2 上海海事大学 海洋科学与工程学院，上海 201306
随着全球航运业的快速发展，船舶的安全性与经济性愈发受到关注[1]。现代船舶的设计 越来越追求高效、经济和环保，船体材料的选择和性能要求也变得更加复杂和严格[2]。船体材料不仅需要满足强度、韧性和抗腐蚀性等基本要求，还要具备良好的抗疲劳性能和抗冲击 性能[3]，以应对海洋环境中复杂、多变的应力条件。然而，船体在长期服役过程中不可避免 地会遭遇各种形式的失效问题，严重影响船舶的使用寿命和安全性。
船舶系统中主要使用金属材料，包括钢铁[4-7]、铜[8-10]、钛[11,12]、镁[13]、铝[14,15]等，这些 材料大部分工作在潮湿的海洋环境。在复杂的工况环境与多重应力的耦合作用下，金属零件 经常会发生多种失效模式，导致船舶装备无法安全、可靠地运行，从而直接或间接地造成巨 大的经济损失，甚至发生灾难性事故[16]。船舶系统独特的海洋工况使用条件，使得 90％以 上的船体材料失效形式与腐蚀有关[16]。根据历年的数据显示，美国每年花费在维修船舶腐蚀 上的费用将近 45 亿美元。中国因船体材料腐蚀失效而造成的船舶损坏损失数额也相当大， 政府每年花费在船舶维修的费用大致是 200-300 亿人民币[17]。船舶腐蚀的类型多样, 是由 于船舶腐蚀发生原因的多样性造成的[18],常见的船舶腐蚀类型主要有：电化学腐蚀、机械作 用腐蚀、生物腐蚀、化学腐蚀[19-22]等。
除了腐蚀失效外，船体材料在服役过程中还可能遭遇多种其他失效形式，主要包括疲劳 失效[23-25]、断裂失效[26,27]、磨损失效[28]、冲击失效等。每种失效形式都有其独特的特点和发 生机制，影响船体的使用寿命和安全性。因此，对船体材料失效的机理进行深入分析，提出 有效的防护措施，是保障海洋运输安全、延长船舶寿命、降低维护成本的关键。
1.1 船舶海水管路材料失效
海水总管和冷却管路是用于海洋工程或海洋设备中的重要管道系统。海水总管是系统中 的主要管道，用于将海水引入各个装置或设备中，例如冷却器、润滑系统等。冷却管路则是 通过海水循环，将热量从设备中带走，以保持设备的正常运行温度。船舶海水管路在运行过 程中受到水、盐分、化学物质等因素的影响，通常在以下位置易发生比较严重的材料腐蚀失 效问题：管系的拐角处、异径处、汇流分流、阀门处、出口处、海底门处、泵的出口处等[29,30]。船舶管路对船舶的安全性和稳定性发挥着重要的作用，但材料腐蚀失效问题严重影响着船舶管路的使用。
1.1.1 船舶海水管路腐蚀失效机理分析
海水管路中的腐蚀是一个复杂的过程，受到海水温度、溶氧量、海水流速以及海洋生物 等多种因素的影响，这些因素之间交互作用，导致海水管路腐蚀的机理相比于单一的腐蚀介 质更加复杂。在实际的船舶海水管路中，腐蚀表现出多样化的形式，常见的腐蚀形式包括电 化学腐蚀、冲刷腐蚀、缝隙腐蚀、均匀腐蚀、空泡腐蚀、生物腐蚀[31-37]等。
（1)电化学腐蚀
电化学腐蚀是指金属在电解质环境中，通过电化学反应而发生的腐蚀现象。在海洋环境 中，海水管系材料常常暴露于盐水、湿气和其他电解质中，形成电化学腐蚀的理想条件。
（2）冲刷腐蚀
冲刷腐蚀是指流体（如海水）在高速流动时，对金属表面产生的机械冲击和摩擦，导致 金属材料的局部磨损和腐蚀。在船舶海水管路中，这种腐蚀通常发生在流体流动速度较高的 地方，如管道弯头、阀门、泵入口等区域。
（3）缝隙腐蚀
缝隙腐蚀是一种局部腐蚀现象，主要发生在金属表面与其他物体（如密封垫、管道连接 部件等）之间的狭窄缝隙中。徐熊等[32]分析了船舶海水管路中缝隙腐蚀的原因和影响因素， 指出船舶海水管路易发生缝隙腐蚀的位置主要位于金属连接处和密封部位。
（4）均匀腐蚀
均匀腐蚀是指金属表面在整个接触区域内均匀地发生的腐蚀现象。这种腐蚀通常是由于 金属与腐蚀介质（如水、酸、碱等）之间的化学反应引起的。
（5）空泡腐蚀
空泡腐蚀是指在液体流动过程中，由于流速的变化导致液体中形成空泡，并在空泡破裂 时对材料表面造成的腐蚀现象。对船舶海水管道来说，当海水在管道内的流动速度发生变化 时，经常会发生紊乱现象，负压区域产生的气泡在压缩中破裂[35]，对管道材料产生撞击，导 致管道材料表面发生腐蚀现象。
