冰区漆失效原因分析

0 引言
普通钢在自然界中的自然氧化腐蚀大约为每年0.02 mm,而在海水中的腐蚀率会大大提高,为了延长船舶的使用寿命,在其外板会安装锌块作为牺牲阳极并涂装防锈防污漆。冰区船需适应冰区的恶劣环境,对此种涂料的要求更高。2010 年3 月30 日,我厂在建的丹麦冰区船外板涂装完工后下水,同年5 月10日进坞时,发现船的左舷下部有5 个直径约10 mm,深度约9 mm 的孔蚀。左舷艏部牺牲阳极锌块表面粉化深度约10 mm。

1 失效分析
对孔蚀部位进行分析:腐蚀仅存在于船的左舷下侧及左舷舭龙骨处,左舷靠岸,水下建造施工时,电缆线等与左舷壁相邻;腐蚀区在水(海水)下期为40 d,孔蚀个数为5,分散开;孔蚀内壁光滑、规整,孔蚀深度约8~9 mm,该船孔蚀处外板钢板厚度为10 mm,孔蚀处快要穿透了;孔蚀边缘的有机涂层下也有Fe(OH)2·Fe2O3·H2O 等红色物;左舷下侧艏部牺牲阳极锌块表面粉化深度约10 mm ;左舷外板直壁及船底平底和船体设计凹陷处(锌块旁边)涂装漆膜完好。因此该失效并非一般碰撞造成,而是电化学腐蚀引起的。

2 失效因素分析
2.1 有机涂层的屏蔽性能减弱
有机涂层作为一种高聚物膜,能不同程度地隔绝离子,但并不能完全隔绝水、氧气和离子的渗透。水、氧气和离子能通过涂层宏观或微观缺陷渗透到涂层/ 金属界面后,构成腐蚀介质,在涂层/ 金属界面形成阳极区和阴极区发生电化学腐蚀。船外板在海水环境中的腐蚀属于吸氧腐蚀,腐蚀的阳极产物和阴极产物进一步发生反应,生成Fe(OH)2·Fe2O3·H2O等红色物。该船水线下外板涂料全部采用PPG 公司的产品,配套涂料体系见表1。

此配套涂料体系为环氧体系,干膜厚度高,体系屏蔽性能较高,该配套体系的设计防污性能有效期为36 个月,防腐蚀使用寿命为15 a。从理论上讲,不可能40 d 就出现失效现象。这种孔蚀,从侧面也反映出此配套涂层具有良好的屏蔽作用。无溶剂酚醛环氧漆1200(以下简称冰区漆)为无溶剂双组分胺固化漆,混合熟化时需要温度在20℃以上,而其熟化过程是一放热反应,反应过程会使得混合物温度不断上升,温度越高,涂料固化时间越短,见表2 ;混合使用时间也越短,见表3。
表2 固化时间

表3 混合使用期

冰区漆的化学特性注定了其施工的难度,严重时可能会出现涂料在喷枪管道内固化,造成喷枪嘴堵塞。在喷涂前先将船外板喷砂除锈到Sa 2.5 级。在施工过程中,先将涂料两组分分别恒温加热到20℃,再混合搅拌熟化10 min,一人负责供漆,两人控制一把喷枪,使得在整个喷涂过程中喷枪不间断喷出涂料,最大程度地排除干喷及堵枪现象。由于熟化过程为放热反应,就不能排除在船壳上有几处干粉漆的存在。由于干粉附着处,漆膜的附着力下降,干粉与船壳及漆膜间有空气,此处也就形成了电化学腐蚀的因素之一,即回电路。水的渗透又进一步降低了漆膜的附着力。因别处的漆膜完好,这极小的干粉之处如有电流就形成了尖端放电源。
2.2 杂散电流
杂散电流指非限定回路中流动的电流。存在于预设的电源网路之外的电流,其主要来源一般为:
(1)电气牵引网路流经金属或大地返回直流变电所的电流;(2)动力和照明交流电路的漏电;(3)大地自然电流;(4)雷电和电磁辐射的感应电流等。此船外板涂装完工下水后,左舷靠岸停泊,所用动力线经左舷由码头连到在建船。船舶标准要求接地线通过接线片焊接在被焊接的船体上,确保接地线与船体电性联接良好。大量的焊接作业使得船壳外板上产生纷繁的杂散电流,如果此动力线的绝缘不是很好,就会有漏电现象产生,那船壳外板上的杂散电流将加大。船体结构焊接、供电系统和电气设备等引起的杂散电流造成船体电位正偏移大于20 mV,则可判定产生杂散电流腐蚀;若杂散电流为交流时,船体电位交替变化,即可判定产生了杂散电流腐蚀。防护杂散电流一般采取“以防为主,以排为辅,防排结合,加强监测”的综合防护措施:“防”主要是指隔离和控制所有的杂散电流泄漏途径,减少杂散电流进入在建船舶的主体结构、设备及相关的设施;“排”指通过杂散电流的收集和排流系统,提供杂散电流返回至变电所负极的金属通路,以减少杂散电流向外泄漏;“测”指监视和测量杂散电流的大小,为在建船舶提供依据,设计完备的杂散电流检测系统。通常情况下,船体外板会悬挂锌块作阳极来排除船外板上的杂散电流。我国船舶标准要求牺牲阳极锌块的设计使用寿命为6~10 a。因本冰区船涂装完工后的外板存有强大的杂散电流,而此杂散电流主要通过牺牲阳极来排除,使得40 d 就把锌块腐蚀粉化成约10 mm 深的孔蚀。
2.3 冰区漆与杂散电流的共同作用
冰区漆为酚醛环氧漆,其屏蔽性能良好。在干粉处存有空气,通常情况下,空气是不导电的。但是如果电场特别强,空气中的正负电荷在方向相反的强电场力下发生电离。电离后的空气中有了可以自由移动的正负电荷,空气就可以导电了。导体表面有电荷堆积时,电荷密度与导体表面的形状有关,在凹的部位电荷密度接近于零,平缓的部位电荷密度小,在尖锐的部位电荷密度最大。当电荷密度达到一定的量值后,电荷产生的电场会很大,以至于把空气击穿(电离),空气中与导电体带相反电荷的离子会与导体的电荷中和,出现放电火花,并能听到放电声。
尖端放电:强电场作用下,物体尖锐部位发生的一种放电现象,属于一种电晕放电;物体曲率大处,电力线密集,电势梯度大,致使其附近部分气体被击穿而发生放电。如果物体尖端在暗处或放电特别强烈,这时往往可以看到它周围有浅蓝色的光晕。古代的水手们曾将这种光晕虔诚地称为爱尔摩火(Saint,Elmo’s Fire),此沿用为自然尖端放电的代称。本冰区船的船底部两侧正是有轮廓的地方,相对于船外板的直壁与平底,此处的曲率较大,舭龙骨也突出在外,由于船外板有杂散电流,就如同一股源源不断的电源,在干粉处一边放电,一边不停地提供放电所需要的电荷,使这种尖端放电持续下去,也就出现了前文所述的击穿性孔蚀,使得相应的冰区漆对船外板的防护防污作用失效。

3 结语
冰区漆的屏蔽性能好,但施工难度大,在施工过程中应严格依照相应施工工艺进行操作,使冰区漆所覆盖的整个区域无漏喷、针孔及干粉现象;在冰区漆涂装完工后,进行船上后续的焊接等动力作业时,杜绝乱搭乱接动力线,且保证动力线绝缘良好,这样可有效避免冰区船外壳的击穿性孔蚀。

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