海水冷卻塔的腐蝕機理、防護及其防腐涂層壽命預測的研究現(xiàn)狀

朱彬源

（浙江浙能臺州第二發(fā)電有限責任公司，浙江臺州 317109）

海水冷卻塔是海水循環(huán)冷卻技術中應用到的關鍵結構。特大型海水冷卻塔大多為自然通風逆流式雙曲線冷卻塔，屬于大型鋼筋混凝土構筑物，主要由塔體、蓄水池和塔內(nèi)淋水構件組成。與常規(guī)海洋環(huán)境建筑物相比，海水冷卻塔的腐蝕環(huán)境更為惡劣，塔筒外部受到海洋大氣的鹽霧侵蝕，塔筒內(nèi)部處于高溫、高濕的濃縮海水及鹽霧水汽環(huán)境，塔筒頂部還受到紫外線輻照的影響，所以海水冷卻塔混凝土的腐蝕速度遠高于一般海洋環(huán)境建筑物，所以耐久性是海水冷卻塔面臨的很嚴峻的問題。

因為海水冷卻塔所處的腐蝕環(huán)境十分復雜，同樣也非常惡劣，所以僅僅從提升鋼筋混凝土的性能出發(fā)，無法保證海水冷卻塔的耐久性和足夠的使用壽命。目前，對海水冷卻塔采用的最有效的防護途徑是在其表面涂裝有機防護涂層。

本文主要介紹了海水冷卻塔用鋼筋混凝土在服役過程中的腐蝕機理及其防護涂層的研究現(xiàn)狀，以期對以后海水冷卻塔的防護工作提供一定的參考。

1 海水冷卻塔的腐蝕機理

鋼筋混凝土結構在服役過程中受到外在腐蝕性物質(zhì)的影響，表現(xiàn)出腐蝕劣化的現(xiàn)象。鋼筋混凝土的腐蝕主要包括鋼筋的腐蝕和混凝土的劣化。

因為覆蓋鋼筋的混凝土中有大量的微孔結構，使得外界腐蝕性離子如Cl-、SO42-、CO32-等容易擴散至鋼筋的表面，導致鋼筋發(fā)生腐蝕。鋼筋的腐蝕過程是首先產(chǎn)生點蝕，隨后便出現(xiàn)大面積的腐蝕。鐵轉化成鐵銹，使得其體積增大，導致混凝土因鋼筋膨脹而開裂、起鼓、剝落。腐蝕作用降低了鋼筋的力學性能，容易導致鋼筋突然斷裂或造成事故。

由于含鹽的海水會滲入混凝土微孔當中，與混凝土中的相關物質(zhì)發(fā)生化學反應后，會產(chǎn)生結晶，導致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應力，直至開裂。

除了三種腐蝕性離子對鋼筋混凝土的侵蝕之外，還存在著微生物腐蝕和凍融循環(huán)作用等因素對鋼筋混凝土的破壞作用。

總體上來說，海水冷卻塔混凝土的腐蝕破壞是多因素復合作用的結果，其中Cl-、SO42-、CO32-是主要原因。當幾種因素共同作用下，混凝土的腐蝕程度大于單一因素的腐蝕作用。

2 海水冷卻塔的防護

為了提高海水冷卻塔的服役壽命，需要解決混凝土的耐久性問題，一般的解決途徑有兩種：①優(yōu)化混凝土的配方，提高混凝土的耐海水腐蝕能力；②在混凝土表面涂覆防腐涂層，提高混凝土的阻隔性能。在實際應用中，一般在采用高性能混凝土的基礎上，在其表面涂裝防護涂層來阻止腐蝕介質(zhì)的侵蝕，預防和延緩混凝土的腐蝕破壞，提高混凝土的服役壽命。

3 海水冷卻塔防腐涂層的失效機制

雖然可以通過在冷卻塔表面涂覆有機涂層可以明顯提升冷卻塔的防護能力。但是，涂層結構中存在的微孔、縫隙和裂紋等微觀缺陷為外界腐蝕介質(zhì)滲入提供了微觀通道。腐蝕介質(zhì)通過涂層的缺陷進入海水冷卻塔中之后，會不斷對其造成侵蝕，最終導致涂層防護作用的失效。

