海洋鋼結(jié)構(gòu)浪花飛濺區(qū)腐蝕防護(hù)技術(shù)

侯保榮

(中國科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266071)

1 前 言

海洋是藍(lán)色的國土，大力開發(fā)海洋資源、發(fā)展藍(lán)色經(jīng)濟(jì)，和平利用和保護(hù)海洋是我國的重要國策。與海洋開發(fā)相伴而來的就是海洋環(huán)境的腐蝕問題，與其它環(huán)境的腐蝕相比，海洋腐蝕尤為嚴(yán)重。海洋環(huán)境是一種特定的極為復(fù)雜的腐蝕環(huán)境，海水是一種強(qiáng)電解質(zhì)溶液，溫度、鹽度、溶解氧、pH值、流速、海洋生物等環(huán)境因子都是影響腐蝕的重要因素，海洋環(huán)境的腐蝕性比陸地環(huán)境的腐蝕性要高得多。因此，海洋對(duì)于各種結(jié)構(gòu)材料來說都是一種十分嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境。海洋腐蝕所帶來的損失是無法估量的，海洋腐蝕不僅會(huì)使各種基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備和構(gòu)筑物的腐蝕損壞和功能喪失，縮短材料和構(gòu)筑物的使用壽命，造成資源、材料和能源的巨大浪費(fèi)；而且還會(huì)導(dǎo)致突發(fā)性的災(zāi)難事故，引發(fā)油氣泄露，污染海洋環(huán)境，甚至造成人身傷亡。因此，加快發(fā)展戰(zhàn)略性海洋新型防腐蝕技術(shù)，并將其應(yīng)用到海工設(shè)施的防護(hù)中去，及時(shí)抑制海洋腐蝕的發(fā)生，延長其使用壽命，對(duì)保障我國藍(lán)色經(jīng)濟(jì)健康有序的發(fā)展具有重大意義。

2 海洋鋼結(jié)構(gòu)浪花飛濺區(qū)的腐蝕規(guī)律

海洋環(huán)境從上到下可以分為海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、海水潮差區(qū)、海水全浸區(qū)和海底泥土區(qū)等5個(gè)腐蝕區(qū)帶[1]。中國科學(xué)院海洋研究所從20世紀(jì)70年代起就開展了鋼鐵設(shè)施在海洋環(huán)境不同腐蝕區(qū)帶的腐蝕規(guī)律研究[2-4]，并發(fā)明了電連接模擬海洋腐蝕試驗(yàn)裝置與方法，建立了海洋環(huán)境腐蝕模擬裝置[5-6]。

國內(nèi)外長期的海洋腐蝕研究結(jié)果表明[7]，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施在海洋環(huán)境不同腐蝕區(qū)帶其腐蝕速度有明顯差別，其中，浪花飛濺區(qū)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施腐蝕最為嚴(yán)重的區(qū)域，也是最嚴(yán)峻的海洋腐蝕環(huán)境，如圖1所示[8]。

圖1 海洋不同腐蝕環(huán)境區(qū)帶腐蝕速度圖Fig.1 Corrosion rate of different area in marine environment

主要的原因是，在浪花飛濺區(qū)，鋼表面受到海水的周期性潤濕，處于干濕交替狀態(tài)，氧供應(yīng)充分，鹽分不斷濃縮[9-15]；加之陽光、風(fēng)吹和海水環(huán)境等協(xié)同作用導(dǎo)致發(fā)生最嚴(yán)重的腐蝕。一般情況下，鋼在海洋大氣中的平均腐蝕速度約為0.03～0.08 mm/a；而浪花飛濺區(qū)為0.3～0.5 mm/a。同一種鋼，在浪花飛濺區(qū)的腐蝕速度可比海水全浸區(qū)中高出3～10倍。有關(guān)實(shí)驗(yàn)和調(diào)查結(jié)果表明，長期在外海暴露的長尺試件，浪花飛濺區(qū)的腐蝕速度最高可達(dá)1 mm/a以上，而在低潮位以下全浸區(qū)的腐蝕速度僅為0.1～0.3 mm/a。對(duì)于碳鋼和低合金鋼，在海洋腐蝕環(huán)境的5個(gè)區(qū)帶中，浪花飛濺區(qū)是最嚴(yán)重的區(qū)域，這一結(jié)論已被越來越多的工程設(shè)計(jì)者和構(gòu)筑物的使用者所認(rèn)識(shí)和接受。

