行了分析總結(jié)，以期為鋁合金船的設(shè)計(jì)者、建造者和使用者提供參考。

2 鋁合金船舶的腐蝕情況

海洋環(huán)境是比較嚴(yán)酷的環(huán)境，對(duì)處于該工作環(huán)境中的鋁合金的防腐要求更高。對(duì)于船舶來(lái)說(shuō)，不同部位所處的腐蝕環(huán)境不同，船底主要是受天然海水的滲透浸蝕作用和水生物的附著，水線以上部位主要是受鹽霧腐蝕作用和大氣老化作用。目前，鋁合金船舶的腐蝕基本情況如下：①船體的腐蝕防護(hù)一般采用涂料+鋁合金犧牲陽(yáng)極的方法。根據(jù)對(duì)XX型艇的塢修及檢查記錄反映，目前使用涂料+鋁合金犧牲陽(yáng)極的方法防腐效果良好，艇體水線上外表面及上層建筑總體漆膜較為完整，艇體水下部分未出現(xiàn)明顯腐蝕。涂層方面未出現(xiàn)大面積脫落，只有少數(shù)幾艘艇涂層漆膜局部受到機(jī)械刮傷而出現(xiàn)局部缺陷，如圖1所示。②空艙基本為裸鋁，沒(méi)有涂料保護(hù)設(shè)計(jì)。對(duì)幾艘在塢艇的空艙檢查發(fā)現(xiàn)，空艙艙壁普遍存在點(diǎn)腐蝕?？张摰匕迮c船殼板的焊接處，普遍存在較明顯的腐蝕，如圖2，3所示。③鋁合金管海水管路存在電偶腐蝕現(xiàn)象。目前，在設(shè)計(jì)中要求與鋁合金管路配套的閥門(mén)、水泵、濾器等附件均應(yīng)為鋁質(zhì)，并且要求在所有異金屬連接處進(jìn)行嚴(yán)格的電絕緣。但調(diào)研發(fā)現(xiàn)，仍有部分鋁合金管路與鋼質(zhì)管路直接相連，并未采取相應(yīng)的電絕緣措施。④在某型艇的專項(xiàng)全面檢查中發(fā)現(xiàn)較多艇艉板法蘭有明顯腐蝕，有的局部嚴(yán)重腐蝕甚至穿孔。個(gè)別艇的艉軸管架端部、艉封板與艉板法蘭連接的螺栓孔也出現(xiàn)了腐蝕。其腐蝕原因是涂層在內(nèi)應(yīng)力和水動(dòng)力的沖刷作用下加速脫落，同時(shí)，鑄鋁噴泵艉板法蘭與不銹鋼葉輪產(chǎn)生電偶效應(yīng)，繼而形成電化學(xué)腐蝕。當(dāng)具備形成沖刷條件或氣蝕條件時(shí)，尾板法蘭則相繼產(chǎn)生沖刷腐蝕、空泡腐蝕和各種腐蝕疊加，直至形成穿孔。

圖1 某艇左片體艇體涂層脫落的照片F(xiàn)ig.1 Macrophoto of coating falling off on left piece hull of certain boat

圖2 某艇5號(hào)空艙腐蝕照片F(xiàn)ig.2 Macrophoto of corrosion of 5# empty cabin on certain boat

圖3 某艇空艙焊縫處腐蝕照片F(xiàn)ig.3 Macrophoto of corroded welding seam of empty cabin on certain boat

3 船舶用鋁合金腐蝕防護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀

3.1 犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)

對(duì)于小型高速船，一般不采用外加電流陰極保護(hù)措施。目前國(guó)外最為普遍采用的是在艇體外板(有防腐涂層)設(shè)置犧牲陽(yáng)極。鋁合金本身相對(duì)鋼、銅等材料來(lái)說(shuō)是一種很好的犧牲陽(yáng)極材料；對(duì)于鋁船體，必須選用電極電位足夠負(fù)的鋁合金犧牲陽(yáng)極來(lái)對(duì)它進(jìn)行陰極保護(hù)，同時(shí)要考慮陽(yáng)極具有良好的溶解特性及電位不能過(guò)負(fù)而導(dǎo)致鋁發(fā)生堿腐蝕[7-8]。目前，鋁合金犧牲陽(yáng)極材料的主要成分為Al-Zn-In-Mg-Ti；犧牲陽(yáng)極使用螺栓固定，陽(yáng)極中的“鐵蕊”必須使用鋁蕊，螺栓必須使用鋁質(zhì)螺栓[9]。但根據(jù)調(diào)研情況，東海某型艇體外板Al-Zn-In-Mg-Ti犧牲陽(yáng)極由于快艇上排時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，犧牲陽(yáng)極表面的腐蝕產(chǎn)物經(jīng)過(guò)空氣暴曬和干燥作用，形成堅(jiān)硬的外殼，阻礙了犧牲陽(yáng)極完全發(fā)揮保護(hù)作用。

