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盤點十大海洋腐蝕防護技術(shù)

2022-11-08 16:21:11 作者：本網(wǎng)發(fā)布來源：《腐蝕防護之友》分享至：

前言

海洋工程構(gòu)筑物大致分為：海岸工程（鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土）、近海工程（海洋平臺、鉆井、采油、儲運）、深海工程（海洋平臺、鉆井、采油、儲運）、海水淡化、艦船（船體、壓載艙、水線以上），簡稱為船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)。船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)的主要失效形式包括：均勻腐蝕、點蝕、應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞、腐蝕 / 磨損、海生物（宏生物）污損、微生物腐蝕、H 2 S與CO 2 腐蝕等等。控制船舶和海洋工程結(jié)構(gòu)失效的主要措施包括：涂料（涂層）、耐腐蝕材料、表面處理與改性、電化學保護（犧牲陽極、外加電流陰極保護）、緩蝕劑、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與檢測、安全評價與可靠性分析及壽命評估。

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從腐蝕控制的主要類型看（表 1），涂料（涂層）是最主要的控制方法、耐腐蝕材料次之，表面處理與改性是常用的腐蝕控制方法，電化學保護（犧牲陽極與外加電流）是海洋結(jié)構(gòu)腐蝕控制的常用手段，緩蝕劑在介質(zhì)相對固定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)上經(jīng)常使用，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與檢測技術(shù)是判定腐蝕防護效果、掌握腐蝕動態(tài)以及提供進一步腐蝕控制措施決策和安全評價的重要依據(jù)，腐蝕安全評價與壽命評估是保障海洋工程結(jié)構(gòu)安全可靠和最初設(shè)計時的重要環(huán)節(jié)。建立全壽命周期防護理念，結(jié)合海洋工程設(shè)施的特點及預(yù)期耐用年數(shù)，在建設(shè)初期就重視防腐蝕方法，通過維修保養(yǎng)實現(xiàn)耐用期內(nèi)整體成本最小化并保障安全性，是重大海洋工程結(jié)構(gòu)值得重視的問題。

一、防腐涂料（涂層）

涂料是船舶和海洋結(jié)構(gòu)腐蝕控制的首要手段。海洋涂料分為海洋防腐涂料和海洋防污涂料兩大類。按防腐對象材質(zhì)和腐蝕機理的不同，海洋防腐涂料又可分為海洋鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料和非鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料。海洋鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料主要包括船舶涂料、集裝箱涂料、海上橋梁涂料和碼頭鋼鐵設(shè)施、輸油管線、海上平臺等大型設(shè)施的防腐涂料；非鋼結(jié)構(gòu)海洋防腐涂料則主要包括海洋混凝土構(gòu)造物防腐涂料和其他防腐涂料。

二、防污涂料

海水全浸環(huán)境中，船舶和鋼樁、平臺、管線等移動和固定工程設(shè)施都不可避免遭受海洋污損生物附著影響，造成生物污損。船體附著的藤壺等污損生物，能使船舶航行阻力增加 15%，燃油費上升 40% ～ 50%。

防污涂料是海洋涂料中的一個特殊品種，其主要目的是阻止海洋生物對海洋構(gòu)筑物的附著、污損，保持船底或海洋結(jié)構(gòu)的光滑、清潔。防污涂料無論是基于低表面能、還是自拋光概念，都要在涂料中添加“毒素”———防污劑。傳統(tǒng)的防污涂料種類很多，其中無機類包括氧化亞銅（也有其他的銅化合物，如硫氰酸亞銅等）、氧化汞（雖有效但污染環(huán)境，早已禁用）、氯化鋅（輔助防污劑）等，有機類包括有機錫化合物（三丁基錫 TBT 或三苯基錫化合物TPT，已被禁用）、有機氧化合物（DDT，它對藤壺有特效，但 DDT 太穩(wěn)定，不易降解，污染環(huán)境，已在全世界被禁用）。

三、耐腐蝕材料

海洋中使用的耐腐蝕材料包括：耐海水腐蝕鋼、耐腐蝕鋼筋、雙相不銹鋼、鈦合金、銅合金、復(fù)合材料、高分子材料、高性能混凝土等。金屬和鋼筋混凝土的使用量最大。

耐腐蝕金屬材料是通過調(diào)整金屬材料中的化學元素成分、微觀結(jié)構(gòu)、腐蝕產(chǎn)物膜的性質(zhì)，實現(xiàn)降低電化學腐蝕的反應(yīng)速度，從而可以顯著改善金屬材料的耐腐蝕性。

四、包覆技術(shù)

