探究船舶和海洋工程结构的防腐蚀技术分析

中图分类号：U664

引言

在复杂恶劣的海洋环境下，船舶与海洋工程结构长期暴露于高盐湿交替、高腐蚀性的运行条件中，其金属构件极易发生腐蚀破坏，成为影响装备安全性、可靠性与经济性的核心问题。据相关统计，我国因腐蚀造成的经济损失每年占 GDP 的 3%以上，其中船舶与海洋工程领域的腐蚀损害尤为突出。腐蚀不仅降低结构强度，还可能引发海洋污染事故，对生态系统和作业安全构成双重威胁。因此，构建高效、可持续的防腐蚀体系，是当前海洋工程领域亟需突破的关键技术难题。近年来，随着海洋开发的纵深推进，防腐涂层、电化学保护、表面工程与防污手段不断发展，涌现出一批适应复杂服役环境的工程化解决方案。本文围绕典型结构区域，系统梳理并评析各类防腐蚀技术路径，结合实践应用案例，提出差异化防护策略与设计优化思路，以期为相关工程设计与维护提供理论依据与技术支持。

1 船舶与海洋工程结构腐蚀区域的划分及特点

1.1 海洋大气区

位于海面以上的大气层，典型特征是高湿度（>75%RH）和高盐分（平均每立方米含盐颗粒量约为0.1-0.2 mg）。此区结构表面一般暴露在湿干交替环境中，导致腐蚀速率为 0.2-0.5mm/‡ ，较内陆环境高出约 3-4 倍。

1.2 浪花飞溅区

该区域覆盖在高潮线至浪花飞溅的高度范围内，一般为 2.3m 。此区域腐蚀速率最高，可达 $0 . 5 { - } 2 . 0 \ \mathrm { m m } ^ { \overleftarrow }$ 。由于频繁的干湿交替和高氧含量，金属表面氧化层难以稳定形成，易发生电化学腐蚀。

1.3 潮差区

涵盖低潮线与高潮线之间的范围，潮差一般为 1-5 m，视地理位置而定。该区域因潮水的周期性浸没和暴露，形成了特殊的腐蚀环境。氧浓差电池效应显著，腐蚀速率一般为 0.2-1.0mm/‡ ，同时易发生生物附着。

1.4 海水全浸区

位于低潮线以下，结构完全浸没在海水中，腐蚀速率约为 0.1-0.3mm/‡ 。浅水区（深度 0-30m ）因溶解氧饱和和生物活跃，腐蚀较严重；深海区（>200 m）则因溶解氧较少和压力大，腐蚀速率相对较低。

1.5 海水泥土区

该区域是指结构埋入海底沉积物中的部分。氧气含量极低，腐蚀速率最慢（0.01-0.05 mm/年）。然而，硫酸盐还原菌（SRB）会产生硫化物，导致局部腐蚀加剧。典型腐蚀深度可达 5⋅10mm ，需重点防护。

2 船舶与海洋工程结构的防腐蚀技术分析

随着船舶及海洋工程装备在恶劣海洋环境中服役周期的不断延长，其结构的防腐蚀问题日益凸显。腐蚀不仅影响结构安全与使用寿命，还会带来严重的经济损失和环境风险。因此，科学合理的防腐蚀技术对于保障结构稳定性和延长使用寿命具有重要意义。目前，防腐蚀涂层技术是船舶与海洋工程领域应用最广泛、效果最显著的防护手段之一。

2.1 防腐蚀涂层技术

涂层技术通过在金属表面形成一层具有物理隔离或电化学保护功能的膜层，以阻止腐蚀介质与金属基体的直接接触。常见的涂层类型包括环氧类涂层、富锌涂层和玻璃鳞片涂层等，各具特点，适用于不同腐蚀环境和结构部位。

2.1.1 环氧类涂层

环氧类涂层是当前应用最广泛的一种防腐蚀涂层，通常涂层厚度在 200–300 μ m 之间。该类涂层以环氧树脂为主要成膜物质，具有优异的附着力、机械强度和耐化学介质腐蚀能力，尤其适用于海水、油类和酸碱环境。常用于船体外板、压载舱、舱底等对防腐要求较高的部位。

