美軍航母腐蝕防控技術(shù)研制與應(yīng)用進(jìn)展

何 磊，趙 滿，喬貝貝

(1. 海軍駐上海滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司軍事代表室，上海 200129；2. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七一四研究所，北京 100101)

美軍航母腐蝕防控技術(shù)研制與應(yīng)用進(jìn)展

何 磊1，趙 滿2，喬貝貝2

(1. 海軍駐上海滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司軍事代表室，上海 200129；2. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七一四研究所，北京 100101)

航母因其龐大的體積、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和眾多的系統(tǒng)設(shè)備，成為艦船裝備腐蝕防控的重點(diǎn)對象。美國是世界上保有航母數(shù)量最多的國家，在航母腐蝕防控方面經(jīng)驗(yàn)豐富，開發(fā)并應(yīng)用多項(xiàng)技術(shù)預(yù)防并減輕航母的腐蝕問題。本文主要圍繞耐腐蝕材料技術(shù)、防腐蝕涂層技術(shù)、電化學(xué)防腐蝕技術(shù)和腐蝕防控管理技術(shù)4個(gè)方面介紹了美軍航母腐蝕防控技術(shù)的研制與應(yīng)用進(jìn)展。

腐蝕防控技術(shù)；防腐蝕；航母

0 引 言

航母作為大型水面艦船，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、艙室眾多、系統(tǒng)設(shè)備多樣，給腐蝕防控工作帶來諸多挑戰(zhàn)。如美國的“尼米茲”級航母排水量約10萬噸，航母上存在大量需要防腐的表面和空間，包括170多個(gè)內(nèi)底艙室、400多個(gè)甲板艙室和邊艙、220多個(gè)通風(fēng)室、30多個(gè)機(jī)械艙室和尾軸隧底艙，此外還有超過4.6萬平方米的干舷區(qū)域和約1.5萬平方米的水下船體區(qū)域。部分艙室如內(nèi)底/雙層底艙室只能在干船塢內(nèi)進(jìn)行防腐蝕維護(hù)。另外，航母上一些特殊區(qū)域面臨嚴(yán)苛的腐蝕環(huán)境，如飛行甲板是航母上艦載機(jī)起降作業(yè)的區(qū)域，除了面臨鹽霧腐蝕環(huán)境，還要經(jīng)受艦載機(jī)起降時(shí)的沖擊。

美國是世界上保有航母數(shù)量最多的國家。2008年美國國防部維修會(huì)議發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，2004財(cái)年美軍有12艘航母在役，平均每艘航母基地級維修的費(fèi)用約為7 200萬美元，其中與腐蝕相關(guān)的費(fèi)用約為1 250萬美元，占總維修費(fèi)用比例高達(dá)17.3%。

美國海軍采取多種腐蝕防控技術(shù)和相關(guān)措施以有效減低腐蝕對航母造成的不利影響，包括在一些部位選用耐腐蝕材料、開發(fā)新型防腐蝕涂層、利用電化學(xué)防腐技術(shù)、應(yīng)用全艦腐蝕防控信息管理系統(tǒng)等。

1 耐腐蝕材料技術(shù)

與結(jié)構(gòu)鋼等金屬材料相比，高分子基復(fù)合材料具有天然的耐腐蝕性能，而且不需要涂裝，可節(jié)約維護(hù)所耗費(fèi)的人力和費(fèi)用。近年來，美國海軍在航母的綜合桅桿、步橋、飛機(jī)升降機(jī)甲板欄桿、電箱等許多部位采用復(fù)合材料，達(dá)到減重目的的同時(shí)，提高了這些結(jié)構(gòu)和部位的耐腐蝕能力。

1）“布什”號航母的綜合桅桿

2003年，美國諾斯羅普·格魯曼公司計(jì)劃在“布什”號航母（CVN 77）上采用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料替代金屬材料制造桅桿?！安际病碧柡侥干嫌?個(gè)桅桿，格魯曼公司選擇了其中較大的前置桅桿，采用復(fù)合材料制造桅桿的上半部分。該復(fù)合材料桅桿高約10.1 m、寬18.6 m、長10.1 m，2006年成功安裝在“布什”號航母上，如圖1所示。建造該桅桿共使用了27.4 t復(fù)合材料。

