海洋构筑物浪花飞溅区腐蚀与防护技术-20090619

海洋构筑物浪花飞溅区腐蚀与防护技术侯保荣中国科学院海洋研究所青岛市南海路7号266071E-mail：[e-mail]一、腐蚀的危害腐蚀与国家经济建设和国防建设的关系十分密切，但由于腐蚀与防护是跨行业、跨部门、带有共性的科学技术，很少直接创造经济效益。同时，腐蚀是一种悄悄在进行的破坏，不易发现，不像地震和火山等自然灾害那样引人关注。所以对于腐蚀造成的破坏和损失往往给人的印象不那么深刻。据统计，腐蚀损失约占国民生产总值的2~4%。美国于2002年发布的本国第7次腐蚀损失调查结果表明，1999至2001年间，美国每年的直接腐蚀损失是2760亿美元，约占其GDP的3.1%。我国2008年国内生产总值超过30万亿元，如按腐蚀约占GDP的3%计算，2008年我国因腐蚀所造成的经济损失超过9000亿元人民币。除造成经济损失之外，腐蚀还造成金属资源和能源的浪费、构筑物和设备的破坏、环境的污染，产品质量的降低，引起人员伤亡，并有可能阻碍新技术的发展。目前，我国在海洋油气田开发、港口建设、跨海大桥、海底隧道、船舶工程和深海勘探等领域已建和在建大量的各种钢结构及钢筋混凝土结构设施，一旦这些设施发生灾害性腐蚀，将会导致巨大灾害性破坏和巨大经济损失。如果我们的研究和防护工作做得好，其中25~40%的腐蚀损失是完全可以避免的。发展海洋腐蚀防护技术，特别是钢铁设施关键部位的防腐蚀技术，对于降低重大灾害性事故发生，延长海上构筑物的使用寿命具有重大意义。二、浪花飞溅区腐蚀严重性海洋环境可以分为海洋大气区、浪花飞溅区、海水潮差区、海水全浸区和海底泥土区五个腐蚀区带。我国从上世纪70年代起开展了钢铁设施在海洋环境不同腐蚀区带的腐蚀规律研究，并发明了电连接模拟海洋腐蚀试验装置与方法，建立了海洋环境腐蚀模拟装置。国内外长期的海洋腐蚀研究结果表明，钢结构设施在海洋环境不同区带的腐蚀速度有明显差别，其中，浪花飞溅区是钢结构设施腐蚀昀为严重的区域。海水潮差区海水全浸区海底泥土区高潮位低潮位海泥线腐蚀速度浪花飞溅区海洋大气区图2.三种海洋用钢在青岛海区的腐蚀规律图1.海洋环境腐蚀倾向示意图图1是海洋钢结构在不同腐蚀区带的腐蚀倾向示意图。图2是海洋用钢在我国海域的实际腐蚀规律图。图3为工程钢桩在海洋环境不同区域10年后的腐蚀深度状况图。可以看出，浪花飞溅区部位的腐蚀昀为严重。主要的原因是，在浪花飞溅区，钢表面受到海水的周期性润湿，处于干湿交替状态，氧供应充分；加之阳光、风吹和海水环境等协同作用导致发生昀严重的腐蚀。一般情况下，钢在海洋大气中的平均腐蚀速度约为0.03~0.08毫米/年；而浪花飞溅区为0.3~0.5毫米/年。同一种钢，在浪花飞溅区的腐蚀速度比海水全浸区中高出3~10倍。有关实验和调查结果表明，长期暴露在外海的长尺试件，浪花飞溅区的腐蚀速度昀高可达1毫米/年以上，而在低潮位以下-0.3米全浸区的腐蚀速度仅为0.l~0.3毫米/年。图3.工程钢桩在海洋环境不同区域10年后腐蚀深度由此可见，钢结构设施在浪花飞溅区部位的腐蚀十分严重。一旦在这个区域发生严重的局部腐蚀破坏，会使整座钢结构设施大大降低承载力，缩短使用寿命，影响安全生产，甚至导致设施提前报废。三、浪花飞溅区防腐技术目前，国际上针对浪花飞溅区采取的防腐技术主要有：（1）包覆金属、合金或非金属材料。如包覆蒙乃尔合金护套(板)、铜—镍合金（90-10，70-30）、不锈钢、牺牲钢和包覆混凝土等。（2）涂层保护技术。有机涂层：如环氧沥青漆、乙烯基涂料、无溶剂环氧涂料、玻璃鳞片涂料等；无机涂层：富锌涂料，锌铝伪合金涂层等。其中锌铝伪合金涂层技术，将纯锌丝和纯铝丝作为电弧的两个熔化极，通过电弧喷涂方法获得铝含量接近30%（wt）的防腐性能优异的伪合金涂层，然后涂装相应的配套封闭涂层，可为浪花飞溅区钢结构提供长效防腐。（3）采用耐海水钢。