2.1.2 富锌涂层

富锌涂层作为一种典型的阴极保护型底漆，主要通过锌粉的电化学活性，为钢结构提供牺牲阳极保护。涂层厚度一般为 60–120 μm 。锌粉与钢基体之间形成电化学电池，锌作为阳极优先发生氧化，从而抑制钢铁的腐蚀。在实际应用中，富锌涂层常与环氧中间漆及面漆配合使用，形成多层复合涂层体系，广泛应用于船壳、钻井平台、管道等暴露于强腐蚀环境中的部位。

2.1.3 玻璃鳞片涂层

玻璃鳞片涂层是一种以树脂为基体、玻璃鳞片为增强相的高性能复合涂层，厚度一般为 500–1000 μ m。其片状结构排列紧密，可显著延长水汽和化学物质渗透路径，从而有效提升防渗性能和耐腐蚀性。该涂层尤其适用于浪花飞溅区、潮差区等高腐蚀区域。据研究表明，采用玻璃鳞片涂层可使腐蚀速率降低 50%以上，在恶劣海洋环境中表现出良好的长期稳定性和抗介质渗透能力。

2.2 电化学保护技术

电化学保护是一种基于电位控制原理的腐蚀抑制技术，主要包括牺牲阳极保护与外加电流阴极保护两类，广泛应用于船壳、水下结构及港口设施等。

2.2.1 牺牲阳极保护

牺牲阳极保护法通过连接电位更负的金属（如锌、铝或镁合金）与被保护金属形成原电池结构。当处于电解质环境（如海水）中时，阳极金属优先发生氧化反应，作为“ 牺牲阳极” 被腐蚀，从而保护主结构金属免受腐蚀损伤。该方法结构简单、无需外部电源，维护成本低，广泛应用于中小型结构、水下部件及局部防护领域。

2.2.2 外加电流阴极保护

外加电流阴极保护技术通过外接直流电源向金属结构施加阴极电流，使其电位降低至腐蚀电位以下，从而阻止腐蚀反应的发生。适用于面积大、电流需求高、或牺牲阳极难以提供足够保护的结构，如海上平台、大型油气储罐、水下管道等。

典型应用参数包括：

保护电流密度：0.02–0.1 A/m电源输出电压：5–10 V

控制电位范围： -0.8～-1.0 V（相对于 电极）

该技术需配备专用电源与控制系统，能够实现精准调节和远程监控，适合长期稳定运行的关键装备

2.3 表面工程技术

表面工程技术通过改变材料表面物理或化学特性，提高其耐腐蚀、耐磨性和抗疲劳性能，是重要的结构强化手段。常用技术包括热喷涂、激光表面处理和等离子表面改性等。

2.3.1 热喷涂技术

热喷涂是将涂层材料（如金属、合金、陶瓷）加热至熔融状态并高速喷射至基体表面，形成致密的保护层。常见材料包括锌、铝及其合金，以及 NiCr-Cr₃C₂、WC-Co 等陶瓷复合材料，涂层厚度通常为 100-500μm 。例如，利用HVOF（超音速火焰喷涂）技术制备的WC-10Co4Cr 涂层，可显著提升基体的自腐蚀电位至约 −0.3V，且在盐雾试验中展现出优异的耐蚀性能。

2.3.2 激光表面处理

激光表面处理技术利用高能激光束对材料表面进行改性，常见方式包括：

激光淬火：通过快速加热与自冷却形成淬硬层，适用于齿轮、轴承、活塞环等部件，淬硬深度为 1-3mm 。激光熔覆：在基体表面熔覆抗腐蚀合金材料（如 Ni 基或 Co 基合金），形成厚度为 0.5--2.0mm 的高性能耐蚀涂层[1]。

该技术具备热影响区小、变形小、涂层结合强度高等优点。

2.3.3 等离子表面处理

等离子表面处理技术包括离子注入、等离子渗氮、碳氮共渗等方式，适用于复杂几何结构的表面性能提升。其中，PLASOX 技术（等离子氮碳共渗 ）可在齿轮、销轴等部件表面形成厚度为 30–80 µm 的改性层，

