引言

船舶海洋工程是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，它不僅涵蓋了國際貿(mào)易中超過 90% 的貨運(yùn)海洋運(yùn)輸，還包括了海洋油氣資源開發(fā)、海上風(fēng)電等新能源領(lǐng)域。海洋工程結(jié)構(gòu)與船舶的腐蝕防護(hù)是保障其安全、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

由于海洋高鹽，富氧，微生物、宏生物多等，再加上波浪的拍打和日光的照射，使得腐蝕問題尤為嚴(yán)重。當(dāng)前海洋資源開發(fā)工作中，僅僅腐蝕問題所造成的損失，占據(jù)我國 GDP 的 5%。在 ISO12944 中，海洋環(huán)境的腐蝕等級被列為最高。腐蝕不僅會導(dǎo)致船舶海洋工程結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度和耐久性下降，增加維護(hù)和更換成本，還可能引發(fā)重大安全事故。此外，還會引起生物污損，如海洋生物在船底的附著和生長，會增加船舶的航行阻力，降低航行速度，增加燃耗，造成經(jīng)濟(jì)損失。有效的腐蝕防護(hù)措施可顯著提高海洋工程結(jié)構(gòu)服役壽命，降低維護(hù)成本，保障人員和環(huán)境安全，對于實(shí)現(xiàn)海洋資源的可持續(xù)開發(fā)具有重要意義。

1、船舶海洋工程腐蝕現(xiàn)狀

1.1 腐蝕類型與機(jī)理

船舶和海洋工程結(jié)構(gòu)長期處于海洋環(huán)境中，高鹽度、高濕度、微生物活動及溫度變化大等因素造成了腐蝕。腐蝕包括但不限于電化學(xué)腐蝕、點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂、腐蝕疲勞、氫致開裂、晶間腐蝕、脫合金化、摩擦腐蝕和高溫腐蝕等 [1]。不僅影響結(jié)構(gòu)完整性和功能性，還可能導(dǎo)致災(zāi)難性事故，如斷裂、泄漏等，對人員安全和環(huán)境都構(gòu)成威脅。

1.2 腐蝕造成的危害與損失

腐蝕對船舶和海洋工程結(jié)構(gòu)的影響很大，不僅會使材料強(qiáng)度下降、結(jié)構(gòu)失效，還可能引發(fā)重大安全事故。例如，腐蝕可能導(dǎo)致船舶結(jié)構(gòu)失效，海洋平臺結(jié)構(gòu)損壞，海底管道泄漏，以及港口和碼頭設(shè)施的破壞，不僅增加了經(jīng)濟(jì)成本，還可能導(dǎo)致環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。

1.3 現(xiàn)有防腐措施的有效性分析

為減少海洋腐蝕的危害，已發(fā)展出多種防腐措施，包括使用耐腐蝕材料、表面處理技術(shù)、防腐涂層、陰極保護(hù)、環(huán)境控制及定期檢查和維護(hù)等。比如，通過對鋼材化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、腐蝕產(chǎn)物膜等的調(diào)控，可以大幅提高鋼材的抗腐蝕性能。另外，也可以通過化學(xué)和物理的方法來改變材料或部件的化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)，從而改善部件的抗腐蝕性能。在金屬表面涂覆一層耐水、氧、離子滲透的材料，以及注重工程裝備使用過程中的日常維護(hù)保養(yǎng)等也是應(yīng)對腐蝕的有效方法 [2]。

然而，防腐措施有效性受防腐材料選擇、施工質(zhì)量、維護(hù)保養(yǎng)及時(shí)性等因素影響。例如，涂層完整性對防腐蝕至關(guān)重要，一旦涂層破損，腐蝕就可能在局部區(qū)域加速發(fā)生。因此，需定期檢查和維護(hù)涂層，確保其完整性和有效性。此外，陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量也直接影響其保護(hù)效果，需要專業(yè)設(shè)計(jì)和施工團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)。

2、防腐涂料的創(chuàng)新與應(yīng)用

2.1 海洋防腐涂料的分類與性能要求

海洋防腐涂料是海洋工程中至關(guān)重要的材料，其保護(hù)結(jié)構(gòu)免受海洋環(huán)境惡劣條件的侵蝕。涂料的應(yīng)用范圍廣泛，包括船舶、海上平臺、港口機(jī)械、輸油管線等。

