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科技論壇 | 新常態下的腐蝕與防護

2017-10-26 14:44:30 作者：尹長春吳富豐陶緒泉來源：《腐蝕防護之友》分享至：

腐蝕與防護科學是一門既古老又新興的科學。在地球上，腐蝕時刻都在發生，凡是使用材料的地方都存在著不同程度和不同形式的腐蝕，腐蝕帶來的破壞和經濟損失十分驚人。有人把腐蝕比喻為金屬的癌癥，無焰的火災，隱蔽的殺手。由于腐蝕引發的危害和經濟損失幾乎遍及所有行業。腐蝕不僅造成材料的損耗，還會造成環境危害，甚至釀成重大的災難性事故。腐蝕不僅影響經濟的可持續性發展，而且嚴重威脅人類的生活和安全。

進入 21 世紀，由于科學技術的飛速發展，今天的腐蝕與防護科學已是研究和保護人類物質文明賴以建立和發展的基礎設施的一門以化學為中心多學科交叉的科學。它與材料科學、環境科學、海洋科學、安全科學、信息科學、空間科學、核科學，生命科學等多種朝陽科學有密切的聯系。因此是一門新興的邊緣科學，也是一個充滿活力的新興的朝陽產業。腐蝕與防護問題由于已涉及國家經濟發展和國防建設的全局，所以具有跨學科、跨部門、跨行業的特點。

我國在經歷半個多世紀的經濟建設之后，尤其是改革開放以來，經濟建設取得了舉世矚目的成就，但同時基礎科學技術的發展帶來層出不窮的新材料，而材料的腐蝕包括老化和衰變。不論是金屬的還是非金屬的，也不論是黑色金屬還是有色金屬，合金材料或是復合材料，還是人工合成材料都存在腐飾與防護問題。同樣的材料面對不同的環境時，又會發生不同的變化。隨著自然環境的日益變化和人類向極端自然環境進軍而發生了超自然的變化，從而導致腐蝕的加劇，如太空、深海、濕熱的海洋環境、電磁環境已成為新常態。自然環境的腐蝕呈現是動態的，隨機的、多變的、突發性及復雜性，在這些新環境下，傳統材料將加速腐蝕或老化，新材料也面臨著多種新的腐蝕狀況。原有的傳統觀念來看腐蝕已經不符合今天腐蝕與防護的要求了。需要發現新問題，才能適應今天的新常態。可見，腐蝕與防護領域已成專家關注的焦點。為此本文筆者希望與同行交流和討論，在新常態下，腐蝕與防護工作在以下幾個方面已面臨著新的挑戰，應有新的認識，才能實現新的跨越。

1、自然環境的腐蝕是熱點也是難點

腐蝕按使用環境可分為自然環境腐蝕（大氣、土壤、水及微生物等）和環境腐蝕（工業環境的酸性、堿性、鹽類、熔鹽、液態金屬及工業用水等）。自然環境對材料和制品的腐蝕，由于腐蝕速度比較緩慢而隱蔽，自然又有自催化性以及影響因素的復雜性，往往被人們所忽視，近些年不少國內外的重大災難性事故幾乎都與自然環境腐蝕有關，因此在新的形勢下，進一步認識和研究自然環境腐蝕的規律就更有必要了。這類的腐蝕問題，一般具有以下特點：

1.1 自然環境腐蝕與環境腐蝕相比來說，量大面廣，十分普遍。建筑、交通、機械乃至軍事系統所面臨的腐蝕，主要是自然環境腐蝕。能源與化工系統的設備、裝置以及管道的外腐蝕均屬于自然環境腐蝕。國民經濟的所有部門都存在自然環境腐蝕，人們的生活也離不開自然環境腐蝕的影響。內腐蝕屬于工業環境腐蝕，是在各種苛刻的單一介質中的化學腐蝕。

1.2 自然環境腐蝕在總損失中所占的比例最大。材料在大氣中的損失占總損失的 50% 以上，土壤腐蝕約占總量的 20%，水中環境腐蝕占 10%。因此材料的自然環境腐蝕占總損失的80% 以上。