（6）生物腐蚀
生物腐蚀是指微生物（如细菌、真菌、藻类）在金属或其他材料表面附着并引起的腐蚀 现象。海水管道内引入的海水中通常含有大量的微生物，这些微生物附着在管道壁内进行的 代谢活动，与其他类型的腐蚀问题相互作用，进一步加剧了管系材料的腐蚀问题。
1.1.2 船舶海水管路的腐蚀因素
（1）管路材质
船舶海水管道材料通常直接接触输送介质，因此管道内的腐蚀主要取决于材料本身的耐 腐蚀性能。船舶管路材料在海水环境中的耐腐蚀性主要由其化学成分、表面物理和化学特性 以及制造工艺等因素决定。文献[29,30,37,38]列举了一些金属材料在静止海水以及淡水中的腐蚀 速率，如表 1 所示。
表 1 金属材料在静止海水以及淡水中的腐蚀速率（单位:μm /a）
Table 1 Corrosion rate of metal materials in static seawater and fresh water (unit :μm /a )
（2）气蚀
船舶海水管路受海水扩散、旋涡等因素的影响，容易在海水管路中形成低压区。在金属 管壁与海水接触的界面上，无数气泡不断破裂，导致管壁原有的保护膜遭受机械损伤，形成 气蚀现象。气蚀的存在使得管壁腐蚀成酷似马蜂窝般的麻孔状[30,35,37-39]。
（3）海水流速
海水中含有各种盐类、氧气等物质，当海水流经管道时，流速的大小会对管道的腐蚀速 率产生较大的影响。海水的流速较大时，会对船舶管路的内壁产生较大冲刷作用力，这会破 坏管路金属表面存在的保护膜，加剧管路的腐蚀速率。海水流速超过一定限度后，管路表面 由于冲击作用会形成气蚀，加剧电化学腐蚀。因此，对船舶管路来说，海水流速越大，管道 腐蚀就越严重[29,30,32,38]。
（4）管路结构布局的影响
船舶管道结构布局是影响其腐蚀行为的关键因素之一。在管道内，流体的流动状态会受 到管道的形状和构造的影响，特别是在一些流体容易紊乱的地方，如分流处、汇流处、弯管 处以及管径变化处，更容易发生冲击腐蚀的现象，加速管道的腐蚀。船舶海水管路的连接处 易发生缝隙腐蚀，也会加剧管道的腐蚀。另外，在对海水管路进行布局设计时，还需要考虑 焊接对船舶管路造成的影响[29,30,36-39]。
（5）海洋生物
海洋生物的存在会导致水层中氧含量的增加，同时它们的活动会释放二氧化碳或者残余 的海生物分解过程中释放出硫化氢，进而使周围海水酸化。这两种情况都会加快海水管道的 腐蚀速率。一些海洋生物甚至能够穿透管道壁上的氧化层，进一步加剧腐蚀过程[29,30,35,38,39]。
（6）管路的维护保养
管道腐蚀问题与维护保养密切相关，维护保养技术的不足是影响管路腐蚀的重要因素。在海水管道腐蚀初期，若不采取任何防腐措施而任其腐蚀，将导致严重的腐蚀问题[29,30,32]。
1.2 船舶柴油机锅炉材料失效
柴油机和锅炉是船舶动力系统的核心，能够提供船舶所需的动力，使船舶在水中进行航 行。柴油机和锅炉材料的失效会导致动力系统的故障，影响船舶的推进和供能功能，进而影 响船舶的行驶速度和稳定性，对船舶的安全和正常运行产生严重影响。
（1）柴油机材料失效分析
柴油机轴瓦是一种用于支撑和减少摩擦的零件，柴油机曲轴和连杆的高速旋转会给轴承带来很大的磨损，轴瓦能够缓解曲轴和连杆接触的摩擦，减少能量消耗，提高燃油经济性。王延宏等[28]分析了导致船舶柴油机轴瓦早期失效的各种因素，包括磨损、疲劳剥落、咬轴烧 瓦、腐蚀和气蚀等，并提出了相应的防止措施，如提高装配精度、改善滤清效能、控制粗糙 度、及时更换机油等，以延长轴瓦使用寿命。
曲轴作为发动机的重要机件，其常用材料为碳素结构钢和球墨铸铁。曲轴最常见的失 效形式为疲劳断裂，张新春介绍了曲轴疲劳断裂的特点，并从多个方面对柴油机曲轴断裂失 效的原因进行了分析[23]。
针对柴油机其他部位的材料失效问题，熊军[26]提出了柴油机凸轮轴断裂失效分析的一 般程序，并应用该程序对某柴油机凸轮轴断裂事故进行了失效分析。孙长飞等[40]利用有限元 检测技术对活塞失效原因进行了分析。陆慧等[27]对某船用柴油发动机在运行时发生的拉缸 事故进行了分析，发现活塞裙疲劳断裂失效是导致事故的主要原因。