海洋防腐涂料包括環(huán)氧類、聚氨酯類、富鋅類、丙烯酸類、橡膠類、氟樹脂類、有機(jī)硅類、聚脲類、玻璃鱗片類和石墨烯類等。每種涂料都有獨(dú)特的性能和應(yīng)用場景。例如，環(huán)氧類防腐涂料因其優(yōu)異的附著力、強(qiáng)度和耐化學(xué)品性，在海洋重防腐領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。而氟樹脂類涂料則因其出色的耐候性和耐腐蝕性，適用于橋梁等長期暴露在海洋環(huán)境中的結(jié)構(gòu)。

性能要求方面，海洋防腐涂料需要具備良好的物理性能，如抗?jié)B性和附著力；優(yōu)良的化學(xué)特性，包括耐海水，耐鹽霧，耐油性，耐化學(xué)腐蝕；與電化學(xué)防護(hù)體系兼容；良好的施工性能和環(huán)保性。此外，涂料還應(yīng)符合特定的健康、安全和環(huán)保要求，如低揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）含量。

2.2 重防腐涂料的應(yīng)用現(xiàn)狀

重防腐涂料的應(yīng)用現(xiàn)狀表明，盡管現(xiàn)有的涂料能夠在一定程度上滿足防腐需求，但仍存在一些局限性，例如在耐沖擊力、耐韌性和耐候性方面的不足。為了解決這些問題，研究人員正在開發(fā)新型的防腐涂料，如氟碳涂料，這種涂料結(jié)合了酚醛樹脂涂料、環(huán)氧樹脂涂料和氟碳樹脂涂料的優(yōu)點(diǎn)，具有更強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性和耐腐蝕性。

環(huán)保型新材料的開發(fā)也是當(dāng)前的一個(gè)研究重點(diǎn)。例如，使用復(fù)合磷酸鹽防銹顏料代替有毒的防銹顏料，以及開發(fā)水性涂料，都是減少環(huán)境污染的重要步驟。此外，聚脲彈性體防腐涂料作為一種新興的高性能重防腐涂料，因其無溶劑、無污染的特性，在海洋工程中的應(yīng)用越來越廣泛 [3]。

總的來說，海洋防腐蝕涂層的研究與開發(fā)正在朝著綠色、長壽、厚膜、低表面處理和易于施工的方向發(fā)展。高固率、低揮發(fā)性有機(jī)化合物、無溶劑粉末涂層及室溫固化涂層將成為今后的研究熱點(diǎn)。同時(shí)，納米粒子在涂料改性中的應(yīng)用，以及無機(jī) - 有機(jī)涂料混用的研究，都為提高涂層性能提供了新的可能性。

2.3 納米復(fù)合涂料技術(shù)的發(fā)展

納米復(fù)合涂料技術(shù)的發(fā)展為防腐涂料領(lǐng)域帶來了革命性的進(jìn)展。通過將納米材料如納米二氧化硅、納米氧化鋅等引入涂料配方中，可以顯著提升涂料的耐腐蝕性、耐磨性、抗老化性等性能。這些納米粒子的小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，使得涂料能夠形成更加致密、均勻的防護(hù)層，有效阻擋水分、氧氣及有害物質(zhì)的滲透，從而大大延長資產(chǎn)的使用壽命。

在海洋防腐涂料的研究中，中國科學(xué)院寧波材料科學(xué)與工程研究院已攻克石墨烯改性防腐蝕涂層研制與應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，研制出一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型石墨烯涂層，其耐鹽霧壽命超過 6000 h，是國際上最優(yōu)重防腐涂料耐鹽霧壽命的 2 倍。該技術(shù)成果已實(shí)施產(chǎn)業(yè)化，具備年產(chǎn)萬噸級的生產(chǎn)能力，并在多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)入規(guī)模示范應(yīng)用階段。

