海洋環(huán)境鋼結(jié)構(gòu)件防腐蝕涂裝的選用

夏錫瑞

（中國(guó)電力工程有限公司，北京 100048）

海洋環(huán)境結(jié)構(gòu)物分為海岸結(jié)構(gòu)物和海上結(jié)構(gòu)物。海岸上的結(jié)構(gòu)物設(shè)施有碼頭機(jī)械設(shè)備、海岸電廠、海岸鐵道、運(yùn)輸設(shè)備及其他設(shè)施結(jié)構(gòu)物等，這些設(shè)備結(jié)構(gòu)受到海洋大氣環(huán)境的腐蝕。海上結(jié)構(gòu)物包括，海洋石油鉆井平臺(tái)及相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備、艦船、海上大橋、港灣棧橋等。相對(duì)于海岸結(jié)構(gòu)物，海上設(shè)備結(jié)構(gòu)的腐蝕更加嚴(yán)酷。僅靠金屬結(jié)構(gòu)物自身的抗蝕能力，很難達(dá)到預(yù)期效果[1-5]。

1 結(jié)構(gòu)物區(qū)域

典型的海洋結(jié)構(gòu)區(qū)域的劃分如圖1所示。

在海水飛濺區(qū)，由于干-濕交替作用，陽(yáng)光紫外線(xiàn)暴曬使有機(jī)涂層產(chǎn)生粉化、變色等。在全浸區(qū)和潮差區(qū)的水下部分，有機(jī)涂層的主要破壞形式為起泡、生銹、脫落。海水環(huán)境中有機(jī)涂層起泡是最普通的早期破壞現(xiàn)象。起泡通常是漆膜局部喪失防腐蝕能力的最早外觀表征。表現(xiàn)為：吸水腫脹、氣體起泡、滲透壓引起發(fā)泡、損傷起泡等[6-9]。

圖1 大型海洋構(gòu)造物

張三平等曾對(duì)數(shù)種無(wú)機(jī)富鋅和有機(jī)（環(huán)氧）富鋅涂層，參照美軍標(biāo)準(zhǔn)DOD-P-24648方法：將150mm×75mm面積試樣中部保留?40mm的圓面積不涂保護(hù)層，露出基體。試樣浸入人造海水（室溫）中，觀察出現(xiàn)紅銹的時(shí)間。結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種環(huán)氧富鋅涂層的試樣中部出現(xiàn)紅銹，幾種無(wú)機(jī)富鋅涂料無(wú)紅銹產(chǎn)生。這是由于鋅粉犧牲陽(yáng)極作用使鐵得到了保護(hù)。在顏料中加入鉻酸鹽、磷酸鹽可使鋼鐵發(fā)生陽(yáng)極鈍化，而阻滯腐蝕的陽(yáng)極反應(yīng)。另外，提高涂層與底金屬的結(jié)合力，可增加金屬電化學(xué)腐蝕的阻抗[10]。

2 海洋環(huán)境結(jié)構(gòu)物防腐涂裝

由于在海洋環(huán)境中使用的結(jié)構(gòu)物金屬材料的腐蝕受多種因素的控制，且各種不同區(qū)帶條件下，影響腐蝕的作用因素又有不同。因此在海洋環(huán)境結(jié)構(gòu)物防腐涂裝的設(shè)計(jì)上，首先應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)物所處的環(huán)境條件，另外還應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)物的保護(hù)壽命，施工環(huán)境條件、造價(jià)等因素，來(lái)選擇涂層體系和涂裝施工。

2.1 涂裝設(shè)計(jì)的重要因素

涂裝設(shè)計(jì)的因素見(jiàn)圖2。

設(shè)計(jì)要素中，保護(hù)年限是一個(gè)抽象的概念，應(yīng)提出涂層的維修年限或需要更替涂層的年限。在這個(gè)年限內(nèi)，金屬結(jié)構(gòu)物的銹蝕程度應(yīng)控制在什么范圍，涂層表面狀態(tài)破壞在一個(gè)什么樣的程度內(nèi)。結(jié)構(gòu)物的部位不同，選擇涂料有所差別，在水下，應(yīng)更注重涂層的抗?jié)B透性，而在水線(xiàn)上或大氣區(qū)，面漆耐紫外光的老化非常重要。在維修周期的確定上，應(yīng)考慮采用何種監(jiān)測(cè)或檢測(cè)手段來(lái)判明涂層的破壞程度。維修條件應(yīng)根據(jù)舊涂層的破壞程度和表面狀態(tài)確定涂層表面的調(diào)整和涂裝的厚度范圍等[10-13]。

