冰區(qū)航行船舶涂料的研究

葉維維，孟林龍，蘇雅麗，李至秦，趙建南，葉章基

（廈門雙瑞船舶涂料有限公司，福建廈門 361000）

0 引言

隨著全球氣候變暖，北冰洋冰層融化速度加劇，北冰洋航線的戰(zhàn)略地位日益凸顯，開辟新的北極航道成為可能。新的航線不僅將減少許多國家對常規(guī)航線的依賴，而且還將大大縮短航運時間，降低航運成本，運輸量也將增大。據(jù)初步估計，截至2030年，1/4的亞歐貿(mào)易將通過北冰洋航線運輸。此外，北極地區(qū)擁有豐富的石油、天然氣和礦產(chǎn)資源，全球資源競爭激烈，海上船只和鉆井平臺的活動也更加頻繁，船東、天然氣供應商和造船商正在積極協(xié)商建造和購買能夠在結(jié)冰的海上航行的液化天然氣運輸船（LNG運輸船）［1］。

然而，蓬勃發(fā)展的航運業(yè)和石油天然氣業(yè)會受到寒流等極端天氣條件的影響，尤其是在氣候終年寒冷、濕度極大的北極地區(qū)，與常規(guī)貨船相比，冰區(qū)行駛的船舶所受到的損壞更加嚴重［2］。其原因主要有兩點：其一，低溫結(jié)冰會導致船體增重，且船體上層建筑覆冰會提高船舶的重心，從而導致干舷和浮力降低，降低船舶的穩(wěn)定性。當船內(nèi)部位（如壓載艙風管）結(jié)冰后，冰塊下落會對相關結(jié)構和附件造成損壞［3］；其二，在冰區(qū)航行的船舶會遇到較嚴重的刮擦和冰塊的撞擊，從而造成船體的損壞。

防護材料和涂層在提高船舶和海洋設備的可靠性、安全性和功能效率方面具有廣闊的應用前景。為了保護破冰船和冰類船只的外殼免受腐蝕和磨損，通常要求涂層具有長期的抗磨損和抗沖擊性。這種涂層通常被船級社認證為抗冰涂料，可有效降低船舶結(jié)構所需厚度和質(zhì)量，減少建造成本，提高船舶的行駛效率［4］。

1 冰區(qū)行駛船舶與冰的作用及冰等級劃分

1.1 冰區(qū)行駛船舶與冰的相互作用

在冰區(qū)運行的船舶遭遇的冰荷載取決于船-冰相互作用，其一般與船體幾何形狀、冰的特性和參數(shù)有關。船體與冰的相互作用于主要發(fā)生在船的艏柱、艏部、肩部、舯部、舭部。

在冰區(qū)行駛的船舶主要會與層冰、浮冰、冰脊產(chǎn)生力學作用：1）船體與層冰的力學作用。極地船舶破冰前進時，船舶首部駛?cè)肷蠈颖髸Ρ鶎赢a(chǎn)生向下的壓力壓斷層冰，船體舷側(cè)及其他曲率較小結(jié)構和層冰互相擠壓，產(chǎn)生局部載荷，阻止船舶的運動；2）船體與浮冰的力學作用。船舶航行區(qū)域的海冰不連續(xù)，當浮冰在海流的作用下發(fā)生運動時，船體與海冰可能會產(chǎn)生碰撞作用力；3）船體與冰脊的力學作用。海冰受到風浪流的聯(lián)合作用后，層冰表面會形成冰脊，產(chǎn)生摩擦阻力。此外，當堅硬的冰層在海面上浮動時，其與船體有一定的相對速度，會對行駛中的船體產(chǎn)生擠壓作用［5］。