2.4 環(huán)保型防污涂料的創(chuàng)新

環(huán)保型防污涂料的創(chuàng)新也是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。中國科學(xué)院海洋所段繼周所在的科研團(tuán)隊(duì)，在水性納米復(fù)合涂料的防腐蝕與抗污染研究上取得了一定的進(jìn)展。為環(huán)保型防腐防污涂料研發(fā)提供了新思路。本項(xiàng)目擬以具有優(yōu)異耐腐蝕、抗污染性能的氧化石墨烯 / 氧化鋅量子點(diǎn)納米復(fù)合體系為研究對象，采用共價(jià)雜化、功能化修飾等方法，構(gòu)建點(diǎn) - 片結(jié)構(gòu)二維納米雜化材料，使其綜合性能大幅提高，實(shí)現(xiàn)長效防腐蝕與綠色防污的雙效協(xié)同。

此外，納米復(fù)合涂層的微觀形貌對其性能有著重要影響。上海理工大學(xué)材料學(xué)院的李偉教授團(tuán)隊(duì)在國家科技支撐計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持下，歷經(jīng) 11 年的合作研究，攻克了多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)，研制出的多系列高性能納米復(fù)合涂層產(chǎn)品，已批量應(yīng)用于各種工具上，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車發(fā)動機(jī)、工程機(jī)械、軌道交通、冶金、發(fā)電能源、通用機(jī)械等眾多領(lǐng)域。

3、耐腐蝕材料的開發(fā)與應(yīng)用

3.1 耐海水腐蝕鋼的研發(fā)進(jìn)展

在海洋工程領(lǐng)域，材料的耐腐蝕性能是保障結(jié)構(gòu)安全和延長使用壽命的關(guān)鍵。隨著技術(shù)的發(fā)展，耐海水腐蝕鋼和有色金屬合金如鈦合金、銅合金等的應(yīng)用越來越廣泛。

耐海水腐蝕鋼的研發(fā)進(jìn)展顯著。這類鋼材通過添加特定的合金元素，如銅、磷、鉻、鎳等，顯著提高了在海水中的耐蝕性能。例如，日本開發(fā)的 NAC5 耐蝕鋼，以及 JFE 公司研發(fā)的 JFE-SIPTM-OT 耐蝕鋼板，都在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出了優(yōu)異耐蝕性能。這些鋼材的研發(fā)，使得在海水環(huán)境中的裝備能夠減少維護(hù)成本，延長使用壽命。中國在耐海水腐蝕鋼方面也取得了進(jìn)展，如鞍鋼、首鋼等企業(yè)已經(jīng)成功開發(fā)出油船貨油艙用耐蝕鋼，并進(jìn)入了工業(yè)試制與實(shí)船試驗(yàn)階段。這些耐蝕鋼的研發(fā)和應(yīng)用，對于減少維護(hù)成本和延長海洋工程結(jié)構(gòu)的使用壽命具有重要意義。

3.2 鈦合金、銅合金等有色金屬的應(yīng)用

鈦合金、銅合金等有色金屬的應(yīng)用在海洋工程中也占有重要地位。鈦合金因其出色的耐海水腐蝕性和高強(qiáng)度，被廣泛用于船舶、潛艇、海洋平臺等關(guān)鍵部件的制造。

例如，超細(xì)晶鈦合金因其更高的強(qiáng)度與良好的塑性匹配，以及更高的耐磨性和更佳的生物相容性，在航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域頗具應(yīng)用價(jià)值 [4]。中國科學(xué)院金屬研究所開發(fā)的本項(xiàng)目擬采用“雙相層包覆超細(xì)等軸晶”的組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，大幅提升超細(xì)晶鈦合金的熱穩(wěn)定性；采用傳統(tǒng)的熱處理和熱加工相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)以上組織的大尺寸制備，解決超細(xì)晶鈦合金制備困難和組織穩(wěn)定性差的難題。銅合金，尤其是超高強(qiáng)銅鈦合金，因其優(yōu)異的屈服強(qiáng)度、彈性極限、導(dǎo)電性能、延展性和抗疲勞性能，在電器接觸元件中具有廣闊的應(yīng)用前景。銅鈦合金的制備多在真空條件下進(jìn)行，以控制 Ti 元素的損耗率，減少制備過程中缺陷的形成，從而獲得高性能的銅鈦合金。