例如美国1951年研制的Ni-Cu-P系的“玛丽娜”钢；法国研制的Cr-Al系的耐海水钢APS；日本新日铁开发的NK马丽尼50、三菱制钢的NER-TEN50及60和神户制钢所的TaicorM50；德国研制的HSB55C钢(Ni-Cu-Mo系)，它们在海洋浪花飞溅区都具有较好的耐腐蚀性能。国内对于海洋钢铁设施大气区通常采用涂料保护，海水全浸区主要采用电化学保护，并且取得了较好的保护效果。而在浪花飞溅区，涂料和电化学保护都不能发挥有效的保护作用。通常使用的涂料，在海水冲击下容易发生鼓泡和剥落，局部腐蚀十分严重。普通的阴极保护由于不能形成电流回路，在这个部位也不能发挥作用。因此，发展长期有效的浪花飞溅区防腐蚀技术对保护海洋钢结构设施的安全运行具有极其重要的经济价值和社会意义。四、浪花飞溅区新型防腐蚀技术浪花飞溅区处于昀苛刻的腐蚀条件下，所以其防腐蚀问题需要引起人们的特别重视。当前，国内对解决海洋钢结构物的大气和水下部位的腐蚀问题已获得较大进展，但对浪花飞溅区这个关键部位的腐蚀问题，尚未有成熟、经济长效的防护方法。国外发达国家从上世纪七十年代开始研究，目前已成功研制出一些防护新材料，在施工技术上也积累了丰富的经验，特别是近几年有较大突破，已能成功地解决这个部位钢的腐蚀防护问题。采用先进的防腐措施，不但能延长维修周期，节省昂贵的维修保养费用，确保生产正常进行，还可以大大延长钢铁设施的使用寿命。针对目前浪花飞溅区腐蚀昀严重这一现状，中国科学院海洋研究所与国外有关单位合作，联合研究开发了适合码头、海洋桥梁、海洋石油平台等钢铁设施浪花飞溅区的新型包覆防蚀技术。图4为海洋钢铁设施腐蚀倾向与防腐措施。海底泥土区海水全浸区海水潮差区浪花飞溅区海洋大气区海底腐蚀速度平均低潮线平均高潮新型包覆防蚀技术涂层技术电化学保护技术图4海洋钢铁设施腐蚀倾向与防腐措施1、包覆技术保护原理和保护体系构成包覆技术采用了优良的缓蚀剂成分并采用了能隔绝氧气的密封技术。该包覆防蚀系统由四层紧密相连的保护层组成，即防蚀膏、防蚀带、聚乙烯泡沫衬里和玻璃钢或者增强玻璃钢防蚀保护罩。图5是包覆技术的结构构成示意图。防蚀膏和防蚀带作为防腐蚀保护材料涂抹、缠绕在钢铁设施表面上；聚乙烯泡沫衬里和玻璃钢防蚀保护罩作为外防护层包覆在钢铁设施外表面。其中防蚀膏和防蚀带添加有抗腐蚀材料,具有优良的保护性、粘附性、与水和空气隔绝性，并且长期不会变质，它们强有力地粘附在钢铁设施表面达到长效的防腐蚀效果。另外，用一个坚硬的固体玻璃钢保护罩保护防蚀带，可以达到更好的保护效果。支撑卡箍防蚀保护罩螺栓和螺母挡板钢桩防蚀膏防蚀带聚乙烯泡沫衬里图5包覆技术结构示意图2、包覆技术施工工艺介绍包覆技术施工工艺比较简单，可以分为四个步骤。表面处理：除掉钢材表面贝类、海藻、浮游生物、浮锈等，满足ISOSt2标准要求。涂防蚀膏：在钢结构表面均匀涂抹专用防蚀膏。缠绕防蚀带：使用专用防蚀带，起始处缠两层，然后依次叠加1/2，保证各处均有2层以上防蚀带覆盖。固定防护罩：将防护罩安装固定在钢结构设施上，用螺栓紧固，两端涂封水中固化树脂，施工完成。3、包覆技术主要特点*防腐效果优异，有效防护效果达30年以上。*施工方便，表面处理简单，可带水作业。*可适用于任何形状结构物*具有良好密闭性和抗冲击性能*质量轻，对结构物几乎无附加载荷*绿色环保，无毒无污染4、包覆技术应用范围包覆技术具有长效经济的防腐蚀效果，对暴露于海洋浪花飞溅区部位的钢铁设施，具有广泛的适用性。这些钢铁设施包括各种钢结构和钢筋混凝土设施，如跨海大桥、钻采平台和港口码头等；包覆技术也可应用于各种腐蚀环境下的地下管线保护。该技术不仅可以用于新建钢铁设施的腐蚀防护，对于已建钢铁设施的腐蚀修复，更具有良好的保护效果。目前，该技术在日本、英国等沿海国家有较为广泛的成功应用，使用寿命已达30年以上。国际上日本、荷兰、美国等沿海工业化国家，十分重视海洋设施的腐蚀防护工作，浪花飞溅区一般都采取了严格的防腐蚀措施。目前，我国已建和在建大量的钢铁和钢筋混凝土海洋设施，如海洋石油平台、跨海大桥、海港码头等，如果腐蚀问题特别是浪花飞溅区的腐蚀不能够引起重视和得到解决，将会危及这些基础设施的服役寿命。