2）飛機(jī)升降機(jī)欄桿

美國航母上舷側(cè)飛機(jī)升降機(jī)的飛行甲板欄桿最初采用不銹鋼材料，但其容易被甲板上的車輛碰壞，并且存在異種金屬腐蝕問題。美國KaZak公司研制了聚氨酯類復(fù)合材料欄桿替換原來的不銹鋼欄桿。應(yīng)用該復(fù)合材料欄桿后，減少了腐蝕及其帶來的維護(hù)問題，欄桿的壽命由原來的3年（不銹鋼欄桿）提高到5年，且20年全壽期費(fèi)用僅為不銹鋼欄桿的10%。圖2和圖3分別為“尼米茲”號航母（CVN 68）和“杜魯門”號航母（CVN 75）舷側(cè)飛機(jī)升降機(jī)上的復(fù)合材料欄桿。

3）電箱

2001年前，美軍航母上的電器設(shè)備、指示燈、連接器等一直使用金屬材質(zhì)的電箱，這些電箱的腐蝕及其維護(hù)曾被認(rèn)為是航母維護(hù)的棘手問題。圖4是美軍艦船上已遭腐蝕的金屬材料電箱。

從2001年開始美國海軍開始采用耐腐蝕性更好的復(fù)合材料電箱替代原來的金屬材料電箱。復(fù)合材料電箱本身不需要進(jìn)行涂裝，可以大大節(jié)省維護(hù)金屬電箱所需的人力物力。盡管復(fù)合材料電箱的造價(jià)比金屬電箱高，但考慮到維修、涂裝、更換金屬電箱的花費(fèi)，應(yīng)用復(fù)合材料電箱的航母在30年間預(yù)計(jì)可節(jié)約300萬美元。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，美軍已經(jīng)在“艾森豪威爾”號（CVN 69）、“羅斯?！碧枺–VN 71）、“華盛頓”號（CVN 73）航母上試用或安裝了復(fù)合材料電箱。圖5顯示了金屬電箱與復(fù)合材料電箱在設(shè)計(jì)方面的不同。圖6為獲得美國海軍海上系統(tǒng)司令部認(rèn)證的部分復(fù)合材料電箱。

4）步橋

美國海軍嘗試將復(fù)合材料應(yīng)用到航母的步橋，如圖7所示。將航母的步橋更換為復(fù)合材料后，不僅可減重45%，還大大減少了腐蝕維護(hù)工作量。

2 防腐蝕涂層技術(shù)

以高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼、銅鎳合金等為代表的金屬材料是航母船體結(jié)構(gòu)、管路、閥門等結(jié)構(gòu)和部件的主要材料，而涂層防腐技術(shù)是目前金屬材料腐蝕防護(hù)的最重要手段，因此防腐蝕涂層技術(shù)在航母的腐蝕防護(hù)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

美國海軍對航母各重要部位使用的涂層都有嚴(yán)格的技術(shù)要求，對不同部位應(yīng)用的表面處理工藝、涂層系統(tǒng)（底漆和面漆）、涂敷工藝有不同的要求，其中會(huì)引用到各種軍用和民用規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)。例如，《海軍艦船技術(shù)手冊》第631章詳細(xì)規(guī)定了航母各個(gè)部位表面處理和涂裝要求。

除了對現(xiàn)用涂層的涂裝工藝進(jìn)行嚴(yán)格要求和質(zhì)量把控外，美軍還非常重視防腐蝕涂層的技術(shù)更新，不斷研發(fā)航母新型涂層材料。航母飛行甲板防滑涂層不但具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，還要同時(shí)具備保護(hù)基底甲板、防滑、耐磨耐沖擊等多種功能，在所有航母涂層材料中技術(shù)含量最高。近年來，美軍研制了非晶態(tài)金屬涂層、高耐久性涂層、單層快干涂層等新型防滑涂層材料，并已在航母、兩棲艦等艦船上試用。

