海洋浪濺區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕與防護(hù)研究進(jìn)展

張曉麗，呂　平，梁龍強(qiáng)，楊　陽，馮艷珠　（青島理工大學(xué)，山東青島 266033）

專論綜述

海洋浪濺區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕與防護(hù)研究進(jìn)展

張曉麗，呂平，梁龍強(qiáng)，楊陽，馮艷珠（青島理工大學(xué)，山東青島 266033）

海洋浪濺區(qū)腐蝕環(huán)境苛刻，對(duì)海洋鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重。介紹了海洋浪濺區(qū)的范圍，以及鋼鐵在浪濺區(qū)的腐蝕行為和機(jī)理。著重從重防腐涂料保護(hù)、陰極保護(hù)、金屬熱噴涂保護(hù)、熱浸鍍層腐蝕防護(hù)以及包覆層保護(hù)等多個(gè)方面介紹了目前國內(nèi)外常用的浪濺區(qū)腐蝕防護(hù)技術(shù)。

浪濺區(qū)；鋼結(jié)構(gòu)；腐蝕防護(hù)

0　引言

鋼材種類繁多，被廣泛應(yīng)用在海洋資源的開發(fā)和利用過程中，很多大型海洋構(gòu)件都屬于鋼結(jié)構(gòu)。然而鋼結(jié)構(gòu)長期處于海洋環(huán)境中極易發(fā)生腐蝕，尤其是在浪濺區(qū)，有關(guān)調(diào)查顯示：鋼結(jié)構(gòu)在海洋浪濺區(qū)的腐蝕速率最高，是在大氣區(qū)和全浸區(qū)的數(shù)倍。因此，尋求一種高效、適用于浪濺區(qū)的防腐措施關(guān)系到海洋鋼結(jié)構(gòu)的整體安全性及使用壽命。

1　鋼結(jié)構(gòu)在浪濺區(qū)的腐蝕行為

1.1浪濺區(qū)范圍

Humble在1949年最早將海洋浪濺區(qū)定義為海水平均高潮位以上，海水浪花和海水微粒飛濺能波及到的區(qū)帶。后來日本防腐蝕專家渡道經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：浪濺區(qū)在海水平均高潮位以上0～1 m處，最大腐蝕處在海水平均高潮位以上0.5 m處。善一章指出，在港灣中鋼鐵構(gòu)筑物腐蝕最嚴(yán)重處在海水平均高潮位以上0.45～0.60 m處［1］。

在我國，朱相榮和黃桂橋等在不同海域?qū)藶R區(qū)范圍進(jìn)行了試驗(yàn)測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)浪濺區(qū)約在海水平均高潮位以上0～2.4 m處［2］。我國現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范JTS 153—3—2007《海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》對(duì)海港工程鋼結(jié)構(gòu)的部位劃分作出了明確規(guī)定，如表1所示。

1.2鋼結(jié)構(gòu)在浪濺區(qū)的腐蝕機(jī)理

許多研究發(fā)現(xiàn)，浪濺區(qū)比大氣區(qū)和水下區(qū)的腐蝕更嚴(yán)重，主要原因是其受到以日光輻照和干濕交替為主的大氣因素，以溫度變化和氯離子為主的海水因素，以及以海浪和波浪沖擊為主的浪流因素3個(gè)方面的綜合影響［3］。浪濺區(qū)處于海洋環(huán)境表層，日照充足，晝夜溫差大，干濕交替頻繁。干燥和潤濕時(shí)間比例對(duì)離子擴(kuò)散速度有很大影響，干燥時(shí)間越長，毛細(xì)作用越顯著，氯離子滲透速度越大，加上浪濺區(qū)含氧量豐富，鹽分充足，可加速水膜的形成，水膜的蒸發(fā)和凝聚會(huì)導(dǎo)致表面鹽分濃縮從而導(dǎo)致點(diǎn)蝕［4-5］。浪濺區(qū)設(shè)施除受到環(huán)境物理化學(xué)狀態(tài)影響外，還要經(jīng)受海流和波浪沖擊產(chǎn)生的沖刷作用和附加荷載作用，易發(fā)生腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕，加快腐蝕行為的發(fā)生［6-7］。

