船舶的腐蝕與防護船舶上材料保護研究進展和軋制氧化皮縫隙所暴露出的鐵，在電解質(zhì)溶液下形成腐蝕電池，結(jié)果腐蝕沿縫隙在軋制氧化皮下擴展，最后氧化皮帶著表面的涂層一起脫落[3]。2．機械作用腐蝕。機械作用的腐蝕包括腐蝕作用和機械磨損，二者相互加速[4]。其中包括沖擊腐蝕，這是由于液體湍流或沖擊所造成；空泡腐蝕，高速流動的液體，因不規(guī)則流動，產(chǎn)生空泡，形成“水錘作用”，常常破壞金屬表面的保護膜，加速腐蝕作用，如螺旋槳、泵軸等處易發(fā)生；微振磨損腐蝕，兩個緊接著的表面相互振動而引起的磨捐；應(yīng)力腐蝕開裂，在拉伸應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)作用下的金屬腐蝕破壞，金屬內(nèi)會產(chǎn)生沿晶或穿晶的裂紋[5]。3．生物腐蝕。生物腐蝕是由海洋生物的船底附著物引起的，這種腐蝕包括化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩種[6]。由于海洋生物在船底的附著，破壞了漆膜，造成鋼板局部電化學(xué)腐蝕；由于微生物的新陳代謝作用，分泌出具有侵蝕性的物質(zhì)以及其他有機酸和無機酸引起鋼板的腐蝕作用等[7]。4．由于光照、溫度、化學(xué)介質(zhì)、磨損或機械損傷等原因引起的破壞。光照會使涂層老化、粉化；過高的溫度以致超過高聚物所能承受的極限溫度時會出現(xiàn)發(fā)軟或龜裂、熔化等問題；化學(xué)介質(zhì)會使涂層溶脹或溶解、脆化等；機械損傷會造成涂層破裂[8]。5．介質(zhì)滲透后使涂層下金屬表面發(fā)生電化學(xué)腐蝕所引起的破壞。當(dāng)漆膜有電解質(zhì)透過后，發(fā)生了電化學(xué)腐蝕[9]，會使漆膜下呈堿性，當(dāng)漆膜不耐堿時，就會對涂膜造成破壞。水的滲透使涂層體積增加所引起的破壞。有些涂層在水的浸泡過程中因吸收水分使體積增加而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，這時，在任何粘附得較差的點上的涂層就會脫離金屬并隆起成泡[10]。二、船舶腐蝕防護措施船舶的防護直接關(guān)系到船舶的使用壽命和航行安全。船舶的防護包括合理選材、表面保護、陰極保護，船舶電力系統(tǒng)的保護，船舶防護智能系統(tǒng)。1合理選材材料的選擇是我們首選要考慮的，好的選材能為我們的防腐帶來很大的便利。船舶的選材要考慮很多，要考慮其力學(xué)性能、熱性能、密度、防腐性能等。現(xiàn)在越來越多的新材料被應(yīng)用到船舶上。這些新材料有：碳素鋼、合金鋼、復(fù)合材料等。韓國普泰有限公司研發(fā)的發(fā)泡鋁已經(jīng)應(yīng)用到船舶的實際生產(chǎn)中。發(fā)泡鋁是種十分輕的金屬[11]。將鋁錠熔解，經(jīng)過發(fā)泡過程后，即形成比重為0.2具有無數(shù)氣孔的發(fā)泡鋁。和鐵7.85的比重相比不過才1／40。所以這對于滿足汽車，列車，輪船等使用輕型材料的要求綽綽有余。發(fā)泡鋁除了輕量化以外還有其他非凡特性。首先由于發(fā)泡鋁擁有很多的氣孔結(jié)構(gòu)，所以具有吸收噪音的性能。而且，由于發(fā)泡鋁為多層結(jié)構(gòu)，所以能夠充分吸收外界爆炸，抗擊等能量的抗沖擊性能。且使用后可以將發(fā)泡鋁進行熔解，100％可再使用。由于發(fā)泡鋁諸多優(yōu)秀的特性，所以現(xiàn)止在廣泛應(yīng)用于建筑，國防，機械，原子能，交通運輸?shù)犬a(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。