1）非晶態(tài)金屬涂層

美國國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）牽頭開展了海軍先進(jìn)非晶涂層（NAAC）項(xiàng)目。2008年3月，DARPA稱已研制出一種非晶態(tài)金屬基防滑涂料，具有優(yōu)異的耐磨和防腐蝕性能。同時(shí)，研究人員開發(fā)出一種熱噴涂技術(shù)，可制備出帶有起伏紋理的非晶態(tài)金屬涂層，其摩擦系數(shù)高，耐磨損、抗沖擊、耐腐蝕性好，表現(xiàn)性能優(yōu)于現(xiàn)有的高分子基防滑涂層。非晶態(tài)金屬基防滑涂層的優(yōu)勢之一在于其無須頻繁更換，DARPA的目標(biāo)是將其使用壽命延長到整個(gè)艦艇的服役期。2009年，該項(xiàng)目開發(fā)的非晶態(tài)金屬涂層已經(jīng)在幾艘試驗(yàn)艦上開展了測試（見圖8），其中包括航母的飛行甲板。

2）高耐久性涂層

航母甲板目前廣泛使用的環(huán)氧樹脂基防滑涂層的平均使用壽命只有不超過18個(gè)月，這些傳統(tǒng)涂層雖然初期耐腐蝕性較好，但一旦暴露在惡劣海況下，性能就會(huì)迅速下降，且由于其干燥慢和壽命短，使用起來十分不便，需要經(jīng)常修補(bǔ)和更換。

在美國海軍研究局和海軍海上系統(tǒng)司令部聯(lián)合資助下，海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）開發(fā)出一種新型高耐久性防滑涂層。該涂層的使用壽命長達(dá)60個(gè)月，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有涂層。在惡劣環(huán)境下更加耐用，摩擦力更大。在光照條件下不易粉化、褪色和開裂（見圖9）。施工更方便，可以輥涂或噴涂在底漆表面或直接涂覆于裸露金屬表面。固化時(shí)間只有24 h，施工周期變短。與傳統(tǒng)的環(huán)氧基涂層相比，新涂層的耐腐蝕性更強(qiáng)、色澤更加穩(wěn)定，同時(shí)造價(jià)更低，而且使用壽命的延長將顯著降低涂層的使用成本。

3）單層快干涂層

美國現(xiàn)用軍標(biāo)中規(guī)定的防滑涂層為多層涂料，分為底漆和防滑面漆。這種多層的涂料需要底漆干透后才能覆涂面漆，覆涂施工工時(shí)較長，而且用量較大。為此，美國魯拉公司（Luna Innovations，Inc）研發(fā)了單層快干涂層。

與傳統(tǒng)的防滑涂層相比，魯拉公司的單層快干涂層有兩大優(yōu)勢：一是施工時(shí)間短，由底漆和防滑面漆構(gòu)成的傳統(tǒng)雙層防滑涂層，施工時(shí)間在24 h以上，甚至長達(dá)72 h，但魯拉公司的單層快干涂層能夠在12 h內(nèi)完全干燥固化。二是減重，以美國滿載排水量10萬噸級的“尼米茲”級航母為例，飛行甲板和機(jī)庫甲板防滑涂層底漆的重量為5.4 t，應(yīng)用魯拉公司的單層快干涂層，可減少這部分重量，有利于降低航母重心，提高穩(wěn)性。

3 電化學(xué)防腐蝕技術(shù)

電化學(xué)保護(hù)是另一項(xiàng)重要的腐蝕防護(hù)技術(shù)，分為陰極保護(hù)和陽極保護(hù)。陰極保護(hù)方法較為簡便，且效果良好，是軍用艦船主要使用的電化學(xué)防腐技術(shù)。陰極保護(hù)又分為犧牲陽極的陰極保護(hù)法和外加電流陰極保護(hù)法（ICCP）。美軍現(xiàn)役航母均采用了外加電流陰極保護(hù)的電化學(xué)防腐技術(shù)。

