冰区航行船舶涂料的研究.pdf

上海涂料SHANGHAI COATINGS第61卷第 5 期2023 年 9 月Vol.61 No.5Sep.2023冰区航行船舶涂料的研究冰区航行船舶涂料的研究叶维维，孟林龙，苏雅丽，李至秦，赵建南，叶章基*（厦门双瑞船舶涂料有限公司，福建厦门 361000）摘要：北极地区拥有丰富的石油、天然气和矿产资源，这些资源的控制对于国家的能源战略和经济发展至关重要。基于此，北冰洋航线新战略地位日益凸显，海上船只和钻井平台的活动也更加频繁。由于受到北极地区等极端天气的影响，船舶在冰冷的水域行驶时，冰块的撞击可能会造成船体的损坏，所以冰区船舶涂料的性能必须达到极高的要求。综述了冰区行驶船舶与冰的作用及冰等级划分，冰区航行船舶涂料要求及现有涂料牌号和性能，旨在为冰区涂料的研究和发展提供借鉴和参考。关键词：冰区航行，冰区船舶，船舶涂料，涂层中图分类号：TQ 630.7 文献标志码：A 文章编号：1009-1696（2023）05-0022-07收稿日期 2023-06-26作者简介 叶维维（1994），女，硕士研究生，中级工程师，主要从事船舶与工业等领域涂料研究。通讯作者 叶章基（1969），男，工程博士研究生，研究员，主要从事船舶防腐蚀防污涂料及测试方法研究。0 引言随着全球气候变暖，北冰洋冰层融化速度加剧，北冰洋航线的战略地位日益凸显，开辟新的北极航道成为可能。新的航线不仅将减少许多国家对常规航线的依赖，而且还将大大缩短航运时间，降低航运成本，运输量也将增大。据初步估计，截至2030年，1/4的亚欧贸易将通过北冰洋航线运输。此外，北极地区拥有丰富的石油、天然气和矿产资源，全球资源竞争激烈，海上船只和钻井平台的活动也更加频繁，船东、天然气供应商和造船商正在积极协商建造和购买能够在结冰的海上航行的液化天然气运输船（LNG运输船）1。然而，蓬勃发展的航运业和石油天然气业会受到寒流等极端天气条件的影响，尤其是在气候终年寒冷、湿度极大的北极地区，与常规货船相比，冰区行驶的船舶所受到的损坏更加严重2。其原因主要有两点：其一，低温结冰会导致船体增重，且船体上层建筑覆冰会提高船舶的重心，从而导致干舷和浮力降低，降低船舶的稳定性。当船内部位（如压载舱风管）结冰后，冰块下落会对相关结构和附件造成损坏3；其二，在冰区航行的船舶会遇到较严重的刮擦和冰块的撞击，从而造成船体的损坏。防护材料和涂层在提高船舶和海洋设备的可靠性、安全性和功能效率方面具有广阔的应用前景。为了保护破冰船和冰类船只的外壳免受腐蚀和磨损，通常要求涂层具有长期的抗磨损和抗冲击性。这种涂层通常被船级社认证为抗冰涂料，可有效降低船舶结构所需厚度和质量，减少建造成本，提高船舶的行驶效率4。专论综述专论综述专论综述Monograph Review第 5 期231 冰区行驶船舶与冰的作用及冰等级划分1.1 冰区行驶船舶与冰的相互作用在冰区运行的船舶遭遇的冰荷载取决于船-冰相互作用，其一般与船体几何形状、冰的特性和参数有关。船体与冰的相互作用于主要发生在船的艏柱、艏部、肩部、舯部、舭部。在冰区行驶的船舶主要会与层冰、浮冰、冰脊产生力学作用：1）船体与层冰的力学作用。极地船舶破冰前进时，船舶首部驶入上层冰后会对冰层产生向下的压力压断层冰，船体舷侧及其他曲率较小结构和层冰互相挤压，产生局部载荷，阻止船舶的运动；2）船体与浮冰的力学作用。船舶航行区域的海冰不连续，当浮冰在海流的作用下发生运动时，船体与海冰可能会产生碰撞作用力；3）船体与冰脊的力学作用。海冰受到风浪流的联合作用后，层冰表面会形成冰脊，产生摩擦阻力。此外，当坚硬的冰层在海面上浮动时，其与船体有一定的相对速度，会对行驶中的船体产生挤压作用5。在冰区行驶的船舶会受到冰的作用，不同形式的冰对船舶的阻力也不同。冰的阻力很大程度上取决于5个方面：1）孔隙率。