（2）锅炉材料失效分析
陆慧[41]对船舶锅炉和积水系统中的腐蚀现象进行了描述，并提出了控制船舶锅炉腐蚀 的有效措施。谢以超[42]论述了含氧炉水对锅炉产生的电化学腐蚀的过程极其严重性，并介绍 了相应的防护措施，指出电化学腐蚀是锅炉材料腐蚀失效最为主要的一种形式，危害性也是 最大的。马青华等[43]对某型船舶锅炉燃油管内部腐蚀失效问题进行了腐蚀失效原因分析，并 提出了涂塑防护方案来应对船舶锅炉燃油管内部腐蚀问题。Leila 等[24] 对燃气涡轮机的腐蚀 与疲劳损伤进行了研究。总结了载荷条件、腐蚀环境特征和涡轮材料性能对腐蚀裂纹和疲劳 损伤失效的影响。
1.3 船舶轴系设备材料失效
船舶轴系设备是船舶的重要组成部分，主要用于传递动力和控制船舶的运动，确保船舶 的正常运行和安全性。船舶轴系设备材料失效会对船舶的航行安全产生极大的影响。
Xu 等[44]对某散货船在锚泊等待期间发生的故障进行了分析，现场检查发现是中间轴断 裂失效，图 1 是现场取样图。断口分析表明，疲劳断裂是轴的主要失效机制。
Fig. 1 General view of fracture surface : ( a ) flange side, ( b ) shaft side, ( c ) ratchet marks.
船舶艉轴装置是船舶推进系统中的重要组成部分，承载着连接船舶主机和螺旋桨的重要 功能。艉轴装置的设计和性能直接影响船舶的航行效率和稳定性。陈仲琦[45]根据某船舶事故 案例分析了艉轴发生裂纹失效的原因，并提出了腐蚀裂纹的修复方法。针对船舶艉轴腐蚀失 效的问题，文献[46-49]先后分析了船舶尾轴发生腐蚀失效的原因，并提出了相应的防护方法和 注意事项。
1.4 船舶舱室材料失效
船舶舱室部分的材料失效最容易被忽略，但也是非常重要的区域。压载舱、油舱等封闭 舱室结构特别复杂的部位处于高盐、高湿的环境下，极易发生材料的腐蚀失效，图 2 为常见 船舶舱室的腐蚀情况。李辉[50]介绍了船舶压载舱腐蚀的原因及新的船舶压载舱防腐涂料。王 利伟等[51]指出了船舶不同舱室易发生的腐蚀失效类型和适用的防腐蚀方法。马中存等[52]探 讨了微生物腐蚀在船舶压载舱中的腐蚀机理、检测手段以及应对策略，为船舶压载舱的维护 提供了管理思路。
Fig. 2 Corrosion of ship ballast tanks
针对船舶油舱材料失效问题，Tiago 等[53]对某高速轻型船用两种铝合金制造的油箱进行 了失效分析，最终认为疲劳是油罐失效的最可能原因。王秀娟等[54]介绍了油船货油舱内部结 构和发生腐蚀的情况，重点描述了油船货油舱腐蚀防护采用的方法。
1.5 船舶螺旋桨材料失效
船舶螺旋桨是船舶推进系统的关键部件，它的作用是通过旋转产生推力，推动船舶前进， 船用螺旋桨处的腐蚀情况如图 3 所示。李科等[55]针对船舶螺旋桨的腐蚀失效问题，研究分 析了螺旋桨的防护方法和新型材料。朱晶等[56,57]研究了 3 种常用于制造船用螺旋桨的铜合金 材料的性能差异，总结了常见螺旋桨的腐蚀形式及危害，并分析了现有的防腐措施。赵健[58] 提出了一种新的船用螺旋桨腐蚀失效问题的解决方案，在新旧螺旋桨上均可快速实施，可有 效解决螺旋桨的腐蚀失效问题。
Fig.3 Corrosion at marine propeller
常见失效分析检测手段包括宏观断口观察[59-61]、金相检验、电子能谱分析[62,65-67]、无损 检测[68]、电镜观察[63,64]、化学分析[67]、力学测试等。需要注意的是，这些检测手段相互互补， 一般情况下不会独立使用，而是在联用的情况下给出科学的失效分析。张杰等[69]利用无损检 测、化学分析、光学显微镜、扫描电镜等几种方法对引压管焊接接头裂纹失效的原因进行了 分析检测，发现导致材料失效的主要原因为疲劳开裂。金彦枫[70]通过宏观断口观察检测、化 学分析、金相检验、硬度检测等多种失效分析检测手段对钢板卷制开裂进行失效分析，发现 原材料表面缺失是失效原因之一，失效的主要原因为制造过程的工艺控制。针对某车辆悬架 系统中使用的扭杆在预应变制造过程中发生的断裂情况，Wang 等[71]利用化学分析、金相检 验、残余应力检测、硬度评估和断口分析等多种检测手段对材料断裂失效原因进行分析，得 出扭杆回火温度低是造成断裂的根本原因。