處在浪濺區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)腐蝕迅速，除了受外界環(huán)境的影響外，還有銹層所起的特殊作用。碳鋼形成的銹層比較疏松，空隙和裂縫較多，可貯存空氣和海水。侯保榮等［8］通過模擬浪濺區(qū)干濕交替環(huán)境，發(fā)現(xiàn)在潤濕過程中銹層作為一種強(qiáng)氧化劑起作用，發(fā)生了Fe3+到Fe2+的還原反應(yīng)；而在干燥過程中，因空氣氧化，銹層中的Fe2+又被氧化為Fe3+。經(jīng)過多次干濕循環(huán)，銹層發(fā)生了氧化-還原-再氧化的循環(huán)反應(yīng)，從而加速了腐蝕。朱相榮［9］等通過對(duì)脫氧和未脫氧下帶銹試片的極化曲線進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：銹層的還原起“去極化劑”的作用，可以加大陰極電流，加速腐蝕。

表1　 海港工程鋼結(jié)構(gòu)的部位劃分Table 1　The parts division of steel structure in the seaport engineering

2　浪濺區(qū)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

海洋鋼結(jié)構(gòu)的安全使用離不開經(jīng)濟(jì)有效的防護(hù)措施。由于浪濺區(qū)腐蝕的特殊性，國內(nèi)外從未停止過對(duì)鋼結(jié)構(gòu)在浪濺區(qū)的防護(hù)對(duì)策研究。經(jīng)過長期的研究發(fā)現(xiàn)，除了不斷改善鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加入合金元素外，目前采用較多的防護(hù)技術(shù)有重防腐蝕涂料保護(hù)、陰極保護(hù)、金屬熱噴涂保護(hù)、熱浸鍍層腐蝕保護(hù)以及包覆層保護(hù)等。

2.1重防腐蝕涂料保護(hù)

相對(duì)常規(guī)防腐涂料而言，重防腐涂料適用范圍更廣，保護(hù)期更長。目前常用的重防腐涂料有無機(jī)富鋅涂料、玻璃鱗片涂料、聚脲彈性體涂料等［1］。

據(jù)美國航空航天局報(bào)告，水性無機(jī)富鋅涂料防腐蝕能力明顯優(yōu)于其他種類的富鋅涂料。魏向陽［10］通過研究發(fā)現(xiàn)：采用水性無機(jī)富鋅涂料作底漆，配用高固體分復(fù)合樹脂防腐涂料作面漆，防腐性能更加優(yōu)越。該配套涂料體系的優(yōu)越性目前已在大型鋼架橋、海岸港口鋼結(jié)構(gòu)、大型軍用船舶等領(lǐng)域得到實(shí)踐驗(yàn)證。隨著研究的深入，水性無機(jī)富鋅涂料的性能不斷改善，近些年問世的水性無機(jī)富鋅涂料的模數(shù)已經(jīng)達(dá)到5.7，而黏度僅為15～17 mPa·s。

玻璃鱗片涂料主要由無溶劑不飽和聚酯樹脂和玻璃鱗片組成。因玻璃鱗片涂料的保護(hù)屏障作用較好，已被日本沿海開發(fā)技術(shù)研究中心推薦用于海洋浪濺區(qū)。李敏等［11］研制了一種高固含量厚漿型環(huán)氧玻璃鱗片涂料，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)：其耐鹽霧性、耐人工海水性等性能均達(dá)到了較高水準(zhǔn)，可有效提高海洋鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命。