包覆技術(shù)為了有效控制浪花飛濺區(qū)的嚴重腐蝕，基于把腐蝕介質(zhì)與材料隔離的原理，日本提出采用局部包覆耐腐蝕蒙乃爾合金、中間填充緩蝕油膏的方法，隨后又進一步改進包覆材料，現(xiàn)已經(jīng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模化應(yīng)用。我國侯保榮院士通過引進、消化吸收、再創(chuàng)新，把浪花飛濺區(qū)包覆技術(shù)成功用于我國青島區(qū)域的海洋大橋、近海平臺以及海上風電基礎(chǔ)部位浪花飛濺區(qū)的示范工程中，采用氧化聚合型包覆防腐技術(shù)用于螺栓與法蘭等異型結(jié)構(gòu)、橋梁的拉索與防水套、風電大氣區(qū)的焊接部位等的示范工程中，實現(xiàn)了不依靠日本獨立使用該項技術(shù)進行水下施工。浪花飛濺區(qū)保護罩－復(fù)層礦脂包覆防腐材料技術(shù)采用優(yōu)良的緩蝕劑成分和能隔絕氧氣的密封技術(shù)，系統(tǒng)由 4 層緊密相連的保護層組成，即礦脂防蝕膏、礦脂防蝕帶、緩沖層和防蝕保護罩，分成若干個系列，對規(guī)則和非規(guī)則設(shè)施均可以實施保護，目前已制定出企業(yè)標準。該技術(shù)的有效腐蝕防護效果達 30 年以上。防蝕保護罩主要是采用玻璃鋼或者增強玻璃鋼防護材料。如果采用更耐蝕的金屬材料（例如鈦合金），將使該技術(shù)具有更好的防腐性能和耐沖擊性能，也將具有更便捷的施工流程。

五、表面處理與表面改性

改性或稱為表面處理，是采用化學物理的方法改變材料或工件表面的化學成分或組織結(jié)構(gòu)以提高部件的耐腐蝕性。化學熱處理（滲氮、滲碳、滲金屬等）、激光重熔復(fù)合、離子注入、噴丸、納米化、軋制復(fù)合金屬等是比較常用的表面處理方法。前 3 種是改變表層的材料成分，中間兩種是改變表面材料的組織結(jié)構(gòu)，后者則是在材料表面復(fù)合一層更加耐腐蝕的材料。

六、電化學保護

金屬－電解質(zhì)溶解腐蝕體系受到陰極極化時，電位負移，金屬陽極氧化反應(yīng)過電位減小，反應(yīng)速度減小，因而金屬腐蝕速度減小，稱為陰極保護效應(yīng)。電化學（陰極）保護法分兩種：外加電流陰極保護和犧牲陽極陰極保護。

七、緩蝕劑

具有表面活性的化學物質(zhì)在金屬表面上首先進行物理吸附，然后轉(zhuǎn)化為化學吸附，占據(jù)金屬表面的活性點，從而達到抑制腐蝕的作用。緩蝕劑的類別有：無機類緩蝕劑、有機類緩蝕劑、復(fù)配緩蝕劑、其他緩蝕劑等。緩蝕劑在封閉場合經(jīng)常使用，包括油井、輸油氣的船舶等。因此，緩蝕劑也與阻垢劑、殺菌滅藻劑、清洗劑等聯(lián)用，又發(fā)展出緩蝕阻垢劑等。

八、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與檢測

無論是鋼結(jié)構(gòu)還是混凝土中的鋼筋，監(jiān)測與檢測是掌握腐蝕狀態(tài)的關(guān)鍵手段，其可以進行結(jié)構(gòu)的提前預(yù)警，同時也是壽命評價的基礎(chǔ)，從而保證裝備及人員的安全。監(jiān)測的參數(shù)主要包括：腐蝕電位、陰極保護效果、結(jié)構(gòu)的腐蝕速度、海生物污損情況、涂層狀況、結(jié)構(gòu)厚度變化、材料中的氫含量、環(huán)境參數(shù)等單參數(shù)以及多參數(shù)，參數(shù)監(jiān)測和智能化的實時原位監(jiān)測可實現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)全壽期內(nèi)的腐蝕狀態(tài)分析和壽命評估。我國的海洋腐蝕監(jiān)測 / 檢測設(shè)備及基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)控比較薄弱。

目前，海洋腐蝕監(jiān)測手段也僅僅在 200 m 以上的海域應(yīng)用比較成熟，在200 m以下水深的腐蝕判斷標準不明確、腐蝕環(huán)境數(shù)據(jù)匱乏，造成了腐蝕監(jiān)測的不確定性。

九、安全評價、可靠性分析、壽命評估

保障船舶和海洋工程結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性是一項長期任務(wù)。由于較嚴重的腐蝕，服役過程中結(jié)構(gòu)是否安全可靠需要進行評價；設(shè)計壽命到達后，考慮到結(jié)構(gòu)的可用性和工程的實際需求，開展壽命評價和延壽更是當前的重要課題。積累各種服役條件下的材料環(huán)境性能數(shù)據(jù)、發(fā)展監(jiān)測與檢測技術(shù)、提出壽命模型，以期開展工程結(jié)構(gòu)的安全評價、可靠性分析、壽命評估。

十、不同材料的防護差異

海洋工程中使用的材料體系眾多，包括鋼鐵材料、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、有色金屬材料（鋁合金、鈦合金、銅合金、鎂合金等）、復(fù)合材料等。從使用量上看，鋼鐵、鋼筋混凝土用量最大。就腐蝕防護技術(shù)而言，前述的多種防護技術(shù)在不同材料上都可應(yīng)用，然而，不同材料防護技術(shù)相互之間存在差異。復(fù)合材料的輕量化特點，在海洋工程中的使用有望進一步加大，其防護技術(shù)還有待深入探討。

（節(jié)選自中國材料進展）

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