(1) 正确的选材和合理的设计
在选择船舶材料时，首先，要深入了解不同材料可能遭遇的腐蚀类型，如化学腐蚀、电 化学腐蚀等，并掌握相应的防护措施。在此基础上，根据应用场景的具体要求，兼具材料的 强度、耐蚀性、经济性等，选择最合适的材料。同时，还应注意不同材料之间的电偶腐蚀相 容性和阴极保护设备可能带来的潜在腐蚀问题。对于有涂层或其他覆盖层保护的设备，必须 确保这些覆盖层具有足够的强度和刚度，以提供有效的保护。在结构设计方面，应倾向于使 用简单和整体化的设计方案，尽量减少可能导致腐蚀的不利因素，如缝隙、死角、坑洼、液 体停滞区域、应力集中点和局部过热区域，从而减少材料的失效风险。同时，设计时还应考 虑到设备的清洗、保养和维修的便利性，以便及时发现和处理腐蚀问题。
(2) 选用一定的防腐蚀手段和控制措施
船舶上最常见的两种防腐蚀手段为阴极保护及覆盖层保护。阴极保护是一种电化学保护技术，它是以金属作为阴极，通过阴极极化来达到减缓腐蚀的目的。它包括两种，一个是外 加电流，另一个是牺牲阳极。而船舶中常见的为牺牲阳极。无论是外加电流还是牺牲阳极， 在使用过程中要注意监测最小保护电位和最小保护电流密度，根据实际经验，这两个值最好 有冗余量，可更好地提供防护效果。覆盖层保护就是在材料表面使用金属覆盖层、非金属覆 盖层和化合物覆盖层来达到隔绝腐蚀介质，避免腐蚀电池的产生。最常见的为有机高分子材 料，使用方便，施工及维修较为容易。针对海水流速过大对船舶管道的腐蚀问题，可以采用 扩大管径,加大弯曲半径等措施来控制海水流速的大小，减轻海水流速过大对管道材料的腐 蚀。
(3) 建立系统防护制度
为确保船舶材料的安全性与可靠性，强化巡检制度至关重要。针对敏感部位，应该加密 巡查班次，同时提高巡查技术手段，不仅仅只靠目测，还应该加入技术装备，例如超声波探 伤仪、丝束电极等手段，发现问题及早解决。而针对易损部位，应加强保养工作，可采取提 前更换部件，避免突发安全事故带来重大损失。
船体材料失效可能导致船舶结构的破裂、变形或崩溃，从而引发船舶的事故和人员伤亡。另外，船体材料失效还有可能导致船舶泄露化学物质，对海洋环境造成污染。本文对船体材 料失效部位、失效形式和原因以及失效检测手段进行综述，针对船舶材料失效面临的主要问 题，得出以下结论：
（1）船舶材料失效的主要形式包括：疲劳失效、腐蚀失效、老化和磨损等。由于船舶 长时间的使用和载荷变化，船体材料容易发生疲劳失效，导致裂纹和断裂问题，还会导致船 体材料的老化和磨损，从而影响船体的性能和安全性。此外，船舶长时间处于海洋环境中， 海洋环境中的氯离子和海水中的腐蚀性物质等会对船体材料进行腐蚀，使其强度和可靠性降 低。
（2）除了常见的材料失效形式外，选择合适的材料并进行质量控制和合理的设计是确 保船体材料性能的关键，但在实际操作中可能存在材料质量不达标和制造工艺缺陷的问题， 成为船体材料失效的潜在影响因素。
为了进一步研究和解决船体材料失效问题，可以考虑对以下几个问题进行深入的研究：
（1）开展船体材料性能和失效机理的研究，深入了解不同材料在海洋环境中的长期静 载和动载作用下的性能特点和失效机理。
（2）发展先进的材料和涂层技术，以提高船体材料的抗腐蚀性能和耐磨损性能。
（3）建立完善的船体材料监测和评估体系，采用无损检测、应力监测等技术手段，实 时监测船体材料的状态和性能，及时发现问题。
（4）强化船舶设计和建造过程中的强度计算和优化。随着信息技术的发展，各种模拟 软件层出不穷，可以很好的在设计阶段尽量避免应力集中的出现，确保船体材料和设计满足使用要求。
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