在冰區(qū)行駛的船舶會受到冰的作用，不同形式的冰對船舶的阻力也不同。冰的阻力很大程度上取決于5個方面：1）孔隙率。對于粗糙冰來說，孔隙率為水或空氣的體積與粗糙冰樣品的總體積之比。浮冰孔隙率影響浮冰浮力，進而影響船體平行側(cè)摩擦阻力和船首阻力的摩擦分量。同時，孔隙率也會影響浮冰的相互作用，從而影響船首阻力的位移和下沉分量；2）碎片形狀及內(nèi)聚力。碎片形狀會影響碎片間的相互作用，內(nèi)聚力會使碎冰片聚集在一起形成大的冰塊，產(chǎn)生相互作用；3）休止角。休止角描述了材料在不坍塌的情況下能夠保持的坡度，其可以形容一個體積的某種材料的最大垂直高度。水下的休止角增加了船的阻力，使船側(cè)的浮冰堆積，影響船舶阻力的摩擦分量；4）可壓縮性。其評價了從一個粗糙的冰樣品中去除一定的空隙體積所需的外部載荷?？蓧嚎s性會對浮冰堆積產(chǎn)生影響，包括浮冰在船側(cè)的堆積產(chǎn)生摩擦阻力及浮冰下沉和位移引起的船首阻力；5）內(nèi)摩擦角效應。內(nèi)摩擦角通過碎冰片相互作用來影響冰的堆積。

1.2 冰等級劃分

為了保證船舶在冰區(qū)具有足夠的作業(yè)能力，世界各地對冰區(qū)的船舶有各種不同的冰等級要求，如芬蘭-瑞典冰等級規(guī)則（簡稱“FSICR”）、國際船級社協(xié)會（簡稱“IACS”）極地冰等級規(guī)范及各船級社規(guī)范等。

FSICR于19世紀30年代制定，其制定的目的是確保波羅的海冬季船舶的安全運行，該標準劃分為IA super、IA、IB、IC及Ⅱ五個等級。IA Super級別：要求該級別的船舶可以在布滿浮冰（浮冰的最大厚度為1 m，碎冰厚度不小于0.1）的海上以不少于5個節(jié)點的速度航行；IA級別：要求該級別的船舶能在布滿浮冰（浮冰最大厚度為1 m，沒有致密的冰）的海上以不少于5節(jié)的速度前行；IB級別：要求該級別的船舶能在布滿浮冰（浮冰的最大厚度為0.8 m，沒有致密的冰）的海上以不少于5個節(jié)點的速度航行；IC級別：要求該級別的船舶能在布滿浮冰（浮冰的最大厚度為0.6 m，沒有致密的冰）的海上以不低于5個節(jié)點的速度行駛；Ⅱ級別：船舶可以在幾乎沒有浮冰的海域靠自身的推進器前進。

國際船級社協(xié)會于2006年發(fā)布了《極地船級統(tǒng)一要求》的文件，將其作為國際海事組織（IMO）《北極海冰水域船舶作業(yè)指南》的補充。國際船級社對破冰能力劃分為PC1至PC7級，PC1級破冰能力最強，PC7級最弱。不同的冰級所對應的航行時間也不相同，其中PC1～PC5級可以全年航行，PC6級和PC7級只能在夏季和秋季進行航行［6］。

中國船級社（CCS）在《鋼制海船入級與建造規(guī)范》（1989版）中將冰區(qū)航行船舶劃分為五種并延續(xù)至今，它們分別為Ice Class B1*、Ice Class B1、Ice Class B2、Ice Class B3、Ice Class B，其中Ice Class B1*無需破冰船輔助即可在嚴重冰況區(qū)域航行；Ice Class B1也可在嚴重冰況區(qū)域航行，必要時，需要破冰船輔助；Ice Class B2在中等冰況下具有正常航行的能力，但在需要時應有破冰船的輔助；Ice Class B3在輕度冰況下具有正常航行的能力，但在需要時應有破冰船輔助；Ice Class B在小塊漂流浮冰況區(qū)域航行［7］。