包覆技术因其显著的长效防腐蚀性能、广泛的环境适用性和防护专一性，已受到国内外业主的青睐，是一种非常有发展前途的浪花飞溅区保护技术。图6为包覆技术应用实例。施工前施工后图6包覆技术应用实例五、海洋环境钢筋混凝土腐蚀与防护技术1、钢筋混凝土结构的腐蚀海洋是昀苛刻的自然腐蚀环境，各种海洋工程设施不可避免地要遭受海水、海洋大气及更为苛刻的飞溅区、潮差区的腐蚀。目前我国的海港、桥梁、隧道以及海岸工程等海洋工程建设蓬勃发展。钢筋混凝土是海洋工程中用量昀大的建筑材料，是世界上应用昀为广泛的结构形式。世界每年消耗的混凝土量不少于45亿立方米。我国每年在混凝土结构上的耗费超过千亿元。混凝土耐久性是当今世界的重大问题之一，特别是海工工程、跨海大桥等，如果期望获得一百年乃至更长的使用寿命，就不能不高度重视和认真对待“耐久性”问题。图7为海洋环境中混凝土结构的腐蚀状况。图7海洋环境中混凝土结构的腐蚀状况混凝土是复合的人工材料，具有多孔性，显微裂缝结构和较粗糙的表面。由于混凝土和钢筋的变形性不同，导致结构表面产生较大的变形，出现局部显微裂缝和大裂缝（0.1～0.3mm）。混凝土表面的粗糙度和多孔性，为其表面吸收水分创造了条件。促使钢筋混凝土腐蚀劣化的原因有：中性化、冻害、氯离子侵害和碱-骨料反应等。美国学者用五倍定律形象的描述了混凝土结构早期防护的必要性：如果在混凝土结构新建时节省1美元的腐蚀防护费用；在发现锈蚀时，采取措施所需要的费用为5美元；当发生混凝土表面顺筋开裂时，修复所需要的费用为25美元；当发生结构严重腐蚀破坏时，采取措施所需要的费用为125美元。由此可见，对于钢筋混凝土建筑，在建设的初期、服役的前期就应该尽早分析结构的腐蚀破坏因素，组织专家根据腐蚀的具体情况采取相应的保护措施，而且定期进行防腐效果检测和剩余寿命预测，对于大型设施的百年大计将起到事半功倍的效果。2、钢筋混凝土结构的涂层防护保护混凝土的措施包括控制拌制混凝土的原材料中氯化物含量、提高混凝土质量、优化混凝土的配合比、增加钢筋保护层厚度和电化学保护等方法来实现。但对已经建成的混凝土结构涂装是一种行之有效的防腐蚀措施，可以起到以下作用：防腐蚀作用：在混凝土表面形成一层屏蔽阻隔层，以阻止氯离子、二氧化碳、二氧化硫等腐蚀介质浸入混凝土造成腐蚀。防水作用：阻止水浸入混凝土内部引起钢筋锈蚀和混凝土劣化。防潮作用：在潮湿环境能保持混凝土内部处于干燥状态，有利于提高混凝土的使用寿命。装饰作用：遮盖混凝土众多表面缺陷，美化颜色不均、色彩陈旧的混凝土外观，点縀环境景观。涂料涂装是一种昀主要、昀广泛、昀容易被业主接受的钢筋混凝土防腐措施之一。如主动采取防护措施，虽然初建费略有增加，但长期总费用较之不采取防护措施者至少节约40%。同时，保证钢筋混凝土设施安全运营，缩短维修期所产生的社会效益也是很可观的。3、涂装抑制混凝土劣化的效果在海洋环境中，氯离子的渗透是引起钢筋混凝土劣化昀严重的外在原因。涂装抑制混凝土劣化的效果如图8所示，同样在混凝土的厚度为25㎜时，无涂装时钢筋的腐蚀速度为有涂装时的70倍以上。同时，从图中还可以看出，当混凝土保护层厚度为120㎜无涂装时，钢筋的腐蚀速度远远大于在保护层为25㎜而有涂装时的腐蚀速度。图9为东京湾海上实验7年后，有无涂装试样的对比效果图。如图所示，涂装试件涂层厚度为100µm，保护层厚度为25㎜，对有无涂装试样分别检测钢筋的腐蚀状况。结果发现，涂装试件几乎没有被腐蚀，而未涂装试件腐蚀达到80％。在混凝土表面约2cm处测定氯离子含量，结果发现涂装试件氯离子含量为0.0025％（0.06Kg/㎡），而未涂装的混凝土试件，氯离子含量为0.8％（18.4Kg/㎡），通过比较可以得知，未涂装试件2cm处氯离子含量约为有涂装试件的300倍。（在日本，混凝土规范规定：在混凝土结构中氯离子含量的临界值为1.2Kg/m3,如果低于这个值，则判断混凝土结构未发生腐蚀。日本在19