大幅提升其耐腐蚀与耐磨寿命。

该类技术具有绿色环保、能耗低、适应性强等优势，在精密设备与高负荷部件中应用前景广阔。

2.4 防污技术

海洋附着生物（如藤壶、贝类、海藻等）会显著增加船体航行阻力与燃油消耗，故需采取有效防污措施。目前主要包括防污涂层与电磁干扰等方式。

2.4.1 毒性防污涂层

毒性防污涂层通过释放具有生物毒性的金属离子（如 Cu^2⋅) 干扰生物附着过程，常用成分为氧化亚铜，含量一般为 30%-50% ，涂层厚度为 50--150μ_m⨀ 。研究表明，在高生物密度海域，该类涂层可减少生物附着率约60% ，降低航行阻力 15%-20% ，燃油消耗减少 8%-10%₉ 。

2.4.2 无毒防污涂层

无毒防污涂层依靠低表面能与光滑结构抑制海洋生物附着，属绿色环保技术。常用材料包括含氟聚合物、有机硅树脂等，涂层厚度为 100-200μm ，摩擦系数低于 0.03^[2], 。

在航速 15–20 节条件下，研究显示其可减少 70% 左右的附着生物，提高燃油效率 10%-15%₉ 此外，其表面易清洁特性也显著降低维护成本与人力投入。

2.4.3 电磁防污技术

电磁防污技术通过低频电磁波（频率范围 20-50Hz ）干扰附着生物的感知系统，阻止其在结构表面固定。该技术通过安装电磁发射装置产生干扰场，一般作用范围可覆盖半径 5–10 米，适用于海水进水口、冷却系统管道等关键部位的非接触式防污控制。

3 防腐蚀技术的应用实践

3.1 船体结构的防腐蚀实践

海洋环境中，船体暴露在飞溅区、潮差区和全浸区等高腐蚀性区域，这些区域的腐蚀速率可达 0.5-2.0mm/ 年。防腐蚀实践主要依赖涂层技术与电化学保护技术的综合应用。一般，船体外板涂层采用多层体系，包括200-300 µm 的环氧富锌底漆、150-200 µm 的环氧中间漆以及 50-150 µm 的聚氨酯面漆。环氧富锌底漆提供牺牲阳极保护，中间漆增强涂层厚度和耐磨性能，面漆则提供防污功能和抗紫外线性能。在实际施工中，表面处理是关键步骤，要求将钢材表面清理至 Sa2.5 级（ISO 8501 标准），表面粗糙度控制在 50-100 µm 之间，以确保涂层的附着力和均匀性。

除了涂层技术，电化学保护技术也广泛应用于船体的防腐蚀实践。牺牲阳极保护一般布置在船底及吃水线附近区域，阳极材料以锌或铝合金为主，阳极的单位面积电流输出密度为 0.02⋅0.05A/m² 。

3.2 甲板和上层建筑的防腐蚀技术

甲板的防腐蚀实践以重防腐涂层体系为核心，常采用环氧底漆与聚氨酯面漆的组合。环氧底漆厚度一般为200-300 µm，提供优异的附着力和耐化学腐蚀性能，而聚氨酯面漆则以其耐候性和抗紫外线能力广泛应用，厚度一般为 50-100 µm。为了增加甲板表面的抗滑性能，可在涂层中加入 50-200μm 的石英砂颗粒。在施工过程中，甲板表面处理要求达到 ISO 8501 标准中的 Sa2.5 级，粗糙度控制在 50-75 µm，以确保涂层均匀性与附着力。完成涂装后需进行 24 小时固化，确保涂层的机械强度和耐磨性。对于上层建筑，防腐蚀技术的重点在于防止结构表面的氧化和腐蚀，同时保证表面光洁度和耐候性能。无毒无污染的无机硅酸盐涂层和耐候聚氨酯涂层广泛应用于船舶上层建筑外表面。涂层厚度一般控制在 200-250 µm，能够在高盐雾环境（ 5% NaCl 溶液中，1000 小时）中表现出良好的抗腐蚀性能 。