1.3 不同自然環境所造成的腐蝕差異很大。材料在海洋大氣環境中的腐蝕率要遠超過陸地大氣環境。

1.4 改革開放以來，我國鄉鎮企業發展很快，能源結構中絕大多數企業都是用燃煤作為主要能源，致使大氣環境中硫氧化物的濃度升高，酸沉降物大量增加，造成酸雨污染，酸雨污染區材料的腐蝕率迅速增大。環境污染不僅使材料的適應性大大降低，也直接影響設備、裝置和建筑物的使用壽命，甚至釀成腐蝕事故，威脅人民的生命安全。

1.5 自然環境腐蝕影響因素多，相互作用復雜，其所造成腐蝕破壞事故往往是自然環境中化學、物理以及生物等多種因素綜合作用的結果。

世界上工業發達國家已經證明，基礎設施投入的高峰期往往就是幾十年后腐蝕問題頻繁出現的高峰時間。事實也證明，目前，剛進入 21 世紀的十幾年間，世界各地，尤其是我國就屢屢發生由于腐蝕而釀成觸目驚心的惡性事故，不僅造成重大的經濟損失，導致環境污染，還危及了人民生命的安全。特別是前些年粗放式的經濟增長方式，在一些領域存在著高消費、高污染、高投入、低產出的經濟模式，如果任憑這種狀態存在，我國的資源和環境將不堪重負，經濟可持續發展難以為繼。今天腐蝕與防護產業面臨的新常態是：在資源和受制約的條件下，如何可持續發展？

腐蝕與防護產業的基本功能就是節約資源和提高資源的利用率，提高材料加工項目的壽命和安全，減少環境污染，應成為國民經濟健康和可持續發展的重要產業之一，為落實建設資源節約型和環境友好型社會做貢獻。

2、雜散電流

進入 21 世紀，我國現代化建設進入了新常態，西部大開發戰略組織實施，特大型跨世紀工程一個個上馬，大規模基礎設施建設掀起了新高潮。尤其是我國高鐵時代的到來，它的發展前景對世界經濟和中國國防戰略具有十分深遠的影響。由于電氣化鐵路以接地為回路的輸電系統等客觀存在，不可避免地產生雜散電流，使埋地管道因雜散電流而產生腐蝕，屬于電化學腐蝕。當金屬（Fe）周圍的介質是酸性電解質或是堿性電解質時，發生的分別是析氫腐蝕和吸氧腐蝕。這種流散于大地中的電流對埋地金屬的腐蝕也稱為雜散電流腐蝕，也叫干擾腐蝕，是一種動態的干擾源。雜散電流的產生原因很多，也很復雜，容易受到外界環境因素的影響，如電位梯度、電流泄露等均能引起埋地金屬管線遭受電化學腐蝕。

雜散電流腐蝕具有強度高、危害大、不同于自然腐蝕，其腐蝕量與雜散電流成正比，在雜散電流的作用下，腐蝕集中于局部位置，往往集中于防腐層的缺陷部分，經幾個月即可發生腐蝕穿孔。可見，雜散電流的腐蝕強度是一般腐蝕不能與之相比的。它的作用很廣，其影響可達幾千米以上。它的發生又常常是隨機而變，其電流方向和電流強度都隨外界電力設施的負載情況、軌道的連接與絕緣狀況、管道的絕緣狀況而變化。因此，也常將雜散電流的干擾稱之為動態干擾。一般情況下，走行軌對地絕緣水平越好，則雜散電流越小，最好對地絕緣，保持牽引回流通路順暢。特別是在接觸不良處產生電火花而造成各類事故，設置對人身安全構成威脅。在今天的新常態下，高鐵、地鐵等也成為安防領域內的一個重要研究課題。