美國船級社（ABS）根據(jù)船舶類型（破冰船、非破冰船）、所服務航區(qū)、進入時限、是否需要更高等級破冰船輔助作業(yè)等情況，將冰區(qū)劃分為A5、A4、A3、A2、A1、A0、B0、C0、D0九個等級，其中A5類是所有等級中最高的，D0是最低的［8］。

挪威船級社（DNV GL）對名義海冰強度、名義層冰厚度、最小設計沖撞破冰速度做出了不同規(guī)定［9］，將冰級劃分為IC、IB、ICE-5、ICE10、1A和POLAR15、POLAR20和POLAR30［10］，其適用于將在北極地區(qū)冰雪覆蓋的水域獨立作業(yè)的破冰船、客船和貨船。

俄羅斯船級社（RMRS）將用于在寒冷的非北極海域航行的船舶分為ICE1、ICE2、ICE3三個級別，將在北極海域航行的船舶分為ARC4、ARC5、ARC6、ARC7、ARC8、ARC9六個級別。表1為各團體關于冰級的劃分。

表1 不同團體關于冰級的劃分［6］Table 1 Classification of ice classes by different organizations

2 冰區(qū)航行船舶涂料

2.1 冰區(qū)航行船舶涂料要求

不同的團體對于冰區(qū)船舶的涂料有不同要求。IACS規(guī)定冰區(qū)航行船體鋼腐蝕量應設定為2 mm，若涂覆公認的耐磨涂層，可考慮將腐蝕量減少1 mm。冰區(qū)航行船舶涂料的認證通常需要經(jīng)過現(xiàn)場和實驗室測試。實驗參考測試有耐磨性（Taber磨砂機測試，ASTM D 4060—2019，160 mg/1 000 g，CS17砂輪）、耐沖擊性、黏附強度、延展性（柔韌性）、循環(huán)腐蝕試驗或鹽霧試驗、浸泡試驗、陰極剝離試驗等。測試結(jié)果應與已被船級社認可的產(chǎn)品進行比較［11］。由于涂層的實際性能在實驗室中無法精準評估，因此除了實驗室測試之外，制造商還應提交干塢報告，說明已采用該涂層并在冰區(qū)環(huán)境下服役的船舶性能狀況。勞氏船級社要求用于不同冰級或極地船級的低摩擦耐磨表面涂層須符合的要求：對于以PC劃分冰級的，建議對極地船舶的所有殼板外表面進行有效的防腐和磨損防護，不同區(qū)域的磨損量有不同計算方法，具體見表2；對于冰等級為1AS、1A、1B、1C和1D級別的，船舶涂層要求應遵守IACS規(guī)則；對于冰等級為1E級別的，船舶涂層磨損和腐蝕增量通常為2 mm，若采用冰磨損的耐磨涂層，磨損量應減小1 mm；對于冰等級為1AS、1A、1B和1C級別的，主冰帶上涂覆認證的耐磨涂層，應在使用期間保持良好狀態(tài)，磨損厚度應減少1 mm［12］。此外，建議在冰區(qū)船舶中使用高附著力、耐剝落、低摩擦特性的耐磨涂料。在實船實驗前，勞氏船級社要求樣品應預先進行實驗室測試，相關測試項目見表3［13］。同時，俄羅斯船級社也對實驗室測試有具體要求，詳見表4［14］。

表2 勞氏船級社對于冰區(qū)船舶不同部位殼板涂層有效防護的要求Table 2 Lloyd’s Register of Shipping’s requirements for effective protection of shell coatings on different parts of ships in ice zones

表3 勞氏船級社實驗室測試項目Table 3 The laboratory testing programs of Lloyd’s Register of Shipping

表4 RMRS對于冰區(qū)船舶涂料的評價標準Table 4 Evaluation criteria of marine coatings in ice zones from RMRS