黃微波教授［12］選擇純聚脲作為重防腐涂料的主要原材料，采用FTIR（紅外光譜）、DSC（差示掃描量熱法）等方法，分析了純聚脲在人工模擬海洋環(huán)境、自然曝曬、紫外線人工加速老化環(huán)境下的力學(xué)性能、光澤度和分子結(jié)構(gòu)的變化，結(jié)果顯示：相對(duì)于普通防腐涂層，其耐蝕性能更加優(yōu)異，能適應(yīng)較為嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境條件。近年來，該技術(shù)已被國內(nèi)外廣泛采用，美國將其用于圣馬特跨海大橋、各類艦船、海洋平臺(tái)等工程；與此同時(shí)，我國也已成功將其應(yīng)用于青島海灣大橋承臺(tái)、超大型海岸沉箱裝置防腐工程等［13-14］。工程實(shí)踐應(yīng)用表明，聚脲防腐涂層憑借其優(yōu)良的防腐性能、耐老化性能以及耐沖刷性能，可應(yīng)用于浪濺區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的防護(hù)。

2.2 陰極保護(hù)

由于鋼結(jié)構(gòu)在浪濺區(qū)的海水浸泡率過低，不能形成有效的電流回路，因此普通的陰極保護(hù)對(duì)于浪濺區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的防護(hù)具有一定的局限性。

針對(duì)這種情況，美國在處于周期性間浸漬部位的鋼結(jié)構(gòu)物表面充滿鋸屑、膨潤土之類的吸水物質(zhì)，或把石膏、膨潤土和硫酸鈉的混合物包覆在被保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)表面，再在里面埋設(shè)犧牲陽極，使鋼結(jié)構(gòu)作為陰極得到充分保護(hù)［15］。相對(duì)于上述方法，我國黃彥良［16］提出一種更為簡單的防護(hù)方法，即在鋼結(jié)構(gòu)表面引入一層電解質(zhì)膜，以提供陰極保護(hù)電流。

目前在工程實(shí)踐中對(duì)處于浪濺區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)，通常是將陰極保護(hù)和涂層保護(hù)聯(lián)合使用，在兩者的協(xié)同作用下達(dá)到較好的防護(hù)效果。范衛(wèi)國等［17］在杭州灣某化工泊位改造工程中，在鋼管樁表面采用重防腐涂料保護(hù)的同時(shí)選用A2I-C型鋁合金陽極，取得了較好的防腐效果。

2.3金屬熱噴涂保護(hù)

金屬熱噴涂保護(hù)技術(shù)是將加熱到熔融或半熔融狀態(tài)的金屬材料高速噴射到基體表面，在表面形成保護(hù)涂層的一種技術(shù)。

在海洋防護(hù)中常用熱噴涂鋅、鋁或其合金涂層等。雖然熱噴涂鋅涂層使用時(shí)間最早，但其耐久性不好，無法提供長時(shí)間的保護(hù)。相對(duì)來說，熱噴涂鋁涂層具有較好的耐久性和抗沖蝕能力，更加適用于浪濺區(qū)。早在1984年，Hutton公司便將熱噴涂鋁涂層應(yīng)用在海洋平臺(tái)工程中，使浪濺區(qū)受到保護(hù)，未發(fā)生腐蝕，從而表明了該涂層防護(hù)效果良好。美國海洋土木工程實(shí)驗(yàn)室也曾采用試樣懸吊的方式對(duì)噴鋁試樣進(jìn)行了長達(dá)10 a的腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋼樁基本得到良好的保護(hù)［18］。王真［19］通過對(duì)純鋁涂層耐蝕性的研究發(fā)現(xiàn)，純鋁涂層的腐蝕速率會(huì)隨著時(shí)間的延長逐漸變緩，對(duì)基體可以起到長期的保護(hù)作用。周學(xué)杰等［20］對(duì)噴鋅、噴鋁和噴鋅-鋁涂層進(jìn)行了對(duì)比研究，實(shí)海暴露試驗(yàn)結(jié)果表明：在浪濺區(qū)噴鋅-鋁合金涂層防蝕效果最好，涂層變化最?。讳X涂層其次，有局部脫落；鋅涂層最差，有密布的銹點(diǎn)。我國勝利油田曾將鋅-鋁復(fù)合涂層噴涂在部分導(dǎo)管架上，實(shí)際使用結(jié)果表明：該涂層的防腐蝕效果十分明顯。

2.4熱浸鍍層腐蝕防護(hù)技術(shù)