对于粗糙冰来说，孔隙率为水或空气的体积与粗糙冰样品的总体积之比。浮冰孔隙率影响浮冰浮力，进而影响船体平行侧摩擦阻力和船首阻力的摩擦分量。同时，孔隙率也会影响浮冰的相互作用，从而影响船首阻力的位移和下沉分量；2）碎片形状及内聚力。碎片形状会影响碎片间的相互作用，内聚力会使碎冰片聚集在一起形成大的冰块，产生相互作用；3）休止角。休止角描述了材料在不坍塌的情况下能够保持的坡度，其可以形容一个体积的某种材料的最大垂直高度。水下的休止角增加了船的阻力，使船侧的浮冰堆积，影响船舶阻力的摩擦分量；4）可压缩性。其评价了从一个粗糙的冰样品中去除一定的空隙体积所需的外部载荷。可压缩性会对浮冰堆积产生影响，包括浮冰在船侧的堆积产生摩擦阻力及浮冰下沉和位移引起的船首阻力；5）内摩擦角效应。内摩擦角通过碎冰片相互作用来影响冰的堆积。1.2 冰等级划分为了保证船舶在冰区具有足够的作业能力，世界各地对冰区的船舶有各种不同的冰等级要求，如芬兰-瑞典冰等级规则（简称“FSICR”）、国际船级社协会（简称“IACS”）极地冰等级规范及各船级社规范等。FSICR于19世纪30年代制定，其制定的目的是确保波罗的海冬季船舶的安全运行，该标准划分为IA super、IA、IB、IC及五个等级。IA Super级别：要求该级别的船舶可以在布满浮冰（浮冰的最大厚度为1 m，碎冰厚度不小于0.1）的海上以不少于5个节点的速度航行；IA级别：要求该级别的船舶能在布满浮冰（浮冰最大厚度为1 m，没有致密的冰）的海上以不少于5节的速度前行；IB级别：要求该级别的船舶能在布满浮冰（浮冰的最大厚度为0.8 m，没有致密的冰）的海上以不少于5个节点的速度航行；IC级别：要求该级别的船舶能在布满浮冰（浮冰的最大厚度为0.6 m，没有致密的冰）的海上以不低于5个节点的速度行驶；级别：船舶可以在几乎没有浮冰的海域靠自身的推进器前进。国际船级社协会于2006年发布了 极地船级统一要求 的文件，将其作为国际海事组织（IMO）北极海冰水域船舶作业指南 的补充。国际船级社对破冰能力划分为PC1至PC7级，PC1级破冰能力最强，PC7级最弱。不同的冰级所对应的航行时间也不相同，其中PC1PC5级可以全年航行，PC6级和PC7级只能在夏季和秋季进行航行6。中国船级社（CCS）在 钢制海船入级与建造规范（1989版）中将冰区航行船舶划分为五种并延续至今，它们分别为 Ice Class B1*、Ice Class B1、Ice Class B2、Ice Class B3、Ice Class B，其 中 Ice Class B1*无需破冰船辅助即可在严重冰况区域航行；Ice Class B1也可在严重冰况区域航行，必要时，需要破冰船辅助；Ice Class B2在中等冰况下具有正常航行的能力，但在需要时应有破冰船的辅助；Ice Class B3在轻度冰况下具有正常航行的能力，但在需要时应有破冰船辅助；Ice Class B在小块漂流浮冰况区域航行7。专论综述Monograph Review叶维维，等：冰区航行船舶涂料的研究上海涂料24第 61 卷美国船级社（ABS）根据船舶类型（破冰船、非破冰船）、所服务航区、进入时限、是否需要更高等级破冰船辅助作业等情况，将冰区划分为A5、A4、A3、A2、A1、A0、B0、C0、D0九个等级，其中A5类是所有等级中最高的，D0是最低的8。挪威船级社（DNV GL）对名义海冰强度、名义层冰厚度、最小设计冲撞破冰速度做出了不同规定9，将冰级划分为 IC、IB、ICE-5、ICE10、1A 和POLAR15、POLAR20和POLAR3010，其适用于将在北极地区冰雪覆盖的水域独立作业的破冰船、客船和货船。俄罗斯船级社（RMRS）将用于在寒冷的非北极海域航行的船舶分为ICE1、ICE2、ICE3三个级别，将在北极海域航行的船舶分为ARC4、ARC5、ARC6、ARC7、ARC8、ARC9六个级别。