值得一提的是，中國船級社（CCS）于2016年3月發(fā)布了《極地船舶指南》（以下簡稱“指南”），旨在為《極地規(guī)則》在中國的實施提供技術指導?！吨改稀访鞔_指出極地船舶的船體結(jié)構和部件必須能夠抵御極地水域的高緯度、惡劣天氣、極地白天/夜晚等環(huán)境風險［15］，并將極地船舶分為A類和B類。A類極地船舶通常設計用于長期在極地水域最寒冷的冬季，船體結(jié)構材料服務溫度一般為-40 ℃及以下；B類極地船舶通常設計用于季節(jié)性在極地水域連續(xù)冬季月份操作，船體結(jié)構材料的極地服務溫度一般為-15～-30 ℃。對于A類和B類極地船舶而言，處于冰帶區(qū)域的船體外板建議使用具有高附著力、耐剝落和低摩擦特性的耐磨涂層，如聚氨酯涂層和環(huán)氧涂層。雖然處于冰帶區(qū)域的不銹鋼船體外板可不使用涂層，但是為防止發(fā)生電化學腐蝕，應考慮附加陽極或外加電流保護。在低溫環(huán)境下，船舶與露天區(qū)域直接相鄰的外表面或內(nèi)表面可應用低溫涂層。低溫涂層應能在低溫下保持原有性能，防止涂層在低溫下與保護表面脫落。如船舶預計長期在嚴重結(jié)冰的氣候下服役，為減少惡劣環(huán)境對船體結(jié)構和設備的影響，船舶暴露表面，如甲板、甲板室和上層建筑兩端和側(cè)壁、欄桿、舷墻和甲板機械等可使用能夠防冰雪附著的涂層，具有破冰能力的極地船舶可考慮使用低摩擦涂層［16］。

2.2 幾種冰區(qū)航行涂料

冰區(qū)航行船舶涂層一般要求具有耐磨性及低摩擦因數(shù)，可減少所需的船體厚度和減少船舶的結(jié)構質(zhì)量以降低船體在冰上的摩擦阻力和燃料消耗，增加船舶和動力裝置的使用壽命。70年代中后期，歐美開展了一系列冰區(qū)船舶涂料的研究。到了80年代，冰區(qū)船舶涂料在技術上已經(jīng)有了突破，具有雙組分、高固體分、無溶劑等特點。根據(jù)勞氏船級社的資料，于1982年建造的破冰船“Robert Lemeur”已使用了低表面摩擦的冰區(qū)環(huán)氧涂料，減少了冰區(qū)和船體之間的摩擦力，進而減少能耗。進入21世紀之后，隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，極地航運需求的大幅增長，世界主要涂料廠商也相繼紛紛開發(fā)出了冰區(qū)專用耐磨、低表面摩擦因數(shù)的船體涂料。世界主要船級社也對專用的冰區(qū)涂料產(chǎn)品開始了專業(yè)認證，使其有在冰區(qū)船舶上應用的資格，具體廠家涂料及性能如下［17-18］。

20世紀70年代，芬蘭開發(fā)的Inerta 160環(huán)氧樹脂船體涂層除了可以大幅度降低了船體和冰間的摩擦力，還可防止船體發(fā)生腐蝕。現(xiàn)有產(chǎn)品Intershield 163 Inerta 160耐磨環(huán)氧漆是一種高固含低VOC（揮發(fā)性有機化學物）雙組分環(huán)氧耐磨產(chǎn)品，可在-50 ℃環(huán)境下使用，產(chǎn)品已同時具有LR（英國勞氏船級社）和BV（法國船級社）的冰級證書，目前已成功應用于俄羅斯北部的亞馬爾液化天然氣項目。