船舶中應(yīng)用的發(fā)泡鋁產(chǎn)品大致可分為3種。第一種，發(fā)泡鋁本身。主要安裝于船舶的機艙壁和頂棚．進行吸音用。需要的話，將發(fā)泡鋁和不燃聚氨酯泡沫復(fù)合．從源頭上切斷發(fā)動機向船體各部位傳播的震動。第二種．是將發(fā)泡鋁和薄型大理石相復(fù)合的‘發(fā)泡鋁大理石復(fù)合板’產(chǎn)品[12]。游艇售價較高，從游艇使用者期望的內(nèi)部裝飾產(chǎn)品中天然大理石的重量和加工層面而言，會降低船舶的性能。第三種，環(huán)保型夾心復(fù)合扳。即發(fā)泡鋁兩面復(fù)合鋁板作為高級船舶的地扳材料，船艙艙壁．頂棚材料等使用的板材。大部分的高級船舶現(xiàn)在均使用內(nèi)部填充玻璃棉或者礦棉，兩面復(fù)臺鐵板的復(fù)合板材。2表面保護表面保護主要是表面涂上一層保護膜。目前，船舶涂料的品種有：水線涂料、船殼涂料、甲板涂料、油艙涂料、飲水艙涂料、壓載水艙涂料、防污涂料等。船舶用防腐蝕涂料的防蝕機理：(1)涂膜對腐蝕介質(zhì)的屏蔽作用。當(dāng)涂料在金屬表面形成連續(xù)的涂膜以后，可以將金屬和腐蝕介質(zhì)隔離開。根據(jù)電化學(xué)腐蝕原理，如果能完全將腐蝕介質(zhì)、氧氣隔離，不和金屬接觸，就可以避免金屬的腐蝕[13]。(2)涂膜的陰極保護作用。有機高分子聚合物一般都是絕緣體，如果在成膜物質(zhì)中加入能成為犧牲陽極材料的金屬顏料，當(dāng)金屬顏料和金屬表面直接接觸，有腐蝕介質(zhì)滲入后，金屬顏料被腐蝕，可以保護金屬。例如富鋅底漆中的顏料為金屬鋅的粉末，將其涂刷在鋼板上時，鋅可作為犧牲陽極[14]。(3)涂料的陽極鈍化和緩蝕作用在涂料中含有水溶性顏料，當(dāng)水滲入涂膜后，顏料溶解會起到緩蝕作用，或使金屬表面鈍化的作用。多層防腐蝕涂膜的構(gòu)成(1)底漆。底漆和金屬表面直接接觸，故底漆應(yīng)具有以下特點：①和金屬表面的結(jié)合力好，具有很好的潤濕性；②含有陰極保護性顏料或陽極緩蝕性顏料；eq\o\ac(○,3)底漆的成膜物質(zhì)具有很好的屏蔽作用，阻止腐蝕介質(zhì)的滲透[15]。(2)中間層漆。中間層漆起著連接底漆和面漆的作用。(3)面漆。面漆是阻擋腐蝕介質(zhì)的第一步，因此使用面漆時要注意以下要求。①根據(jù)腐蝕環(huán)境選擇不同性質(zhì)的面漆，例如船舶的面漆要具有防海洋氣候的性能；②為減少孔隙度，最后一層面漆使用不含顏料的清漆，可獲得致密的涂膜；③針對不同的要求，使用特殊功能的面漆。例如，船舶底部為防止因海洋生物的附著而造成的腐蝕，使用防污漆。下表是現(xiàn)在典型的船舶用涂料[16]。現(xiàn)在有很多人在研究新型船舶用涂料。山西華海精細化工研究所科研人員經(jīng)過長期探索研究，成功研制了一種納米環(huán)保液體防腐涂料，并已獲得國家發(fā)明專利(專利號為ZL03100894．1)，目前已投入批量生產(chǎn)，是有望成為替代當(dāng)前熱鍍鋅工藝的最佳產(chǎn)品[17]。本產(chǎn)品是由新型高分子聚合物組成的：有著優(yōu)異性能的IPN(即互穿聚合物網(wǎng)絡(luò))和可再生原材料。在生產(chǎn)和使用過程中沒有三廢排放，涂層耐酸、堿、鹽，附著力強，硬度高，耐候性能優(yōu)良，施工操作簡便，成本低，耗能低。是目前國內(nèi)有望替代熱鍍鋅工藝的最佳新型材料。所研制的水性防火涂料，在艦船上已開始應(yīng)用，是一個良好的開端。