表1为各团体关于冰级的划分。表1 不同团体关于冰级的划分6Table 1 Classification of ice classes by different organizations 团 体冰级芬兰-瑞典冰等级规则I SuperIIBICCategory II俄罗斯海事船级社Arc 5Arc 4Ice 3Ice 2Ice 1美国船级社I A1I AoIBICD0必维国际检验集团IA SUPERIIBICID加拿大船级社DE中国船级社Ice Class B1*Ice Class B1Ice Class B2Ice Class B3Ice Class B挪威船级社ICE-1*ICE-1ICE-1BICE-1ICE-德国劳氏船级社4321韩国船级社ISSIS1IS2IS3IS4英国劳氏船级社ISSIAIBICID日本船级社I SuperIIBICID意大利船级社I SuperIIBICID2 冰区航行船舶涂料2.1 冰区航行船舶涂料要求 不同的团体对于冰区船舶的涂料有不同要求。IACS规定冰区航行船体钢腐蚀量应设定为2 mm，若涂覆公认的耐磨涂层，可考虑将腐蚀量减少1 mm。冰区航行船舶涂料的认证通常需要经过现场和实验室测试。实验参考测试有耐磨性（Taber磨砂机测试，ASTM D 40602019，160 mg/1 000 g，CS17 砂轮）、耐冲击性、黏附强度、延展性（柔韧性）、循环腐蚀试验或盐雾试验、浸泡试验、阴极剥离试验等。测试结果应与已被船级社认可的产品进行比较11。由于涂层的实际性能在实验室中无法精准评估，因此除了实验室测试之外，制造商还应提交干坞报告，说明已采用该涂层并在冰区环境下服役的船舶性能状况。劳氏船级社要求用于不同冰级或极地船级的低摩擦耐磨表面涂层须符合的要求：对于以PC划分冰级的，建议对极地船舶的所有壳板外表面进行有效的防腐和磨损防护，不同区域的磨损量有不同计算方法，具体见表2；对于冰等级为1AS、1A、1B、1C和1D级别的，船舶涂层要求应遵守IACS规则；对于冰等级为1E级别的，船舶涂层磨损和腐蚀增量通常为2 mm，若采用冰磨损的耐磨涂层，磨损量应减小1 mm；对于冰等级为1AS、1A、1B和1C级别的，主冰带上涂覆认证的耐磨涂层，应在使用期间保持良好状态，磨损厚度应减少1 mm12。此外，建议在冰区船舶中使用高附着力、耐剥落、低摩擦特性的耐磨涂料。在实船实验前，劳氏船级社要求样品应预先进行实验室测试，相关测试项目见表313。同时，俄罗斯船级社也对实验室测试有具体要求，详见表414。专论综述Monograph Review第 5 期25值得一提的是，中国船级社（CCS）于2016年3月发布了 极地船舶指南（以下简称“指南”），旨在为 极地规则 在中国的实施提供技术指导。指南 明确指出极地船舶的船体结构和部件必须能够抵御极地水域的高纬度、恶劣天气、极地白天/夜晚等环境风险15，并将极地船舶分为A类和B类。A类极地船舶通常设计用于长期在极地水域最寒冷的冬季，船体结构材料服务温度一般为-40 及以下；B类极地船舶通常设计用于季节性在极地水域连续冬季月份操作，船体结构材料的极地服务温度一般为-15-30。对于A类和B类极地船舶而言，处于冰带区域的船体外板建议使用具有高附着力、耐剥落和低摩擦特性的耐磨涂层，如聚氨酯涂层和环氧涂层。虽然处于冰带区域的不锈钢船体外板可不使用涂层，但是为防止发生电化学腐蚀，应考虑附加阳极或外加电流保护。在低温环境下，船舶与露天区域直接相邻的外表面或内表面可应用低温涂层。低温涂层应能在低温下保持原有性能，防止涂层在低温下与保护表面脱落。如船舶预计长期在严重结冰的气候下服役，为减少恶劣环境对船体结构和设备的影响，船舶暴露表面，如甲板、甲板室和上层建筑两端和侧壁、栏杆、舷墙和甲板机械等可使用能够防冰雪附着的涂层，具有破冰能力的极地船舶可考虑使用低摩擦涂层16。