美國海軍的外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)能自動(dòng)控制外加電流，從而使船體電位達(dá)到相對于該系統(tǒng)Ag/AgCl海水參比電極的設(shè)定電位，基本的外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)如圖10所示。外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)包括電源、控制器、陽極、參比電極、填料管、軸接地裝置、舵接地裝置（包括減搖裝置）、絕緣屏等。

2006年，美國海軍水面戰(zhàn)中心卡迪洛克分部對當(dāng)時(shí)美軍在役和在建的13艘航母的外加電流保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場評估，確認(rèn)了各艘航母真實(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)、陽極和參比電極的布置、電源和控制器之間的連接狀態(tài)等。

表1顯示了當(dāng)時(shí)13艘航母的ICCP系統(tǒng)狀態(tài)，除當(dāng)時(shí)最新的3艘“尼米茲”級航母（CVN 75，CVN 76，CVN 77）的ICCP系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制器外，其余航母的ICCP系統(tǒng)均使用模擬控制器。

4 腐蝕防控管理技術(shù)

腐蝕防控信息管理系統(tǒng)（CCIMS）是一個(gè)綜合管理航母等艦艇全壽期腐蝕評估、監(jiān)檢測、防護(hù)和控制的信息管理系統(tǒng)。通過建立腐蝕防控信息數(shù)據(jù)庫，該系統(tǒng)可統(tǒng)籌管理各艘航母的腐蝕情況信息，海軍管理部門和部隊(duì)可通過此系統(tǒng)上傳、查看艦艇的腐蝕評估報(bào)告，分析并制定標(biāo)準(zhǔn)化的腐蝕防護(hù)及維修任務(wù)，并針對艦艇上不同系統(tǒng)設(shè)備的具體腐蝕狀況，制定詳細(xì)的全壽期腐蝕檢驗(yàn)、控制和維修計(jì)劃。

2006年，美軍艦艇腐蝕防控信息管理系統(tǒng)基本開發(fā)完成，主要針對航母等艦艇的艙室/空艙涂層的腐蝕信息進(jìn)行管理，不僅可以管理各艙室和空艙的腐蝕狀況，也用來監(jiān)控通海閥門、舵、傳動(dòng)裝置、通風(fēng)室和艦載機(jī)彈射與回收系統(tǒng)的腐蝕狀況。

美軍航母上應(yīng)用的腐蝕防控信息管理系統(tǒng)的主要功能有：

1）將上傳的涂層腐蝕信息標(biāo)準(zhǔn)化，定義腐蝕程度等級，定義部件腐蝕失效條件等。表2所列為美軍腐蝕防控信息管理系統(tǒng)定義的涂層腐蝕等級。

表 1 2006年美軍在役和在建航母ICCP系統(tǒng)狀態(tài)Tab. 1 ICCP system status of U.S. navy in-service and constructing aircraft carriers in 2006

表 2 美軍CCIMS定義的涂層腐蝕等級Tab. 2 Coating corrosion levels defined by CCIMS in U.S. navy

2）上傳并管理航母各艙室和重點(diǎn)設(shè)備的腐蝕檢測報(bào)告，形成長期跟蹤、動(dòng)態(tài)更新的航母腐蝕信息數(shù)據(jù)庫。航母各系統(tǒng)設(shè)備的腐蝕檢測報(bào)告里要記錄以下信息：檢測艦艇的名稱、類型，檢測系統(tǒng)設(shè)備的類型、編號、區(qū)域等基本信息；檢測人員、檢測日期、檢測原因等；檢測系統(tǒng)設(shè)備的涂層類型和涂裝方法；檢測系統(tǒng)設(shè)備的陰極腐蝕保護(hù)情況；檢測系統(tǒng)設(shè)備各區(qū)域的腐蝕狀況照片和涂層腐蝕等級；檢測系統(tǒng)設(shè)備的管道及其他區(qū)域的腐蝕狀況；檢測系統(tǒng)設(shè)備工作是否正常等。

