福建LNG專用卸料碼頭防腐工藝探討

陳清兵 李俊中 沈宗榮 李超平

中海福建天然氣有限責(zé)任公司，福建 莆田 351100

0 前言

中海福建天然氣有限責(zé)任公司所屬LNG專用卸料碼頭及棧橋的橋墩多數(shù)為鋼管樁，還有少量灌注樁，投產(chǎn)四年以來(lái)，鋼管樁表面附著了大量海生物，局部腐蝕嚴(yán)重，防腐效果遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到防腐設(shè)計(jì)要求。

為防止碼頭鋼結(jié)構(gòu)腐蝕，目前國(guó)內(nèi)大多港口采用涂料或陰極保護(hù)方式，有些港口也采用涂料加陰極保護(hù)聯(lián)合防腐方式， 福建LNG卸料碼頭原來(lái)采用的就是這種聯(lián)合防腐方式。 鑒于目前福建LNG卸料碼頭鋼管樁腐蝕嚴(yán)重，急需改變?cè)瓉?lái)的防腐方式及防腐材料。 目前新型防腐蝕材料開發(fā)迅速，不斷有新型涂料或其它防腐材料出現(xiàn)。 作為鋼管纏繞材料的新型聚乙烯防腐帶的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。 這種材料具有耐腐蝕性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、施工簡(jiǎn)單、對(duì)環(huán)境污染小及投資小的特點(diǎn)，在碼頭防腐中呈現(xiàn)出逐漸替代涂料的趨勢(shì)［1-5］。

1 碼頭鋼管樁腐蝕原因及特點(diǎn)

碼頭鋼管樁的腐蝕原因可重點(diǎn)從其所處的海洋環(huán)境分析。 海洋腐蝕環(huán)境的劃分與該處海水中含氧量、含鹽量、風(fēng)力、濕度、溫度都有關(guān)系，同一個(gè)部位處于不同的海域，其腐蝕程度不同。 根據(jù)海洋環(huán)境特點(diǎn)，其腐蝕環(huán)境可分成5個(gè)區(qū)域［6］，見(jiàn)圖1。

大氣區(qū)： 鋼管樁受海水浪花沖刷部分以上的區(qū)域，該區(qū)域主要受海洋潮濕空氣的侵蝕，腐蝕較嚴(yán)重。

飛濺區(qū)：在海洋環(huán)境中腐蝕最嚴(yán)重的部位是在平均海潮以上的飛濺區(qū)。 濕表面與干表面的交替作用和浪花沖刷會(huì)造成極其嚴(yán)重的腐蝕破壞。

潮差區(qū)： 鋼結(jié)構(gòu)在潮差區(qū)的腐蝕速率較飛濺區(qū)低。潮差區(qū)水線上方與下方的氧濃度不同，形成回路，由此成為一個(gè)氧濃度差宏觀腐蝕電池，即整個(gè)潮差區(qū)中每一點(diǎn)分別受到了不同程度的陰極保護(hù)，所以潮差區(qū)每一點(diǎn)受腐蝕程度都不盡相同。

水全浸區(qū)：水全浸區(qū)分為淺海區(qū)與深海區(qū)，在海水全浸區(qū)的腐蝕中，淺海區(qū)含氧量比深海區(qū)大，腐蝕速率也比深海區(qū)快得多。

海泥區(qū)：存在鹽類與海底細(xì)菌，由于埋于地下受海水影響少，且溫度低，腐蝕程度小，只是在海流作用交界處有一定腐蝕。

圖1 碼頭鋼管樁不同區(qū)域腐蝕速率

一般而言， 處于飛濺區(qū)的鋼管樁由于其表面連續(xù)不斷地被海水濕潤(rùn)，且海水中含氧量充分、含鹽量高，加上海水的沖擊作用，腐蝕速度很快。 處于潮差區(qū)的鋼管樁由于低潮位以下全浸區(qū)供氧相對(duì)較少而成為陽(yáng)極，使腐蝕加速；而最高潮位與最低潮位之間的部分因供氧充分，成為陰極，反而受到一定程度的保護(hù)，腐蝕減輕，但總體而言，其腐蝕環(huán)境對(duì)鋼管樁依然有較強(qiáng)腐蝕力。

2 防腐方案篩選

2.1 陰極保護(hù)

自20世紀(jì)60年代初，陰極保護(hù)技術(shù)由英美等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家首先應(yīng)用于海港鋼結(jié)構(gòu)防腐。 目前該技術(shù)已成為一項(xiàng)成熟的防腐蝕技術(shù)。