表2 劳氏船级社对于冰区船舶不同部位壳板涂层有效防护的要求Table 2 Lloyds Register of Shippings requirements for effective protection of shell coatings on different parts of ships in ice zones 船体部位壳板磨损量/mm有效保护无效保护PC1PC3PC4PC5PC6PC7PC1PC3PC4PC5PC6PC7船首：船首中间冰带3.52.52.07.05.04.0船首中下部：中体和船尾冰带2.52.02.05.04.03.0中船尾下部：底2.02.02.04.03.02.5表3 劳氏船级社实验室测试项目Table 3 The laboratory testing programs of Lloyds Register of Shipping测试项目标准内容腐蚀测试ISO 203402009 涂料和清漆 海上和相关结构用防护漆系统的性能要求NORSOK M-5012022 表面处理和防护涂层IMO MSC.215（82）PSPC-WBT 所有类型船舶专用储罐和散货船双面舱室用防护涂料的性能标准ISO 157112003 涂料和清漆涂层耐海水阴极剥离性的测定磨损测试ASTM D 40602007 用泰伯尔磨蚀机测定有机涂层耐磨性的标准试验方法ISO 627212011 色漆和清漆 快速变形（抗冲击）试验 第1部分：落锤试验 大面积压头表4 RMRS对于冰区船舶涂料的评价标准Table 4 Evaluation criteria of marine coatings in ice zones from RMRS 测试项目测试要求所有冰级下航行的破冰船用涂料ARC 4ARC 9冰级条件下北极海域航行的船舶用涂料II耐久性大大附着力（缺口法）/级33粘结强度/MPa1610108耐磨性（1 000 r/1 kg，CS-17砂轮）/mg80120120160冲击强度/J55涂层的阴极剥离性能3个月后5 mm，6个月后8 mm3个月后5 mm，6个月后8 mm在冰上的摩擦因数0.030.080.030.08叶维维，等：冰区航行船舶涂料的研究专论综述Monograph Review上海涂料26第 61 卷2.2 几种冰区航行涂料冰区航行船舶涂层一般要求具有耐磨性及低摩擦因数，可减少所需的船体厚度和减少船舶的结构质量以降低船体在冰上的摩擦阻力和燃料消耗，增加船舶和动力装置的使用寿命。70年代中后期，欧美开展了一系列冰区船舶涂料的研究。到了80年代，冰区船舶涂料在技术上已经有了突破，具有双组分、高固体分、无溶剂等特点。根据劳氏船级社的资料，于1982年建造的破冰船“Robert Lemeur”已使用了低表面摩擦的冰区环氧涂料，减少了冰区和船体之间的摩擦力，进而减少能耗。进入21世纪之后，随着世界经济的快速发展，极地航运需求的大幅增长，世界主要涂料厂商也相继纷纷开发出了冰区专用耐磨、低表面摩擦因数的船体涂料。世界主要船级社也对专用的冰区涂料产品开始了专业认证，使其有在冰区船舶上应用的资格，具体厂家涂料及性能如下17-18。20世纪70年代，芬兰开发的Inerta 160环氧树脂船体涂层除了可以大幅度降低了船体和冰间的摩擦力，还可防止船体发生腐蚀。现有产品Intershield 163 Inerta 160耐磨环氧漆是一种高固含低VOC（挥发性有机化学物）双组分环氧耐磨产品，可在-50 环境下使用，产品已同时具有LR（英国劳氏船级社）和BV（法国船级社）的冰级证书，目前已成功应用于俄罗斯北部的亚马尔液化天然气项目。来自Jotun（佐敦）公司的Marathon IQ 2为无溶剂双组分聚胺固化的环氧涂料，它具有优良的平滑性、韧性、冰摩擦性和冰滑性能，能降低摩擦力和粗糙度。