3 海洋鋼結(jié)構(gòu)浪花飛濺區(qū)腐蝕防護(hù)方法

海洋鋼結(jié)構(gòu)浪花飛濺區(qū)針對(duì)海洋鋼結(jié)構(gòu)浪花飛濺區(qū)的腐蝕防護(hù)措施主要有[8]：①增加腐蝕余量的方法由于會(huì)造成鋼材的浪費(fèi)，局部的孔蝕仍無法避免，存在著安全隱患等很多弊端，已經(jīng)逐漸的不再被采用；②耐海水腐蝕低合金鋼雖然較一般的碳鋼耐腐蝕性能好，但是仍需要采取相應(yīng)的防護(hù)措施，并且也僅僅適用于新建構(gòu)筑物；③無機(jī)、有機(jī)涂層保護(hù)是經(jīng)濟(jì)、有效的方法，但是涂層防護(hù)對(duì)表面處理要求高，并且通常使用的涂層難以滿足長期抗沖擊的要求，涂層在海水沖擊下容易發(fā)生鼓泡和剝落，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的局部腐蝕，用時(shí)對(duì)于正在服役的鋼構(gòu)筑物的表面處理很難達(dá)到涂裝要求；④金屬噴涂具有較好的防腐蝕效果，但現(xiàn)場施工較困難，特別是對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部位施工尤其困難，也需要與其他防護(hù)措施聯(lián)用；⑤包覆蒙乃爾合金、鈦合金、耐海水不銹鋼護(hù)套的方法，耐腐蝕效果好，但其材料價(jià)格昂貴，因而全面推廣應(yīng)用仍受到一定限制。因此亟需一種經(jīng)濟(jì)有效、施工簡便的腐蝕防護(hù)方法，以保證浪花飛濺區(qū)鋼結(jié)構(gòu)物和設(shè)施的長期安全服役。

當(dāng)前，國內(nèi)對(duì)于海洋鋼鐵設(shè)施大氣區(qū)通常采用涂料保護(hù)，海水全浸區(qū)主要采用電化學(xué)保護(hù)，并且取得了較好的保護(hù)效果，見圖2。但是上述技術(shù)對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)在浪花飛濺區(qū)的腐蝕防護(hù)效果不佳。

圖2 海洋鋼結(jié)構(gòu)在不同區(qū)帶的防腐蝕措施Fig.2 Anti-corrosion technology of steel structure in different marine environments

4 復(fù)層礦脂包覆防腐技術(shù)

中國科學(xué)院海洋研究所在承擔(dān)“十一五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目期間，通過與日本中川工業(yè)防腐有限公司、日東電工有限公司等單位國際合作，并通過自主研發(fā)，研究開發(fā)了一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的可帶水操作的海洋鋼結(jié)構(gòu)浪花飛濺區(qū)新型復(fù)層礦脂包覆防腐技術(shù)[8]，并且申請(qǐng)3項(xiàng)國家發(fā)明專利，并制定了3項(xiàng)地方標(biāo)準(zhǔn)[16-18]。

該技術(shù)采用了優(yōu)良的緩蝕劑和隔絕氧氣的密封技術(shù)，由礦脂防蝕膏、礦脂防蝕帶、密封緩沖層和防蝕保護(hù)罩四層緊密相連的保護(hù)層組成，見圖3。