分析認為，海水冷卻塔防腐涂層的失效過程為：在開始階段，涂層的防護性較好，雖然涂層中的微觀缺陷為水、氧和其他腐蝕性離子的滲入提供了擴散通道，腐蝕介質(zhì)通過吸附、擴散和溶滲作用進入涂層，但尚未到達混凝土內(nèi)部；經(jīng)過一段時間的傳輸后，腐蝕介質(zhì)到達混凝土內(nèi)部，電化學腐蝕反應隨即開始發(fā)生。一方面，腐蝕介質(zhì)促使鋼筋發(fā)生腐蝕；另一方面，酸性的腐蝕介質(zhì)與堿性的混凝土發(fā)生反應，使得混凝土的理化性質(zhì)發(fā)生變化，最終導致混凝土材料發(fā)生溶脹變形，涂層隨即發(fā)生變形、脫落。

此外，涂層在服役過程中，太陽光輻射、海水的沖刷作用等都能進一步加劇涂層的失效。

為浙江某沿海電廠的海水冷卻塔服役一定時間后，有機涂層在腐蝕介質(zhì)腐蝕、海水沖刷、陽光照射等的共同作用下，涂層出現(xiàn)了不同的程度的破壞，肉眼可見泛黃、失光、剝落、開裂。

圖1 浙江某沿海電廠海水冷卻塔表面上有機防護涂層服役一定時間后的照片

4 海水冷卻塔防腐涂層的壽命預測

作為一種基本的防護材料，海水冷卻塔防腐涂層的使用壽命對被防護的混凝土結構的使用影響重大，直接影響了被保護構件的性能及壽命。在生產(chǎn)實踐中，經(jīng)常需要對在役的防腐涂層進行檢測和維修，對其性能進行量化評估，為判斷涂層能否繼續(xù)使用提供依據(jù)。

國內(nèi)很多學者對混凝土防腐涂層的使用壽命的預測進行了研究。常用的研究方法是結合現(xiàn)場暴露試驗和實驗室人工加速模擬實驗，通過兩者之間的相關性，對防腐涂層的服役壽命進行預測。

人工加速模擬實驗可以根據(jù)需要加快腐蝕進程從而縮短實驗周期，具有易實現(xiàn)、可重復性強、周期短等特點，因此成為最普遍采用的腐蝕實驗方法。海洋混凝土腐蝕實驗關注的環(huán)境參數(shù)包括溫度、濕度、風力風向、侵蝕離子種類及含量和pH等，室內(nèi)實驗可以根據(jù)研究目標所需要的環(huán)境參數(shù)，有目的剔除其他的干擾變量，并且在室內(nèi)可采用的測試手段也更加多樣。宋立元在制作的試樣中預先加入一定量的氯化鈉，并通入電流來加速鋼筋的銹蝕，通過實驗的損傷形態(tài)研究涂層的防護性能。劉志勇分別模擬大氣區(qū)鹽霧與碳化共同作用和潮差區(qū)凍融與干濕循環(huán)共同作用下混凝土的耐久性實驗，依據(jù)國外的相關規(guī)范和文獻并結合實驗儀器確定實驗參數(shù)變化范圍，制定實驗程序，建立了適用于海洋混凝土的壽命預測模型。

雖然實驗室模擬實驗已經(jīng)比較成熟和完善，但是即使最先進的模擬設備也難以重現(xiàn)實際的自然環(huán)境。因此，建立海洋環(huán)境暴露試驗站是獲得與實際自然環(huán)境相一致的評價指標最可靠方法，其測試結果可用于修正模擬實驗中的偏差，目前世界上已經(jīng)建立一些了針對不同氣候環(huán)境的暴露試驗站。世界上率先創(chuàng)建的海洋暴露試驗站的國家是美國，位于芬迪灣 Treat Island 海洋暴露試驗站。隨后，荷蘭、德國、法國和中國等國家也都陸續(xù)在沿海地區(qū)建造了海洋暴露試驗站。根據(jù)海港地區(qū)的氣候特點，我國分別在青島、廈門、榆林和舟山等地建立海水腐蝕試驗站，形成全國海水腐蝕試驗站網(wǎng)。