來自Jotun（佐敦）公司的Marathon IQ 2為無溶劑雙組分聚胺固化的環(huán)氧涂料，它具有優(yōu)良的平滑性、韌性、冰摩擦性和冰滑性能，能降低摩擦力和粗糙度。其極低的動力學摩擦因數(shù)可使水動力效率提高約4.5 %，且具有良好的彎曲強度、基材附著力、度耐磨和抗沖擊性。動力學摩擦因數(shù)0.021，激光輪廓粗糙度2.97 μm，船塢外粗糙度50 μm，淡水中摩擦因數(shù)0.012，鹽水中摩擦因數(shù)0.014，F(xiàn)GX冰中摩擦因數(shù)0.021，耐沖擊強度＞ 10 J。目前該產(chǎn)品已獲得DNV（挪威船級社）、LR（英國勞氏船級社）、RMRS（俄羅斯船級社）的認證。

來自Hempel（海虹老人）公司的Hempadur Multi-Strength 45751、Hempadur Multi-Strength 45753和Hempadur Multi-Strength GF 35870三種冰區(qū)耐磨涂層產(chǎn)品已獲認證，它們表面光滑，能使船舶保持低油耗。其中，Hempadur Multi-Strength 45751，Hempadur Multi-Strength 45753為環(huán)氧聚酰胺涂料，而 Hempadur Multi-Strength GF 35870為玻璃鱗片增強環(huán)氧漆。

來自PPG公司的SIGMASHIELDTM460，SIGMASHIELDTM1200兩種冰區(qū)船舶涂料產(chǎn)品可根據(jù)冰級進行選擇。兩種涂層具有耐磨、機械抗污性能（易于清潔的），且均已通過LR船級社認證。其中，SIGMASHIELDTM460為高固體分玻璃鱗片增強環(huán)氧涂料，SIGMASHIELDTM1200為無溶劑酚醛環(huán)氧漆。SIGMASHIELDTM1200涂層采用硬填料，具有優(yōu)異的抗磨損性能，并采用高度交聯(lián)的酚醛環(huán)氧技術，可增加抗蠕變性，進一步延長涂層的使用壽命。該產(chǎn)品的性能得到獨立測試機構（Aker Arctic Technology）的認可，涂層非常光滑，摩擦因數(shù)低于市場同類產(chǎn)品，其在海水冰中摩擦因數(shù)為0.007，淡水冰中摩擦因數(shù)為0.009，F(xiàn)GX冰中摩擦因數(shù)為0.019，SIGMASHIELDTM1200已于波羅的海和北海作業(yè)的集裝箱船上應用。

中涂化工開發(fā)了PERMAX No.1000HB、PERMAX No.3000S和PERMAX No.3300三款超耐磨冰級涂料［19］。這三款產(chǎn)品的耐沖擊性、耐磨性、附著力強，摩擦因數(shù)低，耐腐蝕性能優(yōu)異，具有玻璃鱗片的“迷宮”效應。其中，玻璃鱗片采用的為韌性玻璃鱗片。研究表明，堅硬的涂層在長期的冰損傷環(huán)境中不耐久，但若采用柔性玻璃鱗片，則具有良好的耐磨性。PERMAX No.1000HB超耐磨冰級涂料可適用于IA super、ARCTIC class、POLAR class等級的冰區(qū)，其典型涂層配套體系為乙烯基玻璃鱗片底漆PERMAX No.1000（干膜厚度50 μm）+乙烯基酯玻璃鱗片面漆PERMAX No.1000HB（干膜厚度450 μm）。PERMAX No.3000S超耐磨冰級涂料適用于IA、IB等級的冰區(qū)，典型涂層配套體系為環(huán)氧底漆BANNOH系列（干膜厚度100 μm）+環(huán)氧玻璃鱗片面漆PERMAX No.3000S（干膜厚度450 μm）。PERMAX No.3300超耐磨冰級涂料也適用于IA、IB等級的冰區(qū)，典型涂層配套體系為環(huán)氧玻璃鱗片底漆PERMAX No.3300（干膜厚度250 μm）+環(huán)氧玻璃鱗片面漆PERMAX No.3300（干膜厚度250 μm）。