另外，目前僅有針對(duì)鋼質(zhì)船舶的犧牲陽(yáng)極設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，還沒(méi)有成熟的能適用于鋁合金船舶犧牲陽(yáng)極保護(hù)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和設(shè)計(jì)方法。隨航速的變化，鋁殼船船體濕表面的電位分布變化很大，犧牲陽(yáng)極的數(shù)量、布置位置及平均保護(hù)電流密度值都缺乏設(shè)計(jì)依據(jù)。

3.2 鋁合金船用防腐防污涂料

鋁合金船船底和水線以上部位所處的腐蝕環(huán)境不同，船底主要是天然海水的滲透侵蝕作用和水生物的附著，水線以上部位主要是鹽霧腐蝕作用和大氣老化作用，因此，船底和水線以上部位對(duì)防腐漆的要求不完全相同。

船底防腐底漆應(yīng)具有優(yōu)良的耐海水腐蝕性能和優(yōu)異的涂層附著力，如環(huán)氧聚酰胺類底漆；而水線以上部位的底漆應(yīng)具有優(yōu)良的耐鹽霧性能，如環(huán)氧聚酰胺類底漆、聚氨酯類底漆和氯化橡膠類底漆[10]。尤其是環(huán)氧樹(shù)脂，由于具有耐水性好、對(duì)基體附著力強(qiáng)、與多種涂料配套性好等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，通過(guò)添加各種防銹顏料，可滿足多種條件下的防腐要求，在配套體系中應(yīng)用最為廣泛，如美國(guó)海軍在鋁殼艇中使用的就是雙組分環(huán)氧底漆(IP公司的Interguard 264系列、Epaint公司的EP Primer 1000等)。我國(guó)海軍XX艇的防銹底漆為H900X環(huán)氧防銹漆。

鋁合金船水線及水線以下的船殼在海水環(huán)境中深受海生物之害，附著在船底的海生物不僅增大了阻力和額外重量，還加速鋁合金的縫隙腐蝕。因此，除了要涂裝防腐涂料外，還必須涂裝防污涂料。早期的防污涂料采用有機(jī)錫、砷等有毒防污劑，隨著環(huán)保法規(guī)的陸續(xù)出臺(tái)，有機(jī)錫、砷等有毒防污劑的使用已受到限制[11]，而在含氧化亞銅的防污涂料中，由于銅與鋁之間電極電位的差別，會(huì)加速鋁合金船的腐蝕，因此在鋁合金船上使用的防污涂料應(yīng)避免氧化亞銅的出現(xiàn)?，F(xiàn)在普遍應(yīng)用的是環(huán)保型無(wú)錫自拋光防污涂料和低表面能防污涂料。美國(guó)海軍在鋁殼艇的配套涂料中使用的就是3組分有機(jī)硅彈性體防污涂料和不含銅以及錫的單組分自拋光防污涂料，如IP公司的Intersleek 425和Epaint公司的SN-1等。我國(guó)海軍XX艇的防污漆為859長(zhǎng)效船底防污漆，該漆不含有機(jī)錫D.D.T和氧化亞銅，符合國(guó)際海事組織有關(guān)控制船上使用防污涂料的國(guó)際規(guī)范。

對(duì)于水線以上的部位，面漆則應(yīng)具有良好的耐大氣老化性、良好的光澤保持性以及裝飾性，并且與底漆具有良好的配套性，可以采用聚氨酯類面漆、醇酸類面漆、丙烯酸酯類面漆等，現(xiàn)在通常采用的是聚氨酯類面漆[12]。隨著對(duì)涂料性能要求的不斷提高，性能優(yōu)越的氟碳涂料或者環(huán)氧、丙烯酸改性的氟碳涂料也開(kāi)始應(yīng)用到鋁合金的配套涂層體系中。

3.3 鋁合金的微弧氧化處理

微弧氧化處理是近年來(lái)興起的一種表面處理新技術(shù)。它采用較高的能量密度，將陽(yáng)極氧化工作區(qū)從法拉第區(qū)引入到高壓放電區(qū)，通過(guò)電化學(xué)、熱化學(xué)及等離子體化學(xué)等的共同作用，在Al,Mg,Ti,Nd等有色金屬表面原位形成陶瓷質(zhì)氧化膜[13]。微弧氧化是陽(yáng)極氧化技術(shù)的發(fā)展，其實(shí)質(zhì)仍是較高電壓下的陽(yáng)極氧化。而與常規(guī)陽(yáng)極氧化比較，微弧氧化對(duì)工件的前處理要求不苛刻，因而工件的表面狀態(tài)對(duì)工藝的影響不大。鋁合金微弧氧化膜同陽(yáng)極氧化膜的性能比較如表1所示[14]。

表1 鋁合金微弧氧化膜和陽(yáng)極氧化膜比較Table 1 Comparison of aluminum alloy microarc oxidation film and anodic oxide film

目前，對(duì)于鋁合金船的空艙腐蝕問(wèn)題，雖然涂層是解決方法之一，但由于該型船輕便快捷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，涂層的使用既增加了重量，又增加了消防安全隱患，因此不宜使用?？张摳g是因鋁材鈍化膜局部受到破壞引起的，對(duì)鈍化膜保護(hù)的強(qiáng)化是必然的方法。因此，相對(duì)于涂裝而言，下一步應(yīng)考慮將微弧氧化技術(shù)作為空艙主要的防護(hù)措施。