陰極保護(hù)按其取得保護(hù)電流途徑不同，可分為強(qiáng)制電流陰極保護(hù)和犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)兩種。 二者都是比較典型的保護(hù)方法，應(yīng)用較多，發(fā)展較快，但使用時(shí)有很多限制。對(duì)于強(qiáng)制電流陰極保護(hù)，在陰極保護(hù)系統(tǒng)中要嚴(yán)格保證鋼結(jié)構(gòu)和陽(yáng)極系統(tǒng)之間完全隔開， 絕不允許有直接的金屬接觸，施工比較復(fù)雜。 不同保護(hù)區(qū)域內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)必須保證電絕緣， 輔助陽(yáng)極系統(tǒng)與被保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)之間電絕緣，否則會(huì)引起“雜散電流”腐蝕。 而對(duì)于因防雷需要而將鉆孔樁、承臺(tái)、墩身、箱梁鋼筋全部連接成回路的橋梁而言，實(shí)施陰極保護(hù)不僅難度大，且可能遭受雷擊。 此外，采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)法時(shí)電流來(lái)源無(wú)法保證， 故該方法可操作性不高。

犧牲陽(yáng)極保護(hù)法是比較適合碼頭鋼結(jié)構(gòu)防腐的方法，設(shè)計(jì)布局相對(duì)容易，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需專人管理，一次投用無(wú)需維護(hù)；投資和運(yùn)行所需一次性成本不高；穩(wěn)定性高，幾乎不存在電位不均勻和電源中斷問(wèn)題；不易產(chǎn)生過(guò)保護(hù)、欠保護(hù)所帶來(lái)的“氫脆”和“電干擾”等現(xiàn)象；避免了強(qiáng)制電流陰極保護(hù)法的各種限制，因此比較適合福建LNG專用卸料碼頭鋼管樁防腐［6-7］。

2.2 碼頭鋼管樁外防腐層篩選

2.2.1 涂層防腐

涂層防腐是應(yīng)用最為廣泛的防腐措施。 由于碼頭鋼管樁長(zhǎng)期處于惡劣的腐蝕環(huán)境中， 使用期間維修困難，一般情況下多采用高性能重防腐涂料防腐，主要品種有環(huán)氧粉末涂料、聚氨酯涂料、改性環(huán)氧玻璃鱗片涂料和聚酯玻璃鱗片涂料等， 目前國(guó)內(nèi)外對(duì)應(yīng)鋼管樁大氣區(qū)、飛濺區(qū)、 潮差區(qū)及全浸區(qū)分別有些應(yīng)用效果較好的組合［8］。

2.2.1.1 大氣區(qū)

大氣區(qū)應(yīng)用效果較好的重防腐涂料組合［9］，見(jiàn)表1。

表1 大氣區(qū)應(yīng)用效果較好的重防腐涂料組合

2.2.1.2 飛濺區(qū)

飛濺區(qū)是整個(gè)鋼管樁腐蝕情況最嚴(yán)重的區(qū)域，也是最難實(shí)現(xiàn)良好防腐效果的區(qū)域，目前針對(duì)飛濺區(qū)防腐涂層主要采用熱噴鋅鋁涂層，涂層組合一般為熱噴鋅鋁涂層+封閉涂層， 厚度達(dá)到200 μm的熱噴鋅鋁涂層在飛濺區(qū)可以起到一定防腐作用［6］。

2.2.1.3 潮差區(qū)

潮差區(qū)因腐蝕環(huán)境比較惡劣，目前多使用玻璃鱗片涂料+富鋅底漆組合，應(yīng)用效果較好［8-9］，見(jiàn)表2。

表2 潮差區(qū)應(yīng)用效果較好的防腐涂料組合

2.2.1.4 全浸區(qū)

全浸區(qū)的腐蝕程度比大氣區(qū)嚴(yán)重， 但比飛濺區(qū)輕。全浸區(qū)一般采用陰極保護(hù)或涂料與陰極保護(hù)的聯(lián)合保護(hù)，很少單獨(dú)采用涂料保護(hù)，原因是目前防銹、防污涂料使用期限很難實(shí)現(xiàn)對(duì)碼頭鋼結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期有效保護(hù)。 目前全浸區(qū)應(yīng)用效果較好的防腐涂料組合見(jiàn)表3。

雖然針對(duì)鋼管樁不同區(qū)域均可選擇合適的涂裝涂料，施工卻是個(gè)很大的問(wèn)題。 困難在于：鋼管樁表面處理除銹和清潔該如何做，尤其是水下部分和受海浪沖擊的部位；水下部分涂漆如何保證涂裝均勻，并減少材料浪費(fèi)；怎樣確立每一工序的施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，以及如何進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)和監(jiān)督；如何克服施工時(shí)鋼管樁區(qū)段受潮位制約的影響因素。 目前針對(duì)以上問(wèn)題雖有不同解決方案，但總體實(shí)施起來(lái)太過(guò)復(fù)雜，難以完全實(shí)現(xiàn)，而且分別涂刷的施工成本也較大。