青島海洋化工研究院研制的船舶用水性瀝青漆，前兩年已有報道[18]。歐美龍（南通）重防腐涂料有限公司申請的專利：船舶壓載艙防腐無溶劑環(huán)氧涂料改性添加劑及改性環(huán)氧涂料。其所述添加劑組分及用量如下：聚異丁烯30~35wt%、酚醛環(huán)氧樹脂20~25wt%、石油樹脂40~50wt%。本發(fā)明所提出的添加劑具有降低無溶劑環(huán)氧涂料的粘度，漆膜韌性較之現(xiàn)有技術(shù)有很大的提高，添加涂料的耐陰極剝離性能及附著力。可以作為無溶劑涂料的添加劑使用[19]。3．陰極保護技術(shù)對于船舶中與海水直接接觸的部位，采用比鋼鐵的電極電位更低的金屬或合金與鋼鐵船體電性連接，使其在整體上成為陰極；或給鋼鐵船體不斷地加上一個與鋼鐵腐蝕時產(chǎn)生的腐蝕電流方向相反的直流電，同樣可使其在整體上成為陰極，并且得到極化，便可使鋼鐵船體免受腐蝕，即得到保護，對于這樣的保護措施，稱之為船舶的陰極保護。對于船舶的陰極保護來說，主要有犧牲陽極保護和外加電流保護兩種[20]。(1)犧牲陽極保護技術(shù)犧牲陽極陰極保護技術(shù)是通過在船體外表面安裝充當(dāng)陽極的被犧牲掉的金屬塊，以保護作為陰極的船體鋼板不被腐蝕。犧牲陽極陰極保護是船舶浸水部分最有效的、應(yīng)用廣泛的方法之一，所采用的陽極材料電化學(xué)性能的好壞是犧牲陽極陰極保護水平的技術(shù)關(guān)鍵。目前，船體使用的犧牲陽極有鋅—鋁—鎘三元合金(稱為三元鋅犧牲陽極)、高效鋁合金陽極、鐵合金陽極等[21]。渤船重工有限責(zé)任公司的張樹琴提出的使用鎂犧牲陽極進行陰極保護，是一種更有效更經(jīng)濟的防止金屬腐蝕的方法。華僑大學(xué)所發(fā)明的鋼鐵表面化學(xué)鍍鎳-鋅-磷鍍層具有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，外觀層暗灰色，平滑致密，鍍層與基體鋼鐵結(jié)合力強。而且鍍液穩(wěn)定性高，沉積速度較快（可達3.0mg·cm-2·h-1），所得鍍層鋅含量13.0～30.0原子百分比（at％），磷含量10.0～19.0at%。本發(fā)明的化學(xué)鍍液體系由于使用了硼酸(一種緩沖劑)，可提高鍍層中鋅的含量和大幅度提高該鍍層的沉積速率，此鍍層能使鋼鐵在海洋性環(huán)境下具有優(yōu)異的抗腐蝕性能。鎳-鋅-磷鍍層在3.5％（重量百分比wt%）氯化鈉溶液中比鋼鐵開路電位更負一些，因此該鍍層相對于鋼鐵為陽極鍍層，保護鋼鐵的機理為犧牲陽極的陰極保護法。浸泡實驗表明，該鍍層在海洋性環(huán)境中不生銹、不起鋅鍍層引起的“白霜”，累計失重不超過0.6mg·cm-2(一個月)，抗海洋性環(huán)境腐蝕強，是一種理想的代替鎘鍍層。并且本發(fā)明還對鍍層進行鈍化和封閉處理，經(jīng)過鈍化處理和封閉處理后的鍍層，浸泡在3.5wt％氯化鈉溶液中不生銹，不起鋅鍍層引起的“白霜”，累計失重不超過0.4mg·cm-2（六個月），進一步提高了其耐腐蝕性能。中國海洋還發(fā)明了一種可調(diào)式犧牲陽極陰極保護法及所用的裝置。其特征在于將一種絕緣屏蔽套安裝在被保護體金屬1和金屬2連接處，將參比電極安裝在被保護體金屬1和金屬2連接處，將犧牲陽極一端的引出導(dǎo)線與可調(diào)電阻R、標準電阻和被保護體串聯(lián)；用參比電極和毫伏計實時測量被保護體金屬1與金屬2連接處的電位；改變換向開關(guān)K的位置由毫伏計測量標準電阻Rs兩端的電壓，通過可調(diào)電阻R進行調(diào)整陽極發(fā)出電流，以控制被保護體保護效果和被保護體金屬1和金屬2連接處的電位。