熱浸鍍層是在浪濺區(qū)腐蝕防護(hù)中常用的另一種方法。這種方法是先將鋼材表面進(jìn)行清洗處理，然后浸入到熔融金屬中獲得金屬鍍層。

李焰等［21］曾將熱浸鍍鋅、鋅-鋁-稀土和鋅-鋁-硅鍍層鋼板放置于青島浪濺區(qū)，通過對(duì)其進(jìn)行腐蝕質(zhì)量損失測試和顯微結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)：這3種鍍層試樣在浪濺區(qū)的腐蝕速度均低于在潮差區(qū)和全浸區(qū)的腐蝕速度，其中鋅-鋁-硅鍍層在浪濺區(qū)的抗蝕性能最佳，鋅-鋁-稀土其次，均優(yōu)于熱浸鍍鋅層。Koji Tachibana等［22］也曾將熱浸鍍鋅-鋁合金鍍層鋼暴露在海邊，結(jié)果表明：雙鍍層耐腐蝕性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的鋅鍍層。

2.5包覆層保護(hù)

包覆層保護(hù)通常是指通過在基底材料表面包覆耐蝕性能良好的金屬或非金屬材料，從而使基底材料與腐蝕介質(zhì)相隔開，以達(dá)到控制腐蝕、延長鋼結(jié)構(gòu)使用壽命的一種方法。目前在浪濺區(qū)經(jīng)常使用的有礦脂包覆技術(shù)、包覆金屬或合金護(hù)套、包覆混凝土或其他護(hù)套等。

（1） 礦脂包覆技術(shù)

礦脂包覆技術(shù)是指在鋼結(jié)構(gòu)表面首先涂覆具有良好黏著性、非水溶性、防水性、不揮發(fā)性、電絕緣性等的礦脂材料，再在外部包覆防護(hù)外罩的防腐蝕技術(shù)。

礦脂包覆技術(shù)起源于1925年英國發(fā)明的Denso礦脂防腐蝕系統(tǒng)；20世紀(jì)70年代后期，日本研制出一種適用于碼頭、棧橋及其它外海鋼結(jié)構(gòu)浪濺區(qū)長期耐久的防腐方法，即復(fù)層礦脂包覆防腐技術(shù)（Petrolatum Tape and Covering System，簡稱PTC）；此后中國科學(xué)院海洋研究所成功開發(fā)了該項(xiàng)技術(shù)，并聯(lián)合日本成功地將PTC新型包覆技術(shù)應(yīng)用于我國勝利油田CB22單平臺(tái)浪濺區(qū)的防腐，取得了滿意的效果［23］。

復(fù)層礦脂包覆技術(shù)由礦脂防蝕膏、礦脂防蝕帶、密封緩沖層和防蝕保護(hù)罩四層保護(hù)層組成，其中礦脂防蝕膏是PTC技術(shù)的核心內(nèi)容，它的性能決定了PTC技術(shù)的穩(wěn)定性和耐久性。錢備［24］采用耐溫流動(dòng)性和錐入度檢測方法，結(jié)合中性鹽霧和電化學(xué)交流阻抗試驗(yàn)，對(duì)礦脂防蝕膏的基礎(chǔ)配方進(jìn)行了測試優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)其抗鹽霧腐蝕性受硬脂酸鈣含量的影響較大。張堅(jiān)彬等［25］通過鹽霧試驗(yàn)和電化學(xué)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，防蝕膏和防蝕帶均具有良好的耐蝕性能，可延長保護(hù)物的使用壽命。

PTC技術(shù)可廣泛適用于浪濺區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的防護(hù)，以延長其使用壽命。目前，該技術(shù)已成功用于我國港口碼頭、海洋石油平臺(tái)及海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等工程［23］。其中浙江龍馳防腐技術(shù)有限公司在碼頭靠近海洋平臺(tái)一側(cè)選擇了三根鋼管樁進(jìn)行了示范應(yīng)用；在某濱海發(fā)電廠廠區(qū)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的防腐蝕施工項(xiàng)目也采用了該技術(shù)，呈現(xiàn)出良好的防護(hù)效果。