表3 全浸區(qū)應(yīng)用效果較好的防腐涂料組合

2.2.2 聚乙烯防腐帶防腐

從20世紀(jì)60年代開始，聚乙烯防腐帶就在油氣鋼質(zhì)管道上作為外防腐材料廣泛應(yīng)用。 由于防腐性能優(yōu)良且施工方便，其在管道防腐材料體系中占有一定地位。

聚乙烯防腐帶防腐體系一般由：底漆—防腐帶—保護(hù)帶構(gòu)成，體系中底漆由丁基橡膠和增粘樹脂經(jīng)有機(jī)溶劑配制而成，保證與鋼管具有很好的粘接力；防腐帶由聚乙烯基膜和丁基橡膠膠粘劑組合構(gòu)成，機(jī)械強(qiáng)度和粘接密封性能較好，并且丁基橡膠還具有自融粘接的自修復(fù)功能；保護(hù)帶一般是由機(jī)械強(qiáng)度較好的聚丙烯材料制成。 目前有些改性聚乙烯防腐帶防腐體系可以做到不需要底漆與外保護(hù)帶，直接纏繞依然有良好的防腐效果［10］。

改性聚乙烯防腐帶多年的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)證明聚乙烯防腐帶具有優(yōu)異的使用性［11］。

a）與鋼管粘接較好，剝離強(qiáng)度可以達(dá)到18～30 N/cm，可有效阻止液體介質(zhì)滲入鋼管表面。

b）延展性較好，可在較大溫度范圍內(nèi)應(yīng)用并保持其柔韌性。

c）具有良好的抗陰極剝離性能，在油氣管道及碼頭鋼管樁防腐中可采用陰極保護(hù)與外纏聚乙烯防腐帶兩種方法聯(lián)合防腐，提高防腐效果，且不存在相互排斥的現(xiàn)象。

d）電絕緣性較高和吸水性及水氣滲透率較低。在碼頭鋼管樁防腐中可有效防止水氣滲透，延長(zhǎng)鋼管樁適用壽命。

e）施工工藝簡(jiǎn)單， 首先表面處理無(wú)需很高要求，水面部分除去鋼管樁表面銹跡、脫落漆膜及海生物即可纏繞施工，水下部分可采用高壓水槍清除海生物及其它附著在鋼管樁表面的雜質(zhì)，纏繞施工可采用工具纏繞也可手工纏繞，操作靈活。

f） 目前國(guó)內(nèi)外均有部分改性聚乙烯防腐帶施工不需要涂刷底漆，節(jié)約成本，減少環(huán)境污染。

2011年7至10月， 選用德國(guó)防腐帶供應(yīng)商Vogelsong的C50型新型改性丁基橡膠防腐熱縮帶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 在福建LNG卸料碼頭， 其中一根鋼管樁采用該防腐熱縮帶進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)纏繞實(shí)驗(yàn)， 同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行了模擬水下狀態(tài)的纏繞實(shí)驗(yàn)， 實(shí)驗(yàn)其在水下狀態(tài)中纏繞作業(yè)可操作性及防水效果， 然后將實(shí)驗(yàn)室纏繞的鋼管放入海水中觀察記錄其防腐效果。 結(jié)果顯示此類防腐帶產(chǎn)品施工簡(jiǎn)單，對(duì)表面處理要求較低，且纏繞施工方便，可手動(dòng)纏繞也可用簡(jiǎn)易自制工具纏繞。 觀察記錄三個(gè)月后我們對(duì)防腐效果進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明，鋼管纏繞防腐帶部分的表面情況與剛經(jīng)過(guò)表面處理后的表面情況相同， 無(wú)腐蝕且有金屬光澤，防水效果良好，防腐帶附著情況良好，剝離強(qiáng)度可達(dá)到33 N/cm，粘接性能好。

3 結(jié)論

a）對(duì)碼頭鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行陰極保護(hù)，相比強(qiáng)制電流保護(hù)法，犧牲陽(yáng)極保護(hù)法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，維護(hù)方便，更適合碼頭鋼管樁防腐。

b） 對(duì)碼頭鋼管樁進(jìn)行外防腐，相比涂層防腐，采用改性聚乙烯防腐帶防腐，施工更簡(jiǎn)單，投資更小，防腐效果更好。

綜上所述， 在LNG專用卸料碼頭鋼管樁采用犧牲陽(yáng)極和改性聚乙烯防腐帶聯(lián)合防腐法最佳。

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