本發(fā)明可以適當(dāng)控制被保護體的保護效果和不同金屬連接處的保護電位；能實時監(jiān)測被保護體的狀況；屏蔽套能擴大異種金屬材料之間的電位梯度；并可預(yù)測犧牲陽極的使用壽命[22]。(2)外加電流保護技術(shù)外加電流陰極保護技術(shù)是將犧牲陽極保護中的犧牲陽極塊更換成只起導(dǎo)電作用而不溶解的輔助陽極，在陽極和鋼板之間加一直流電源，并通過海水構(gòu)成回路。電源向鋼板輸入保護電流，使鋼板成為陰極而得到保護[23]。該外加電流保護系統(tǒng)由恒電位儀也就是外加電源、參比電極、不溶性輔助陽極構(gòu)成。整個系統(tǒng)使船體電位始終保持在保護電位范圍內(nèi)。外加電流保護技術(shù)越來越多地應(yīng)用于船舶殼體的腐蝕保護，其優(yōu)點是設(shè)計保護壽命長、電位、電流可調(diào)節(jié)性強，但目前仍存在可靠性和經(jīng)濟性較差等缺點，未來的發(fā)展趨勢是通過在恒電位儀的可靠性、輔助陽極的排流量、參比電極的長期穩(wěn)定性等方面的改進，提高外加電流系統(tǒng)的可靠性和降低保護費用，并進一步延長保護年限。4防腐監(jiān)測技術(shù)船體的防腐蝕監(jiān)測的內(nèi)容包括兩個方面：一是船體腐蝕狀況監(jiān)測：另一個是船體腐蝕防護效果監(jiān)測。這類監(jiān)測技術(shù)有船體陰極保護狀態(tài)監(jiān)測(船體電位監(jiān)測)、船體腐蝕狀況監(jiān)測(超聲波測厚技術(shù)測量船體鋼板平均厚度，x射線或超聲波腐蝕測試儀，鋼板表面腐蝕坑深度監(jiān)測)、水下電視監(jiān)測系統(tǒng)(船體水下腐蝕及污垢狀況監(jiān)測)、熱波成像檢測系統(tǒng)等[24]。趙艷霞，李云飛，張文鋒等研究的遠程防腐監(jiān)測系統(tǒng)。其基本原理如下：與其它遠程監(jiān)測系統(tǒng)相似，防腐遠程監(jiān)測系統(tǒng)實質(zhì)上是一套集數(shù)據(jù)采集、傳輸、接收、顯示和處理于一體的綜合系統(tǒng)，其實現(xiàn)的效果是將傳統(tǒng)人工采集、記錄、處理、遞送和歸檔陰極保護數(shù)據(jù)的過程通過電子信息系統(tǒng)來實現(xiàn)。具體來說，防腐遠程監(jiān)測系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、監(jiān)控終端和輔助支持系統(tǒng)。其原理如下圖所示[25]。三幾種防腐方法的比較：比較幾種防腐方法。合理選材能起到很好地防腐作用，但是新材料的開發(fā)是一個長期的過程，而且能綜合滿足各種功能的材料比較難找。表面保護雖然能起到很好地保護作用，但涂層經(jīng)一段時間會由于各種原因發(fā)生破壞，所以要做好日常保養(yǎng)和監(jiān)測。陰極保護技術(shù)也是一個比較有用的方法，但由于現(xiàn)在的船體越來越大，結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，所以陰極保護的問題也越來越多，所以要根據(jù)實際情況調(diào)整保護方法。防腐監(jiān)測技術(shù)是一個輔助技術(shù)，能很好地發(fā)現(xiàn)腐蝕的狀況，以便及時修整。在實際應(yīng)用中，這幾種方法要綜合使用，同時要加大新材料的開發(fā)力度。參考文獻：[1]WanHG，GaosM，PengQs．VirtualAssemblyInACAVEEnvironment[A]．