3.4 鋁合金船的異種金屬絕緣隔離保護(hù)技術(shù)

鋁合金船雖然船體是鋁材，但因各種機(jī)電設(shè)備、管路系統(tǒng)、舾裝件等大部分是由非鋁質(zhì)金屬構(gòu)成的，而鋁與非鋁質(zhì)金屬存在電位差，較易形成電偶腐蝕[15]。為了預(yù)防電偶腐蝕應(yīng)采取措施：①相同區(qū)域或管系選用同一種耐蝕材料，如鈦管鈦閥、鋁管鋁閥，避免異種金屬直接接觸。②無(wú)法避免時(shí)，采取有效可靠的絕緣保護(hù)措施。無(wú)論是船體還是管系，鋁合金材料與其它金屬部件連接時(shí)，都要采取相對(duì)適用的絕緣措施，如環(huán)氧樹(shù)脂、尼龍墊片、套筒及螺紋絕緣膠等。

4 船舶用鋁合金腐蝕防護(hù)技術(shù)展望

鋁合金由于具有多種優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用，隨著船舶上鋁合金使用部位的增多，對(duì)鋁合金的防腐要求也越來(lái)越高。

(1)鋁合金船體犧牲陽(yáng)極布置時(shí)應(yīng)兼顧考慮船?？看a頭和高速航行時(shí)兩種不同的狀態(tài)，應(yīng)采用模擬仿真計(jì)算和優(yōu)化布置設(shè)計(jì)。根據(jù)鋁合金的靜態(tài)自然腐蝕穩(wěn)定電位值和動(dòng)態(tài)開(kāi)路電位值，以犧牲陽(yáng)極材料實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，定量確定犧牲陽(yáng)極最佳數(shù)量、布置位置及保護(hù)年限。同時(shí)，在不同的海域，應(yīng)針對(duì)相應(yīng)的海域特點(diǎn)使用能夠有效發(fā)揮保護(hù)作用的犧牲陽(yáng)極材料。

(2)鋁合金表面對(duì)涂料有其特殊要求，選擇適當(dāng)?shù)耐苛虾椭贫ㄇ‘?dāng)?shù)呐涮讓?duì)鋁合金船防腐效果至關(guān)重要。隨著環(huán)保法規(guī)的陸續(xù)出臺(tái)，今后用于鋁合金的防腐涂料將采用新的技術(shù)，向著無(wú)毒、通用化、高性能的方向發(fā)展。開(kāi)發(fā)新型環(huán)保、性能優(yōu)異的防銹顏料是今后發(fā)展的重點(diǎn)。

(3)微弧氧化技術(shù)在國(guó)內(nèi)外均未進(jìn)入大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用階段，但該技術(shù)的特點(diǎn)決定了其比較適用于對(duì)鋁合金船的空艙腐蝕進(jìn)行防護(hù)。因此，在鋁合金船舶的防腐蝕領(lǐng)域，微弧氧化技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。

5 結(jié) 語(yǔ)

雖然鋁合金在海洋環(huán)境中具有較好的耐蝕性，但鋁合金船在使用過(guò)程中暴露出不同以往鋼質(zhì)船舶的腐蝕特點(diǎn)和規(guī)律，如不同海域環(huán)境和服役條件造成同樣成分和規(guī)格的Al-Zn-In-Mg-Ti犧牲陽(yáng)極對(duì)船體的保護(hù)狀況不一、水下船體點(diǎn)蝕問(wèn)題較為普遍甚至穿孔和空艙艙底積水造成嚴(yán)重點(diǎn)蝕等現(xiàn)象。目前，我國(guó)海軍和民用鋁合金船舶的設(shè)計(jì)者和使用者也意識(shí)到了腐蝕對(duì)鋁合金船的危害性和鋁殼船腐蝕的獨(dú)特性，不能僅僅是將鋼質(zhì)船成功的防腐技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)照搬過(guò)來(lái)加以應(yīng)用。因此，還需針對(duì)鋁合金船的具體腐蝕現(xiàn)狀及潛在的腐蝕問(wèn)題進(jìn)行深入研究，采取多種新技術(shù)、新材料、新工藝來(lái)進(jìn)行有效控制，以保障鋁合金船的在役期安全性能。

同時(shí)，鋁殼船的腐蝕控制還與設(shè)計(jì)、建造、維護(hù)、修理及使用環(huán)境等密切相關(guān)，這是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。因此，在加強(qiáng)鋁合金船腐蝕防護(hù)技術(shù)重點(diǎn)攻關(guān)、不斷提高設(shè)計(jì)和建造水平的同時(shí)，還要進(jìn)一步規(guī)范鋁殼船的使用維護(hù)工作，并完善相關(guān)維修操作規(guī)程，進(jìn)而建立腐蝕綜合控制體系，才能最終做好鋁殼船的腐蝕控制工作。

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