其极低的动力学摩擦因数可使水动力效率提高约4.5%，且具有良好的弯曲强度、基材附着力、度耐磨和抗冲击性。动力学摩擦因数0.021，激光轮廓粗糙度2.97 m，船坞外粗糙度50 m，淡水中摩擦因数0.012，盐水中摩擦因数0.014，FGX冰中摩擦因数0.021，耐冲击强度 10 J。目前该产品已获得DNV（挪威船级社）、LR（英国劳氏船级社）、RMRS（俄罗斯船级社）的认证。来 自 Hempel（海 虹 老 人）公 司 的 Hempadur Multi-Strength 45751、Hempadur Multi-Strength 45753 和 Hempadur Multi-Strength GF 35870 三 种 冰区耐磨涂层产品已获认证，它们表面光滑，能使船舶保持低油耗。其中，Hempadur Multi-Strength 45751，Hempadur Multi-Strength 45753为环氧聚酰胺涂料，而 Hempadur Multi-Strength GF 35870为玻璃鳞片增强环氧漆。来 自 PPG 公 司 的 SIGMASHIELDTM 460，SIGMASHIELDTM 1200两种冰区船舶涂料产品可根据冰级进行选择。两种涂层具有耐磨、机械抗污性能（易于清洁的），且均已通过LR船级社认证。其中，SIGMASHIELDTM 460为高固体分玻璃鳞片增强环氧涂料，SIGMASHIELDTM 1200为无溶剂酚醛环氧漆。SIGMASHIELDTM 1200涂层采用硬填料，具有优异的抗磨损性能，并采用高度交联的酚醛环氧技术，可增加抗蠕变性，进一步延长涂层的使用寿命。该产品的性能得到独立测试机构（Aker Arctic Technology）的认可，涂层非常光滑，摩擦因数低于市场同类产品，其在海水冰中摩擦因数为0.007，淡水冰中摩擦因数为0.009，FGX冰中摩擦因数为0.019，SIGMASHIELDTM 1200已于波罗的海和北海作业的集装箱船上应用。中涂化工开发了PERMAX No.1000HB、PERMAX No.3000S 和 PERMAX No.3300 三款超耐磨冰级涂料19。这三款产品的耐冲击性、耐磨性、附着力强，摩擦因数低，耐腐蚀性能优异，具有玻璃鳞片的“迷宫”效应。其中，玻璃鳞片采用的为韧性玻璃鳞片。研究表明，坚硬的涂层在长期的冰损伤环境中不耐久，但若采用柔性玻璃鳞片，则具有良好的耐磨性。PERMAX No.1000HB超耐磨冰级涂料可适用于IA super、ARCTIC class、POLAR class等级的冰区，其典型涂层配套体系为乙烯基玻璃鳞片底漆PERMAX No.1000（干膜厚度50 m）+乙烯基酯玻璃鳞片面漆PERMAX No.1000HB（干膜厚度450 m）。PERMAX No.3000S超耐磨冰级涂料适用于IA、IB等级的冰区，典型涂层配套体系为环氧底漆BANNOH系列（干膜厚度100 m）+环氧玻璃鳞片面漆PERMAX No.3000S（干膜厚度450 m）。PERMAX No.3300超耐磨冰级涂料也适用于IA、IB等级的冰区，典型涂层配套体系为环氧玻璃鳞片底漆PERMAX No.3300（干膜厚度250 m）+环氧玻璃鳞片面漆PERMAX 专论综述Monograph Review第 5 期27No.3300（干膜厚度250 m）。来自比利时Hydrex公司的Ecospeed Ice系列是经认证的冰耐磨涂料，可应用于破冰船和冰船。该系列产品具有低摩擦因数，可节省燃料和减少VOC排放，具有优异的粘附性能，超强的粘合能力。除此之外，该系列产品还具有10 a保修期，无需更换，只需在常规干坞期间进行小范围的修补。目前国内公开关于冰区船舶涂料主要还集中于研制阶段。