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 多個內(nèi)底艙室、400 多個甲板艙室和邊艙、220 多個通風(fēng)室、30 多個機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)進行防腐蝕維護。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)受艦載機起降時的沖擊。

    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議發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，2004 財年美軍有12 艘航母在役，平均每艘航母基地級維修的費用約為7 200 萬美元，其中與腐蝕相關(guān)的費用約為1 250 萬美元，占總維修費用比例高達(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。

    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)約維護所耗費的人力和費用。近年來，美國海軍在航母的綜合桅桿、步橋、飛機升降機甲板欄桿、電箱等許多部位采用復(fù)合材料，達(dá)到減重目的的同時，提高了這些結(jié)構(gòu)和部位的耐腐蝕能力。

    “布什”號航母的綜合桅桿

    2003 年，美國諾斯羅普·格魯曼公司計劃在“布什”號航母（CVN 77）上采用玻璃纖維增強復(fù)合材料替代金屬材料制造桅桿。“布什”號航母上有2 個桅桿，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。

    飛機升降機欄桿

    美國航母上舷側(cè)飛機升降機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)飛機升降機上的復(fù)合材料欄桿。

    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曾被認(rèn)為是航母維護的棘手問題。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行涂裝，可以大大節(jié)省維護金屬電箱所需的人力物力。盡管復(fù)合材料電箱的造價比金屬電箱高，但考慮到維修、涂裝、更換金屬電箱的花費，應(yīng)用復(fù)合材料電箱的航母在30 年間預(yù)計可節(jié)約300萬美元。

    據(jù)不完全統(tǒng)計， 美軍已經(jīng)在“艾森豪威爾”號（CVN 69）、“羅斯福”號（CVN 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。

    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工作量。

    防腐蝕涂層技術(shù)

    以高強度結(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的最重要手段，因此防腐蝕涂層技術(shù)在航母的腐蝕防護中發(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，還要同時具備保護基底甲板、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。

    非晶態(tài)金屬涂層

    美國國防高級研究計劃局（DARPA）牽頭開展了海軍先進非晶涂層（NAAC）項目。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，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艦艇的服役期。2009年，該項目開發(fā)的非晶態(tài)金屬涂層已經(jīng)在幾艘試驗艦上開展了測試（見圖8），其中包括航母的飛行甲板。

    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，海軍研究實驗室（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、色澤更加穩(wěn)定，同時造價更低，而且使用壽命的延長將顯著降低涂層的使用成本。

    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。

    電化學(xué)防腐蝕技術(shù)

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

    美國海軍的外加電流陰極保護系統(tǒng)能自動控制外加電流，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系統(tǒng)如圖10 所示。外加電流陰極保護系統(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)時美軍在役和在建的13 艘航母的外加電流保護系統(tǒng)進行了現(xiàn)場評估，確認(rèn)了各艘航母真實的系統(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13 艘航母的ICCP 系統(tǒng)狀態(tài)，除當(dāng)時最新的3 艘“尼米茲”級航母（CVN 75，CVN76，CVN 77）的ICCP 系統(tǒng)采用計算機控制器外，其余航母的ICCP 系統(tǒng)均使用模擬控制器。

    腐蝕防控管理技術(shù)

    腐蝕防控信息管理系統(tǒng)（CCIMS）是一個綜合管理航母等艦艇全壽期腐蝕評估、監(jiān)檢測、防護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可通過此系統(tǒng)上傳、查看艦艇的腐蝕評估報告，分析并制定標(biāo)準(zhǔn)化的腐蝕防護及維修任務(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、控制和維修計劃。

    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、傳動裝置、通風(fēng)室和艦載機彈射與回收系統(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。

    2）上傳并管理航母各艙室和重點設(shè)備的腐蝕檢測報告，形成長期跟蹤、動態(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)庫信息實時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€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、制定并實時更新腐蝕防控計劃。美軍航母腐蝕管理人員可根據(jù)各艙室和重點系統(tǒng)設(shè)備的腐蝕信息，制定詳細(xì)的腐蝕防控計劃，并通過系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)分配給相應(yīng)負(fù)責(zé)人實施。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，具備自動評估、自動安排計劃的功能。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告和成果，實現(xiàn)信息共享。

    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 個方面介紹了美軍航母腐蝕防控技術(shù)的研制與應(yīng)用進展。

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責(zé)任編輯：王元

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