礦脂防蝕膏礦脂防蝕膏是復(fù)層礦脂包覆防腐技術(shù)中主要的防腐蝕材料，也是位于復(fù)層包覆防腐技術(shù)最內(nèi)層的部分，能很好地黏附在需要保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)表面，與被保護(hù)結(jié)構(gòu)物緊密接觸。礦脂防蝕膏中含有多種防銹成分，在潮濕的環(huán)境中具有很好的防腐蝕性能，能夠長期高效穩(wěn)定地使鋼構(gòu)筑在海洋等嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境中免遭腐蝕。

圖3 復(fù)層礦脂包覆防腐技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic of Petrolatum Tape Cover

礦脂防蝕帶礦脂防蝕帶是一種浸漬了特制防蝕材料的人造纖維制成的材料。礦脂防蝕帶所含防蝕材料具有和礦脂防蝕膏相似的成分及性能，除了防蝕作用外，還能夠增強(qiáng)密封性能，提高整體的強(qiáng)度及耐久性。

密封緩沖層密封緩沖層是指安裝在礦脂防蝕帶和防蝕保護(hù)罩之間，起到密封、緩沖外界沖擊作用的材料。一般應(yīng)用于預(yù)制防蝕保護(hù)罩的內(nèi)部，是復(fù)層礦脂防腐技術(shù)中四層防護(hù)體系的重要環(huán)節(jié)。

防蝕保護(hù)罩在礦脂防蝕膏和礦脂防蝕帶外層包覆一個(gè)堅(jiān)固耐久的防蝕保護(hù)罩，可大大提高復(fù)層礦脂包覆防腐技術(shù)的防腐性能和耐久性能。防蝕保護(hù)罩有多種材料可供選擇，應(yīng)用最為廣泛的為玻璃纖維增強(qiáng)保護(hù)罩(FRP)。

復(fù)層礦脂包覆防腐技術(shù)具有更好的抗腐蝕性、更持久的抗疲勞強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度，包覆范圍一般在最低潮位以下1 m到浪花飛濺區(qū)，可以給暴露在該區(qū)帶的鋼結(jié)構(gòu)提供長壽命半永久性的保護(hù)。針對(duì)海洋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施浪花飛濺區(qū)保護(hù)，從防腐蝕全壽命周期維護(hù)的觀點(diǎn)來看，復(fù)層礦脂包覆技術(shù)無疑是最為成熟和最具優(yōu)勢的保護(hù)技術(shù)。

復(fù)層礦脂包覆防腐技術(shù)可以大大延長海洋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施的維修周期，減少維修費(fèi)用、節(jié)省人力物力、提高構(gòu)筑物的耐久性，延長鋼結(jié)構(gòu)物和設(shè)施的使用壽命。該技術(shù)對(duì)暴露于海洋浪花飛濺區(qū)部位的鋼鐵設(shè)施具有廣泛的適應(yīng)性。可應(yīng)用在如跨海大橋、海洋平臺(tái)和港口碼頭等，也可適用于各種腐蝕環(huán)境下的管線保護(hù)。不僅用于已建成的表面難于處理的舊的鋼鐵設(shè)施防腐修復(fù)，還可以用于新建鋼鐵設(shè)施的腐蝕修復(fù)，也可都具有良好的保護(hù)效果。這對(duì)保護(hù)海洋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施的安全運(yùn)行具有極其顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和極其重要的社會(huì)意義。

作為一項(xiàng)有針對(duì)性的專門防腐技術(shù)，復(fù)層礦脂包覆防腐技術(shù)有其獨(dú)到的施工技術(shù)要求，但并不復(fù)雜和困難。海上鋼結(jié)構(gòu)復(fù)層礦脂包覆防腐技術(shù)的主要施工工藝步驟包括工程設(shè)計(jì)、表面處理、涂礦脂防蝕膏、纏繞礦脂防蝕帶、安裝緩沖層和防蝕保護(hù)罩、端部密封等工藝步驟。另外，對(duì)于具有復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的鋼結(jié)構(gòu)，無法使用預(yù)制的玻璃鋼防蝕防護(hù)罩，可現(xiàn)場制作玻璃鋼防蝕防護(hù)罩。為檢查此方法對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕效果，可以通過安裝保護(hù)和未保護(hù)試片的方法，測定其腐蝕速率。一個(gè)浪花飛濺區(qū)包覆防腐工程根據(jù)鋼樁所處腐蝕環(huán)境在具有代表性的1～2個(gè)鋼樁上安裝檢測試片來評(píng)價(jià)該技術(shù)的保護(hù)效果。

