王思偉,易學(xué)平
(中國船舶重工集團 第七一〇研究所,湖北 宜昌 443003)
海洋中的船舶及設(shè)備大多采用金屬結(jié)構(gòu),而金屬易受海洋環(huán)境溫度、鹽度、濕度等因素的影響而發(fā)生腐蝕現(xiàn)象,不僅降低了鋼結(jié)構(gòu)的強度及使用壽命,甚至?xí)?dǎo)致更為嚴重的海損事故,這些都引起了國內(nèi)外防腐專家的極大關(guān)注,并積極研究探索各種金屬防腐的方法及措施[1]。
根據(jù)海洋中常見的腐蝕機理,海洋設(shè)備中鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕可分為化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕以及微生物腐蝕3大類。
化學(xué)腐蝕通常指在非電解質(zhì)溶液及干燥氣體中,由純化學(xué)作用引起的腐蝕。暴露在海洋環(huán)境中的鋼結(jié)構(gòu)材料,在非電化學(xué)作用下將與周圍環(huán)境介質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)作用,從而出現(xiàn)腐蝕(氧化)現(xiàn)象。
鋼結(jié)構(gòu)材料在海洋環(huán)境的導(dǎo)電作用下,金屬元素中由于電子的流動而發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象即為電化學(xué)腐蝕,其腐蝕機理見圖1。
陽極反應(yīng):4Fe→4Fe2++8e-.
陰極反應(yīng):2O2+4H2O+8e-→8OH-.
亞鐵離子和氫氧根離子結(jié)合形成氫氧化亞鐵:
形成的氫氧化亞鐵與海水中的氧氣反應(yīng)形成水合氧化鐵,即紅棕色鐵銹:
在理論上,所有這些反應(yīng)同時發(fā)生,整個過程可以簡單地表示為:
在海洋環(huán)境中,船舶多屬于電化學(xué)腐蝕,腐蝕部位涉及整個船體及船載設(shè)備,尤以水下部位、壓載水艙和設(shè)備管系腐蝕最為嚴重。
圖1 電化學(xué)腐蝕機理
微生物腐蝕是指由微生物引起的腐蝕或受微生物影響的腐蝕,其形式是海洋生物和微生物吸附于船底、螺旋漿或其他金屬結(jié)構(gòu)表面并生長和繁殖。目前已發(fā)現(xiàn)與鋼鐵腐蝕有關(guān)的微生物主要有硫酸鹽還原菌、鐵細菌、氧化硫桿菌、排流感菌、脫硫弧菌屬和脫硫腸狀菌屬等,其中以硫酸鹽還原菌的數(shù)量最大、危害最嚴重[2]。
根據(jù)反應(yīng)的機理采取的防腐方法常用的有陰極保護法、防腐涂層法以及陰極保護與防腐涂層并用的復(fù)合防腐方法。
陰極保護在船舶上的應(yīng)用已很廣泛,其機理是通過導(dǎo)電介質(zhì)向被保護結(jié)構(gòu)提供陰極電流,使被保護的船體變成陰極,從而得到防腐保護。陰極保護法包括犧牲陽極陰極保護法和外加電流陰極保護法。
2.1.1 犧牲陽極保護法
犧牲陽極保護法同腐蝕電池的原理相同,如圖2所示,在原來的電化學(xué)腐蝕系統(tǒng)中接入更活潑的金屬元素,通過加快自身的腐蝕從而減緩了金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕程度。目前,大多數(shù)海洋設(shè)備都采用犧牲陽極的方法,其優(yōu)點在于選材方便、安全可靠。
圖2 犧牲陽極陰極保護法原理示意圖
這種方法的缺點是,海洋設(shè)備的防腐體系是處于一個動態(tài)的過程,陽極所能提供的保護電流及防腐涂層的狀態(tài)在不同時期不能確切地得知,也不能實現(xiàn)自動控制,通常為了保證防腐效果,其陽極的數(shù)量要足夠多。
2.1.2 外加電流陰極保護法
外加電流陰極保護法是利用電化學(xué)腐蝕的原理,由外部直流電源直接向海洋設(shè)備上施加電流,使電子在金屬表面富集,并通過控制海洋設(shè)備的電位使船體發(fā)生陰極極化,從而達到降低或抑制海洋設(shè)備腐蝕的目的,其原理如圖3所示。船舶外加的電流陰極保護系統(tǒng)可隨外界條件變化實現(xiàn)自動控制,使用周期長。
圖3 外加電流陰極保護法原理示意圖
防腐涂層法是最普遍使用的防腐方法,在金屬表面涂上耐蝕化學(xué)涂料,以達到防腐的目的。其作用機理主要有:①屏蔽:阻止腐蝕介質(zhì)和金屬表面之間的直接接觸;②鈍化:改變金屬表面的電位性能,使其電極電位往正的方向移動;③防銹:保護金屬表面不被腐蝕;④陰極保護:防腐涂層的電極電位比被其保護的金屬低,作為陽極而逐漸被腐蝕,同時保護了作為陰極的鋼結(jié)構(gòu)材料[3]。