3.3 復(fù)合材料與高分子材料的耐腐蝕性能

在海洋工程領(lǐng)域，耐腐蝕材料的開發(fā)與應(yīng)用是保障結(jié)構(gòu)安全和延長使用壽命的關(guān)鍵技術(shù)。復(fù)合材料和高分子材料因其獨(dú)特的性能，如高強(qiáng)度、輕質(zhì)、耐化學(xué)介質(zhì)等，被廣泛應(yīng)用于海洋工程領(lǐng)域。復(fù)合材料通常由 2 種或更多不同性質(zhì)的材料組成，以提高材料的整體性能。在海洋環(huán)境中，復(fù)合材料能夠提供比傳統(tǒng)金屬材料更好的耐腐蝕性能，尤其是在高鹽、高濕度的條件下。例如，玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）因其輕質(zhì)、高強(qiáng)度和良好的耐化學(xué)性，在船舶制造和海洋結(jié)構(gòu)中有著廣泛應(yīng)用。此外，碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）也因其卓越的力學(xué)性能和耐腐蝕性，被用于制造船舶某些部件，如船體、甲板和桅桿等。

高分子材料，包括塑料和橡膠等，在海洋工程中的應(yīng)用也在不斷增加。這些材料通常具有良好的耐化學(xué)腐蝕性，能夠在廣泛的溫度范圍內(nèi)保持性能穩(wěn)定。例如，乙烯基酯樹脂和環(huán)氧樹脂等高分子材料，因其優(yōu)異耐海水腐蝕性和耐化學(xué)性，被廣泛用于海洋工程中的涂層、密封材料和絕緣材料。然而，高分子材料的耐老化性能和長期穩(wěn)定性仍然是需要關(guān)注的問題，特別是在紫外線和海洋微生物的影響下。

3.4 免涂裝耐腐蝕鋼的應(yīng)用前景

免涂裝耐腐蝕鋼的應(yīng)用前景十分廣闊。免涂裝耐腐蝕鋼通過添加特定的合金元素，如銅、磷、鉻等，能夠在表面形成致密的銹層，從而提供自我保護(hù)的腐蝕防護(hù)。

耐候鋼和耐海水腐蝕鋼的發(fā)展，為海洋工程提供了更為經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的解決方案。例如，耐候鋼在橋梁建設(shè)中的應(yīng)用，不僅減少了維護(hù)成本，還降低了環(huán)境污染。隨著技術(shù)的進(jìn)步和對環(huán)境友好型材料需求的增加，免涂裝耐腐蝕鋼在未來的海洋工程中將發(fā)揮更大的作用。

總的來說，復(fù)合材料、高分子材料和免涂裝耐腐蝕鋼的開發(fā)與應(yīng)用，為海洋工程領(lǐng)域提供了更多材料選擇。

這些材料不僅能提高結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性能，還能降低維護(hù)成本和環(huán)境污染，對于推動海洋資源的可持續(xù)開發(fā)具有重要意義。隨著材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，未來將有更多的高性能耐腐蝕材料被研發(fā)出來，以適應(yīng)不斷擴(kuò)展的海洋工程需求。

4、結(jié)語

在耐腐蝕材料的開發(fā)上，耐海水腐蝕鋼、鈦合金、銅合金等材料的應(yīng)用日益廣泛。耐海水腐蝕鋼通過調(diào)整化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)，顯著提高了在海水中的耐蝕性能。

鈦合金和銅合金等有色金屬因其出色的耐蝕性和高強(qiáng)度，被用于制造船舶的關(guān)鍵部件和海洋平臺的結(jié)構(gòu)材料。此外，復(fù)合材料和高分子材料的耐腐蝕性能也受到了重視。這些材料以其輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐化學(xué)介質(zhì)等特性，在船舶和海洋工程結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著重要作用。例如，玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）和碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）在船舶制造中的應(yīng)用，不僅減輕了結(jié)構(gòu)重量，還提高了耐蝕性能。

隨著海洋工程的不斷擴(kuò)展和深化，對防腐技術(shù)的需求也日益增長。未來的防腐技術(shù)將更加注重環(huán)保、節(jié)能、高性能和功能化，同時(shí)，對新型材料的開發(fā)和應(yīng)用也將不斷推進(jìn)。通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和材料改進(jìn)，可以期待船舶海洋工程中的防腐技術(shù)將更好地服務(wù)于海洋資源的開發(fā)利用，為建設(shè)海洋強(qiáng)國提供堅(jiān)實(shí)的材料和技術(shù)支撐。

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