3.3 压载舱与内部结构的防腐设计

3.3.1 涂层防护体系

压载舱的防腐设计以重防腐涂层为核心，一般采用高固体分环氧涂料。该涂层具有优异的附着力、抗渗透性和耐化学腐蚀性能。涂层系统一般分为底漆、中间漆和面漆三层，厚度要求达到 300-400 μm 。环氧底漆厚度为 150-200 µm，用于封闭钢材表面；中间漆为 100⋅150μ_m ，增加防腐性能；面漆为 50-100μm ，增强耐磨性和表面抗盐雾性能。在施工中，表面处理要求严格，需达到 ISO 8501 标准的 Sa2.5 级，粗糙度控制在 50⋅75μm ，以确保涂层的附着力和持久性。

3.3.2 电化学保护技术

牺牲阳极保护是压载舱中常用的方案，一般使用锌或铝合金阳极，阳极块尺寸为 200× 100× 50mm ，单块保护面积约为 2-3 m²，布置间距为 1.5-3.0m ，能够有效延长涂层的防护寿命。对于大型压载舱或多舱结构，外加电流阴极保护是更高效的选择，通过电源调节保护电位至-0.8～-1.0 V（相对于银/氯化银电极），覆盖面积更大且保护效果更持久。

3.3.3 特殊区域的防腐设计

压载舱内部结构如横隔板、支撑梁和舱壁连接处，常因应力集中和缝隙环境导致缝隙腐蚀和点蚀。这些区域需要重点防护，一般增加局部涂层厚度至400-600 µm，同时加强阳极布置密度，或采用玻璃鳞片涂层以增强耐腐蚀性能。此外，压载舱中的排水管道和通风管道等部件，常使用防腐蚀不锈钢或复合材料制成，以降低腐蚀风险[4]。

3.4 海洋平台与海底结构的腐蚀防护

3.4.1 防腐涂层技术

海洋平台的关键区域（如桩腿、甲板）和海底结构（如管线、接头）一般采用多层涂层体系防护：

底漆：环氧富锌底漆厚度为 150-200 µm，提供阴极保护和基材屏蔽效果。

中间漆：玻璃鳞片涂层厚度为 300-500 µm，增强抗渗透性，特别适合飞溅区和潮差区。

面漆：聚氨酯或氟碳涂层厚度为 50-150μm ，提供优异的耐候性和抗紫外线性能。 整体涂层厚度可达 500-800µm。在施工过程中，需严格控制表面处理质量，表面粗糙度应达 Sa2.5 级（ISO 8501），并确保涂层的均匀性和附着力。

3.4.2 高性能材料的应用

海洋平台和海底结构的特殊部件（如接头、阀门、支撑梁）常选用耐腐蚀合金或复合材料：

钛合金：用于高腐蚀区域的管线接头，具有优异的抗点蚀和缝隙腐蚀性能。

双相不锈钢（2205/2507）：应用于潮差区的结构件，耐蚀性和机械强度显著优于

玻璃钢（FRP）：适用于海底电缆保护套管和浮式平台部件，抗腐蚀性能优异且重量轻。

4 结束语

总之，本文通过分析各类技术及其应用实践，明确了涂层技术、电化学保护技术、表面工程技术及防污技术在不同结构部位的适用性与成效。尽管现有技术已取得显著进展，但在提高环保性、延长防护寿命以及降低成本方面仍有优化空间。

参考文献

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[2]罗一旻,杨军华,李霞,等.热带海洋盐雾气氛自润滑耐磨防腐涂层技术研究新进展[J].摩擦学学报,2023,43(1):104-120.

[3] 周金堂, 何燕茹, 陶佳麒, 等. 海洋苛刻环境服役的 CIPs/EP 吸波防腐功能材料[J]. 表面技术,2022,51(5):304-311.

[4]何晓宇,夏宏杰,徐小梅,等.海洋大气环境下桥梁钢构件连接螺栓防腐技术研究[J].装备环境工程,2023,20(1):76-82.

[5]贾子涛,惠飞,张轶楠,等.双重阴极保护提高海洋钢构防腐性能的研究[J].当代化工,2022,51(10):2288-2291.

作者简介：张弛（1997—），男，汉族，安徽省蚌埠市，助理工程师，硕士研究生，主要研究方向：船舶与海洋结构物设计制造。