復(fù)合防腐法是根據(jù)陰極保護與防腐涂層的特點,將兩者聯(lián)合。如:海洋船舶通常采用外加電流陰極保護與犧牲陽極相結(jié)合的方法;水線以下的設(shè)備多采用外加電流陰極保護法和長效配套涂料方法相結(jié)合;壓載水艙、污油水艙多采用高效犧牲陽極法和長效配套涂料方法相結(jié)合;與海水接觸的管材接頭、法蘭需要進行必要的電絕緣保護。
(1)為了使陰極保護技術(shù)朝著高智能、高效、長壽命等方向發(fā)展,應(yīng)用陰極保護方法進行防腐系統(tǒng)設(shè)計時,傳統(tǒng)的防腐設(shè)計是基于經(jīng)驗公式和平均電流密度的方法,無法考慮保護電流密度在空間上的不均勻性和時間的變化性,這和實際情況存有差異。因此,人們開始了陰極保護的設(shè)計及研究,該過程包括計算機仿真建模、數(shù)值模擬計算及計算結(jié)果分析。采用計算機數(shù)值模擬仿真技術(shù),能有效克服傳統(tǒng)防腐設(shè)計方法中的固有缺陷,實現(xiàn)全壽命期內(nèi)可控制和有預(yù)見性的復(fù)合防腐系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。
(2)由于材料性能的不斷改進和提升,輔助陽極從早期的廢鋼鐵、高硅鐵發(fā)展到鉛銀合金、鉑復(fù)合陽極以及混合金屬氧化物陽極等;可控電源也由早期的磁飽和、大功率晶體管和可控硅3大系列的恒電位儀朝著IGBT電子電力模塊、開關(guān)電源數(shù)字化方向發(fā)展。
隨著海洋工業(yè)的迅速發(fā)展和海洋環(huán)境保護的迫切需求,使得海洋防腐涂料也朝著高性能、高環(huán)保的方向發(fā)展,出現(xiàn)了許多有前景的新技術(shù)[4]。
(1)無公害防銹涂料。鈍化或緩蝕型海洋防腐涂料一般均含鉻、鉛等重金屬元素,為此,人們研發(fā)出能抑制鋼鐵腐蝕的新型活性涂料,如磷酸鋅、鉬酸鈣以及含鋅化合物等。
(2)水性無機富鋅涂料。水性無機富鋅涂料是海洋環(huán)境防腐蝕領(lǐng)域中防銹性能最優(yōu)異的一類涂料,它以無機物為主要成膜物,以高含量的鋅粉為主要的防銹涂料。
(3)低處理表面防銹涂料。船舶及海洋設(shè)備中有許多空間狹小或無法拆除的部件,防腐維護時無法進行徹底的表面處理,且暴露在海洋環(huán)境中,為此,需要直接在設(shè)備表面涂裝高性能低處理表面涂料。目前,國內(nèi)已開發(fā)出具備低處理表面適應(yīng)性強的通用底漆,大大降低了表面處理時的難度、節(jié)約了維修費用,同時也避免了預(yù)處理對環(huán)境造成的污染。
國內(nèi)防腐涂料呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢[5]:
(1)品種趨向功能型:多功能防腐涂料同時具備抗靜電、高彈性和無毒等許多優(yōu)良的性能。
(2)檔次轉(zhuǎn)向環(huán)保型:限制傳統(tǒng)的高能耗、高污染防腐涂料的應(yīng)用,普及節(jié)能、低耗和環(huán)保型的防腐涂料。
(3)技術(shù)轉(zhuǎn)向適應(yīng)性:過去的防腐涂料以防銹、耐油和耐溫為主,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,其適應(yīng)性引起了人們的高度重視,要求其便于施工且不受設(shè)備結(jié)構(gòu)、形狀限制,重涂和修復(fù)方便,可與其他防腐措施配合使用等。
總之我國海洋設(shè)備的防腐研究正朝著綠色、環(huán)保和高性能等方向發(fā)展,防腐涂料的涂裝工藝和涂裝水平也在不斷提高。
[1]孫建紅,鄭煒,王曉鵬.水面艦艇船體防腐和陰極保護的優(yōu)化設(shè)計方法[J].中國船舶研究,2007,2(4):60-63,67.
[2]顧彩香,李偉,朱冠軍,等.硫酸鹽還原菌的船舶腐蝕研究進展[J].水運工程,2010(5):52-56.
[3]李紅良,劉謙.海洋防腐涂料的研究進展[J].寧波化工,2011(2):27-31.
[4]邊蘊靜.新型海洋涂料技術(shù)[J].化工新型材料,2002,20(6):25-28.
[5]趙君,楊小剛,王光榮,等.海洋防腐涂料現(xiàn)狀及市場前景[J].中國涂料,2006(6):9-12.