來自比利時Hydrex公司的Ecospeed Ice系列是經(jīng)認證的冰耐磨涂料，可應用于破冰船和冰船。該系列產(chǎn)品具有低摩擦因數(shù)，可節(jié)省燃料和減少VOC排放，具有優(yōu)異的粘附性能，超強的粘合能力。除此之外，該系列產(chǎn)品還具有10 a保修期，無需更換，只需在常規(guī)干塢期間進行小范圍的修補。

目前國內(nèi)公開關于冰區(qū)船舶涂料主要還集中于研制階段。海洋化工研究院有限公司公開了一項發(fā)明專利“一種改性氧化石墨烯、制備方法及海洋冰區(qū)船用破冰抗磨損環(huán)氧涂料和應用”。該破冰抗磨損環(huán)氧防腐涂料在低溫環(huán)境下仍然具有優(yōu)異的壓縮、彎曲、拉伸等力學性能，保護船體免受冰層的擠壓磨損，附著力好，防腐效果優(yōu)異。其原理是以化學鍵結(jié)合的方式將樹脂基體、氧化石墨烯及噁唑烷酮化合物結(jié)合在一起，形成在低溫環(huán)境下高韌性、超強耐磨性的破冰涂層［20］。

湖南航天三豐科工有限公司公開了一項發(fā)明專利“一種破冰船涂料及其制備方法和應用”。該發(fā)明通過將低黏度雙酚A型環(huán)氧樹脂和雙酚F環(huán)氧樹脂進行混拼，降低涂層的玻璃化溫度，以改進涂層的防冰凍性能。其中，選用合適的玻璃鱗片以提高涂層硬度、屏蔽性和防腐性能，通過加溫涂裝，提升涂層硬度、韌性、交聯(lián)度，降低涂層的摩擦因數(shù)［21］。

中國船舶重工集團公司第七二五研究所公開了一項發(fā)明專利“一種破冰船用破冰涂料及其制備方法”。該發(fā)明采用酚醛環(huán)氧樹脂、氟改性聚酯樹脂、脂肪族胺或聚醚胺與聚酰胺的復合固化劑制成高交聯(lián)度疏水柔性環(huán)氧成膜體系，利用疏水鏈段改性二維納米填料提高涂層的屏蔽性、疏水性和韌性；采用增塑劑增強成膜物的柔韌性、耐沖擊性和延伸率等物理性能，提高機械強度。該涂層具有極高的硬度、耐磨性和疏水性，其承受極限大于冰層硬度，減少碎冰粘附磨損，有利于防御冰層切削和沖擊破壞［22］。

上海涂固安高科技有限公司公開一項發(fā)明專利“一種耐磨防凍破冰船用涂料及其制備方法”。該發(fā)明以聚脲聚氨酯為基體樹脂，加入二硫化鉬（填料）、紫外吸收劑等，達到高硬度、耐溫耐寒性好、穩(wěn)定性佳的效果，以及堅韌、耐沖擊、耐磨防凍的優(yōu)點［23］。

3 結(jié)語

不同船級社或團體對于冰區(qū)航行船舶涂料具有相應的測試項目和要求。隨著經(jīng)濟發(fā)展的需要，以及涂料技術的進步和突破，各類冰區(qū)航行船舶涂料的系列配套產(chǎn)品也在與時俱進。在這些冰區(qū)船舶涂料中，低溫耐磨性和減阻性能為關鍵性指標。從現(xiàn)有產(chǎn)品和技術來看，冰區(qū)航行船舶涂料一般以環(huán)氧樹脂、酚醛環(huán)氧作為基材，通過樹脂改性、填料選用、交聯(lián)度控制來平衡體系在低溫下的硬度和韌性，以獲得高耐磨及低摩擦表面，從而保護船體及減少航行功率消耗，而以無溶劑體系獲得低VOC綠色環(huán)保涂料是將來的發(fā)展趨勢。