2.2 海洋環(huán)境對(duì)防腐涂層破壞的主要因素

2.2.1 海生物附著污損對(duì)涂層耐蝕性影響

海生物附著對(duì)保護(hù)涂層特別是有機(jī)涂層的耐海水腐蝕性能有很大影響。附著力強(qiáng)的海生物如藤壺、牡蠣對(duì)涂層的機(jī)械剝離破壞，因涂料性能不同而有差異。對(duì)于氯化橡膠、氯硫化聚乙烯類(lèi)涂料，海生物附著剝離后對(duì)面漆有破壞。高性能涂層由于涂層抗拉強(qiáng)度高、附著力強(qiáng)，能有效抵抗海生物附著的機(jī)械破壞。而一些涂層本身機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)合力較低，因此抗這種機(jī)械損傷的能力差。

圖2 結(jié)構(gòu)物防腐涂裝設(shè)計(jì)要素圖

2.2.2 氯離子對(duì)涂層和金屬腐蝕性影響

通過(guò)對(duì)氯離子在涂膜中滲透過(guò)程的研究，在有涂膜的情況下，水與氧能在較短時(shí)期滲透到金屬表面而引起早期腐蝕，而裸金屬在腐蝕初期氯離子就起作用。氯離子的存在對(duì)有機(jī)涂層的破壞不像對(duì)金屬腐蝕那樣大，但由于海水滲透過(guò)涂層膜，對(duì)基底金屬腐蝕影響較大，基底金屬的腐蝕使涂膜喪失結(jié)合力，產(chǎn)生起泡。

2.2.3 海水中其他腐蝕因素影響

海水中溶解氧量增大，使氧在涂膜中的滲透量也會(huì)相應(yīng)增加，因此加速涂層下金屬的腐蝕。海水溫度對(duì)海生物生長(zhǎng)繁殖以及在涂層上附著的隨機(jī)性，都可能對(duì)保護(hù)層的防護(hù)性能產(chǎn)生或好或壞的影響。海水流動(dòng)使海水中含氧量增加，流動(dòng)海水可降低金屬腐蝕的表面擴(kuò)散層厚度，而加速腐蝕。這種作用對(duì)于金屬?lài)娡繉邮窍嗤?，但在流速不高的情況下，對(duì)有機(jī)涂層的腐蝕影響不明顯[6，11]。

3 海洋環(huán)境對(duì)防蝕涂層的性能要求及其選用

用于防腐蝕涂裝的涂料性能，應(yīng)在服役條件下能滿(mǎn)足規(guī)定使用期內(nèi)的防護(hù)要求。防腐蝕涂裝對(duì)涂膜性能的主要要求見(jiàn)表1。不同類(lèi)型的涂料性能和對(duì)處于不同環(huán)境條件的海洋結(jié)構(gòu)物的防護(hù)能力見(jiàn)表2。

4 新型海洋防蝕涂料

由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展及環(huán)境保護(hù)的需要，對(duì)于防蝕涂料的環(huán)境適應(yīng)性的要求也愈來(lái)愈高，具有發(fā)展前途的新型涂料，一方面在制造施工過(guò)程中注意對(duì)環(huán)境的“零”污染，另外在使用中盡量提高涂層的防護(hù)壽命以減少維護(hù)次數(shù)，以達(dá)到節(jié)省資源的目的[11，14，15]。表3列出了一些有發(fā)展前途的涂料。

表1 防蝕涂裝性能的要求

表2 防蝕涂料的特性和對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物的適應(yīng)性

表3 常用涂料與省資源型涂料

水下大型鋼結(jié)構(gòu)物由于固定，在維護(hù)涂層時(shí)很難按正常涂層條件施工，此時(shí)需用特殊的水下涂層帶水進(jìn)行涂覆，對(duì)其有如下要求：

（1）涂料在水中能在鋼鐵表面附著并固化成膜，首先應(yīng)具有親水性和一定的憎水性。在涂料配方設(shè)計(jì)中親水性和憎水性要達(dá)到一個(gè)最好的平衡。

（2）基料的選擇：主要有環(huán)氧樹(shù)脂、煤焦油和焦油瀝青、聚酯樹(shù)脂、環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂和聚氨酯等，其中以低黏度的環(huán)氧樹(shù)脂最好。

（3）潤(rùn)濕劑的選擇：選用兼有潤(rùn)濕和固化雙重作用的潤(rùn)濕劑最為理想。潤(rùn)濕劑的選用要與基料和固化劑相配合。

（4）固化劑的選擇：應(yīng)具有在水中使基料固化而又不被水乳化的特性。目前較多新型水下固化劑如酮亞胺、帶酮亞胺基的多胺衍生物（701固化劑）、環(huán)氧化聚丁二烯、多胺類(lèi)縮合無(wú)（731固化劑）酚醛變性酮亞胺等。

（5）其他助劑：有填充劑、稀釋劑、促進(jìn)劑和防老化劑等都根據(jù)基料和固化劑的類(lèi)型來(lái)選用，使其起到增強(qiáng)水中附著力和固化膜的強(qiáng)度及其他性能和施工性能等。