3）基于數(shù)據(jù)庫信息實(shí)時(shí)查看并管理航母各部位腐蝕狀況。美軍航母腐蝕管理人員可查看該數(shù)據(jù)庫中任一次腐蝕監(jiān)檢測報(bào)告，并可直觀了解航母整體腐蝕狀況，如圖11所示。另外，通過建立的數(shù)據(jù)庫信息可查詢?nèi)我庖粋€(gè)監(jiān)檢測系統(tǒng)設(shè)備的腐蝕情況，包括該系統(tǒng)設(shè)備的腐蝕程度發(fā)展趨勢、腐蝕防控成效等。

4）查看、制定并實(shí)時(shí)更新腐蝕防控計(jì)劃。美軍航母腐蝕管理人員可根據(jù)各艙室和重點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)備的腐蝕信息，制定詳細(xì)的腐蝕防控計(jì)劃，并通過系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)分配給相應(yīng)負(fù)責(zé)人實(shí)施。另外，該系統(tǒng)可根據(jù)定義的腐蝕環(huán)境等信息，預(yù)測系統(tǒng)設(shè)備的腐蝕程度，具備自動(dòng)評估、自動(dòng)安排計(jì)劃的功能。該系統(tǒng)還可將成本與預(yù)算一并考慮，制定并推薦最優(yōu)的腐蝕防控計(jì)劃。

5）共享腐蝕防控信息，共享腐蝕失效案例。各艘航母的腐蝕管理人員除了能夠查看各自航母的腐蝕狀況外，還可共享其他艦艇的腐蝕防控報(bào)告和成果，實(shí)現(xiàn)信息共享。

5 結(jié) 語

本文從耐腐蝕材料技術(shù)、防腐蝕涂層技術(shù)、電化學(xué)防腐蝕技術(shù)、以及腐蝕防控管理技術(shù)4個(gè)方面介紹了美軍航母腐蝕防控技術(shù)的研制與應(yīng)用進(jìn)展。

[1]WIGLE J. Commander Naval Air Forces, MEGA RUST: 2010.

[2]NEEDHAM W. The cost of corrosion for US Navy ships, NSRP Meeting: Jun 2011.

[3]SCOTT B, BRIAN J. Composite Ship Structures, ASNE: Feb, 2013.

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[5]NAVSEA Standard Item 009-32, Nov, 2013.

[6]MARTIN J, LEMIEUX E, IEZZI E B, et al. High-durability organosiloxane nonskid coatings[M]. NRL REVIEW, 2011.

[7]Corrosion Control Information Management System, AMSEC,參考文獻(xiàn)：2006.

Progress in development and application of aircraft carrier corrosion prevention and control technology in U.S. Navy

HE Lei1, ZHAO Man2, QIAO Bei-bei2
(1. Navy Representatives Office of Hudong-Zhonghua Shipbuilding Co., Ltd., Shanghai 200129, China; 2. The 714 Research Institute of CSIC, Beijing 100101, China)

Due to the feature of huge volume, complex structure and in possession of numerous systems and equipment, aircraft carriers have become the key targets of corrosion prevention and control of naval ships. The U.S. has the largest number of aircraft carriers in the world, and has extensive experience in aircraft carrier corrosion prevention and control. It has developed and applied a number of technologies to prevent and mitigate corrosion problems of aircraft carriers. In this paper, the development and application of corrosion prevention and control technology for aircraft carrier in U.S. are introduced in four aspects: corrosion resistant material technology, anti-corrosion coating technology, electronchemical corrosion protection technology and corrosion prevention and control management technology.

corrosion prevention and control technology；anti-corrosion；aircraft carrier

TG174

A

1672 – 7649(2017)08 – 0189 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.040

2017 – 04 – 09

何磊(1982 – )，男，本科，從事船舶結(jié)構(gòu)材料研究。