（2） 包覆金屬或合金護(hù)套

包覆合金護(hù)套通常焊接在鋼結(jié)構(gòu)表面。目前蒙乃爾合金、銅-鎳合金以及不銹鋼材料常被用作海洋浪濺區(qū)的保護(hù)套。

400號(hào)蒙乃爾合金是由美國國際鎳公司生產(chǎn)研制的。據(jù)報(bào)道，該合金護(hù)套曾被用作外海采油平臺(tái)浪濺區(qū)護(hù)板，并在連續(xù)使用20 a后依然保持完好，表明其具有優(yōu)異的耐蝕性能，可廣泛應(yīng)用于海洋鋼結(jié)構(gòu)在浪濺區(qū)的防護(hù)［2］。

銅-鎳合金護(hù)套具有較低的價(jià)格，高度的耐蝕性、可塑性與可焊性等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外海上鋼結(jié)構(gòu)浪濺區(qū)的防護(hù)工程中。在腐蝕環(huán)境嚴(yán)酷的英格蘭莫克姆灣（Morecambe Bay）采氣平臺(tái)浪花飛濺區(qū)的長期應(yīng)用結(jié)果表明，銅-鎳合金護(hù)套防腐效果良好［15］。

不銹鋼護(hù)套也常被用作浪濺區(qū)防護(hù)，這種護(hù)套不僅易于焊接，而且具有較好的抗蝕性能與力學(xué)性能，故而被許多國家和地區(qū)所采用，其中美國的一座海洋采油平臺(tái)采用不銹鋼護(hù)套對(duì)浪濺區(qū)進(jìn)行保護(hù)，取得滿意的效果［26］。

（3） 包覆混凝土護(hù)套或其他護(hù)套

包覆混凝土的方法起源較早，但由于其防護(hù)效果良好，至今還有很多國家使用。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，混凝土包覆層延伸到平均低潮位以下時(shí)方可達(dá)到最佳的腐蝕防護(hù)效果，且混凝土包覆層厚度越大，其防護(hù)壽命越長。

在浪濺區(qū)的防護(hù)有時(shí)也會(huì)采用其他護(hù)套，如德國曾采用橡膠護(hù)套。美國Osmos公司海洋組經(jīng)25 a的研究發(fā)現(xiàn)：采用厚0.76 mm的聚氯乙烯帶包扎鋼管樁得到的防蝕效果較為理想［15］。

3　結(jié)語

海洋環(huán)境腐蝕條件苛刻，而浪濺區(qū)因復(fù)雜的物理化學(xué)條件，常常是全面腐蝕速率最高的區(qū)域。對(duì)海洋浪濺區(qū)腐蝕機(jī)理以及防護(hù)措施的研究，可以為處在海洋環(huán)境中的鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和維護(hù)提供有力依據(jù)。雖然浪濺區(qū)腐蝕與防護(hù)研究已經(jīng)取得大量成果，但浪濺區(qū)的防腐蝕技術(shù)目前仍是研究的薄弱部分，有待進(jìn)一步深入。研究防腐蝕效果更好、成本更低的浪濺區(qū)防護(hù)技術(shù)，對(duì)保護(hù)海洋鋼結(jié)構(gòu)工程、開發(fā)海洋資源具有重大的戰(zhàn)略意義。

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The Research Progress on the Corrosion and Protection of Steel Structure in the Marine Splash Zone

Zhang Xiaoli，Lv Ping，Liang Longqiang，Yang Yang，F(xiàn)eng Yanzhu
（Qingdao Technological University，Qingdao Shandong，266033，China）

The marine splash zone is severely corrosive area in the marine environment，and the corrosion damage of steel structures is rather serious. The range of splash zone，the corrosion behavior and mechanism of steel structures in this area were introduced. The common protection methods including heavy-duty anticorrosive coatings，cathodic protection，metal thermal spraying protection，corrosion protection of hot dip coating and cover protection at home and abroad were introduced in detail.

splash zone；steel structure；corrosion protection

TQ 630.7

A

1009-1696（2016）04-0024-05

2016-02-22

張曉麗，女，青島理工大學(xué)土木工程系，碩士在讀。