In：ProceedingsoftheSeventhInternationalConferenceonComputerAidedDesignandComputerGraphics[C]．Kunming：InternationalAcademicPublishers，2001：552—557．[2]BallingerHJ，RicherM，SeidelKA．VirtualAssemblyPlanning[J]．HumanFactorsandErgonomicsInManufracturing，2000，10(3)：331—341．[3]陳定方，羅亞波．虛擬設(shè)計[M]．機械工業(yè)出版社，2002．[4]劉振宇，譚建榮．面向過程的虛擬環(huán)境中產(chǎn)品裝配建模研究[J]．2004，40(3)：93—99．[5]許友林，姚智剛，熊玲．船舶防腐蝕技術(shù)應(yīng)用及其發(fā)展．中國修船，2008(6)：17—19．[6]谷旭東．船體的腐蝕與保養(yǎng).中國修船，2003(5)：40—41．[7]李婭娟．船舶腐蝕防護計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)．大連：大連海事大學(xué)2007：13-21．[8]SorenHill．Seawater—solublepigmentsandtheirpotentialuseinselfpolishingantifoulingpaints：simulation—basedscreeningt001．ProgressinOrganicCoatings，2002(45)：423—434．[9]王丙玲，邊洪村,王曉麗，等．海水消毒凈化技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用．海岸工程，2001，20(3)，65—68．[10]BTWaterman，BDaphne，SSieverseta1．Bioassaysandselectedchemicalanalysisofbiocide—freeantifoulingcoatings．Chemosphere.2005,(60)：1530—1541．．[11]JGrantBurgess，eta1．Thedevelopmentofmarinenatureproductbasedantifoulingpaint.2003(19supplement)：197—205．[12]BurkardWatermann．AlternativeAntifoulingTechniquesPresentandFuture．ww．1imnomar．de／download／DHZ-GJH一1997．pdf．[13]Hans-Curt，eta1．Antifoulingstrategiesintechnicalsystem-ashortreview．Wat．Sci．Tech．V01．34，1996。No．5-6：517—524．[14]LolinJEvans．OrganicCompoundinModernTechnology：135—174．[15]顏東洲，賈成功．防污涂料的應(yīng)用和技木進展．化工科技市場，2002，25(12)：21—24．[16]Watts，JamesL．AntifoulingCoatingCompositionContainingCapsaicin．USPatent，5397385．1995．3．14．[17]吳笠宇，李建新．抗海洋生物污染漁網(wǎng)．中國專利，ZL03100894．1[18]RobertFBradyJr．Afracturemechanicalanalysisoffoulingreleasef