5 復(fù)層礦脂包覆防腐技術(shù)實(shí)際應(yīng)用

復(fù)層礦脂包覆防腐技術(shù)具有長效經(jīng)濟(jì)的防腐蝕效果，對(duì)暴露于海洋浪花飛濺區(qū)部位的鋼鐵設(shè)施具有廣泛的適用性。目前，該技術(shù)在日本、英國等沿海國家有較為廣泛的成功應(yīng)用，使用壽命已達(dá)30 年以上。下面是復(fù)層礦脂包覆防腐技術(shù)在國內(nèi)海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)施的一些成功應(yīng)用案例。

現(xiàn)役海洋石油平臺(tái)上的應(yīng)用通過對(duì)淺海平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕規(guī)律的分析及浪濺區(qū)的腐蝕控制和維護(hù)需要，完成了埕島油田CB22單海洋平臺(tái)現(xiàn)場試驗(yàn)，取得了較好的效果。圖4分別為施工前后的平臺(tái)照片。

圖4 石油平臺(tái)修復(fù)前后外觀:(a)施工前，(b)施工后Fig.4 The appearance of the oil platform before and after repairing with PTC

海洋碼頭設(shè)施上的應(yīng)用通過對(duì)國內(nèi)某碼頭腐蝕規(guī)律的分析，對(duì)飛濺區(qū)腐蝕最為嚴(yán)重的鋼管樁進(jìn)行了施工作業(yè)，完成了新型包覆層修復(fù)技術(shù)工程示范，并取得了較好的效果。圖5分別為施工前后的平臺(tái)照片。

圖5 碼頭修復(fù)前后外觀：(a)施工前，(b)施工后Fig.5 The appearance of the pier before and after repairing with PTC

新建采油平臺(tái)上的應(yīng)用通過對(duì)渤海某井組平臺(tái)的分析及浪濺區(qū)的腐蝕控制和維護(hù)需要，對(duì)新建采油平臺(tái)的基礎(chǔ)部分和上部平臺(tái)完成了復(fù)層礦脂包覆防腐技術(shù)工程示范，并取得了較好的效果。圖6分別為施工前后的平臺(tái)照片。

圖6 新建采油平臺(tái)包覆前后外觀：(a)施工前，(b)施工后Fig.6 The appearance of the new oil platform before and after cladding with PTC

海上風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用對(duì)海上風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)施完成了復(fù)層礦脂包覆防腐技術(shù)工程示范，圖7分別為施工后的平臺(tái)照片。

圖7 海上風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)施用PTC包覆后外觀Fig.7 The appearance of wind power infrastructure claded with PTC

6 結(jié) 語

海洋環(huán)境下鋼鐵設(shè)施在浪花飛濺區(qū)的腐蝕最為嚴(yán)重，也是當(dāng)前海洋防腐蝕中最薄弱的環(huán)節(jié)。浪花飛濺區(qū)的腐蝕對(duì)整體鋼結(jié)構(gòu)的壽命起著決定性作用，必須大力開展浪花飛濺區(qū)的腐蝕防護(hù)工作。綜合各種防護(hù)技術(shù)來看，復(fù)層礦脂包覆防腐技術(shù)是國內(nèi)外較為理想的海洋鋼鐵設(shè)施浪花飛濺區(qū)腐蝕防護(hù)技術(shù)。復(fù)層礦脂包覆防腐技術(shù)已經(jīng)被證明為一種長期有效的海洋鋼結(jié)構(gòu)浪花飛濺區(qū)腐蝕防護(hù)技術(shù)。

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