海洋化工研究院有限公司公开了一项发明专利“一种改性氧化石墨烯、制备方法及海洋冰区船用破冰抗磨损环氧涂料和应用”。该破冰抗磨损环氧防腐涂料在低温环境下仍然具有优异的压缩、弯曲、拉伸等力学性能，保护船体免受冰层的挤压磨损，附着力好，防腐效果优异。其原理是以化学键结合的方式将树脂基体、氧化石墨烯及噁唑烷酮化合物结合在一起，形成在低温环境下高韧性、超强耐磨性的破冰涂层20。湖南航天三丰科工有限公司公开了一项发明专利“一种破冰船涂料及其制备方法和应用”。该发明通过将低黏度双酚A型环氧树脂和双酚F环氧树脂进行混拼，降低涂层的玻璃化温度，以改进涂层的防冰冻性能。其中，选用合适的玻璃鳞片以提高涂层硬度、屏蔽性和防腐性能，通过加温涂装，提升涂层硬度、韧性、交联度，降低涂层的摩擦因数21。中国船舶重工集团公司第七二五研究所公开了一项发明专利“一种破冰船用破冰涂料及其制备方法”。该发明采用酚醛环氧树脂、氟改性聚酯树脂、脂肪族胺或聚醚胺与聚酰胺的复合固化剂制成高交联度疏水柔性环氧成膜体系，利用疏水链段改性二维纳米填料提高涂层的屏蔽性、疏水性和韧性；采用增塑剂增强成膜物的柔韧性、耐冲击性和延伸率等物理性能，提高机械强度。该涂层具有极高的硬度、耐磨性和疏水性，其承受极限大于冰层硬度，减少碎冰粘附磨损，有利于防御冰层切削和冲击破坏22。上海涂固安高科技有限公司公开一项发明专利“一种耐磨防冻破冰船用涂料及其制备方法”。该发明以聚脲聚氨酯为基体树脂，加入二硫化钼（填料）、紫外吸收剂等，达到高硬度、耐温耐寒性好、稳定性佳的效果，以及坚韧、耐冲击、耐磨防冻的优点23。3 结语 不同船级社或团体对于冰区航行船舶涂料具有相应的测试项目和要求。随着经济发展的需要，以及涂料技术的进步和突破，各类冰区航行船舶涂料的系列配套产品也在与时俱进。在这些冰区船舶涂料中，低温耐磨性和减阻性能为关键性指标。从现有产品和技术来看，冰区航行船舶涂料一般以环氧树脂、酚醛环氧作为基材，通过树脂改性、填料选用、交联度控制来平衡体系在低温下的硬度和韧性，以获得高耐磨及低摩擦表面，从而保护船体及减少航行功率消耗，而以无溶剂体系获得低VOC绿色环保涂料是将来的发展趋势。参考文献1HIRAMATSU S，TSUMURA K，SATO 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and drilling platforms are also becoming more frequent.Due to extreme weather in the Arctic，when a ship is travelling in icy water，the impact of ice blocks may cause damage to the hull.So the coatings for ships sailing in ice regions must reach to extremely high requirement.The paper reviewed the interaction between ships sailing in ice regions and ice，classification of ice，as well as the coatings requirements，brands and performances of ships sailing in ice regions，aiming to provide reference of the research and development of ice region coatings.Key Words：sailing in ice regions；ships in ice regions；ship coatings；coating专论综述Monograph Review