Cheewaket 等將粉煤灰混凝土置于海洋現(xiàn)場暴露10年，研究了混凝土的抗壓強度、水灰比和粉煤灰摻量等因素對耐侵蝕能力的影響。結果發(fā)現(xiàn)，降低水灰比和提高粉煤灰摻量都能明顯降低氯離子擴散系數(shù)。在實際應用中，要綜合考慮使用合適的配比。 Wu等對北部灣三個地區(qū)的混凝土結構氯離子濃度進行了現(xiàn)場測試，研究了氯離子擴散系數(shù)隨時間變化的老化因數(shù)，結果表明，飛濺區(qū)對混凝土結構耐久性的影響比潮汐區(qū)和大氣區(qū)更為嚴重。

室內(nèi)模擬實驗擁有諸多優(yōu)點，但是僅根據(jù)短時間室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)預測混凝土結構在真實海洋環(huán)境下的耐久性略微缺乏說服力；室外實驗暴露試驗的數(shù)據(jù)可靠性較高，但是時間周期較長。因此，考察模擬環(huán)境與真實環(huán)境中海洋混凝土腐蝕規(guī)律的相關性，并依據(jù)相關性對涂層的壽命進行預測，成為相關學者的研究重點。金立兵提出了“多重環(huán)境時間相似理論”，該理論選取第三方為參照物，參照物和研究對象有相同或相似的環(huán)境條件，并且具有一定的服役年限，依次建立了室內(nèi)模擬與海洋環(huán)境之間的相似關系，并利用該理論結合室內(nèi)模擬對杭州灣跨海大橋的耐久性進行了預測，預測結果與實際趨勢基本一致。王晶晶等研究了環(huán)氧涂層在室內(nèi)紫外人工老化和室外海洋環(huán)境中自然老化之間的關聯(lián)性，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)人工老化的效果強于自然海洋環(huán)境中涂層的老化效果，還通過光澤度測試得出涂層的老化加速因子約為5。張順淇等通過研究防腐涂層的色差變化，研究了實驗室加速老化和自然環(huán)境暴露兩種方法之間的相關性，通過相關系數(shù)確定與自然暴露最為接近的實驗室加速老化工藝，從而對涂層的服役壽命進行預測。

目前對于海水冷卻塔防腐涂層的壽命預測的研究較多。但是其研究方法總體上來說還是以實驗室模擬實驗結合室外暴露實驗的方式進行，通過實驗考察兩者之間的相關性，最終實現(xiàn)對涂層壽命的服役壽命進行預測。但是，對于每種涂層壽命預測的方法還只是側重在一兩個因素，而涂層在服役過程中往往會受到多種因素的相互作用，且其服役環(huán)境也會隨著天氣等因素的變化瞬息萬變。因此，目前該領域的研究還存在著很大的局限性，還有很多可以繼續(xù)深入研究的地方。

海水冷卻塔的平穩(wěn)運行直接影響著電廠的生產(chǎn)效率，因此保證海水冷卻塔的安全意義重大。因為影響海水冷卻塔的腐蝕過程的因素較多，所以目前還沒有一套行之有效的預測其防腐涂層服役壽命的科學方法。借鑒前期研究人員的相關研究成果，結合海水冷卻塔的實際服役環(huán)境，通過實驗室加速實驗和現(xiàn)場試驗相結合的方式，才能探索出一套適合預測海水冷卻塔的服役壽命的科學有效的方法。

5 結語

海水冷卻塔是電廠發(fā)電過程中應用到的關鍵結構，海水冷卻塔在服役過程中會受到腐蝕性介質(zhì)、微生物、紫外線輻照等因素的破壞作用，因此其服役過程中的耐久性是一個極其重要的問題。為了提升海水冷卻塔的服役壽命，往往需要在其表面涂覆有機防腐涂層。有機防腐涂層在服役過程中長期受到侵蝕破壞而逐漸導致防護失效，因此需要定期對涂層進行維護和更換。為了掌握涂層的維護、更換時間，需要通過涂層的壽命預測技術來提供正確有效的指導。國內(nèi)外研究人員對海水冷卻塔防腐涂層的壽命預測進行了大量的研究，但是受限于目前的檢測技術以及實際環(huán)境的復雜性，該研究還存在著很大的局限性，需要進一步深入系統(tǒng)的研究。