3、海洋經濟的開發

21 世紀是海洋的世紀，是人類全面認識，資源開發利用和保護海洋的新世紀。海洋是資源的寶庫，這些資源可供人類開發并將有力的推動世界經濟的可持續發展。隨著地球上陸地資源的逐漸枯竭以及人類不斷拓展生存空間的需求，世界各國間的競爭重點也已從陸地轉向海洋，海洋具有潛在的巨大經濟利益和戰略性的國防地位。海洋事業的發達程度是一個國家科技力量的綜合體現，也是一個國家經濟發展和國家地位的標志。今天，面對全球新一輪科技革命與產業革命的重大機遇和挑戰，在經濟發展新常態下新的趨勢和新的特點，建設海洋強國為新支點的國家戰略布局。海洋經濟已成為我國經濟新的增長點，在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》（2006-2020）中，發展海洋經濟已被劃入重點領域的優先主題。海洋在經濟新常態背景下，海洋經濟發展逐步從規模速度型向質量效益型轉變。

大力發展防腐技術，減少腐蝕損失，對于海洋經濟發展具有重要意義。海洋工程防護材料特別是新的防腐材料作為拓展海洋空間、海洋資源的物質前提，是實現海洋科技創新，海洋可持續發展的基礎和先導。由于海洋裝備和海洋工程材料長期處于嚴酷的海洋環境下工作，工程材料是在含有多種鹽分的強腐蝕介質中，除存在著電化學腐蝕損傷外，還有波浪、潮流等往復應力和沖擊即物理的磨蝕失效以及海洋環境特色的損傷方式即生物的污損等問題。在多重載荷耦合下的嚴酷海洋環境下的加速腐蝕，涉及量之大，范圍之廣，影響因素復雜之多，已成為嚴重制約重大海洋工程技術和裝備發展的技術瓶頸之一。比如涉及艦船、海洋平臺、油氣管線以及離岸建筑方面使用的高品質鋼鐵材料，鈦合金，有色金屬，復合材料等大量依賴進口，很多材料的關鍵應用技術落后，海洋使用材料標準不夠完善，這些現狀都嚴重制約了我國建設海洋強國的步伐。研發適合國情的新型、無毒的防腐新材料是最直接有效的防護方法之一，以保證海洋裝備安全、可靠、長時間的使用是當前材料領域最重要的課題之一。由此可見，腐蝕與防護產業在建立特色的海洋防護學科中，承載著何等艱巨而光榮的任務。

4、創新求發展，科技惠民生

為適應 21 世紀海洋事業的發展以及環保事業的需求，研制開發的高分子重防腐新材料——有機巖[3] 。它是由多異氰酸酯和端氨基醚兩個組分生成高聚物，通過專用設備輸送到噴槍快速混合后射出，粘附在基體表面，瞬間形成一層致密防腐層結構。它集塑料、橡膠、涂料、玻璃鋼多種功能于一體，突破了傳統環保涂料的局限，無溶劑、無污染、環保型，綠色的施工技術。它將產品的優異性能和快速噴涂，瞬間固化的施工技術有機地結合起來，使其在工程應用中顯示出極大的優越性。

鑒于高分子有機巖良好的防腐性能和施工方法，打破了以往環氧樹脂、丙烯酸樹脂、聚氨酯統領天下的局面。為施工界提供了一種先進實用的技術，可以完全和部分替代傳統的聚氨酯、聚氨酯 / 聚脲、玻璃鋼、氯化橡膠、氯磺化聚乙烯以及聚烯烴類化合物。在化工防腐，管道、建筑、艦船、水利、交通、機械等行業具有廣闊的應用前景。尤其是海洋及各類海岸設施長期處于惡劣的海洋環境腐蝕之中，對配套的保護材料要求較高，傳統的防腐涂料技術很難滿足使用的要求。而高分子有機巖基于優越的附著力、耐陰極剝離性、耐大氣老化、耐干濕交替等性能，以及快速固化的施工技術，可廣泛應用于海洋鋼樁、碼頭、防浪堤、棧橋、河海交界的閘門、海上石油平臺及各類系泊設備。

4.1高分子有機巖的防腐特點

4.1.1 具有 100% 固體成分，應用時必須使用高壓無氣噴涂設備。

4.1.2 它是瞬間固化（凝膠時間約為 5-7 秒）且以一道多次噴涂達到設計膜厚，施工時不必噴涂底漆。

4.1.3 附著力：目前在工程上已被認為是涂層使用壽命的一個重要的指標，在國外金屬腐及管道工程規范（AWWA C222）必須達到1000 psi（7Mpa）以上。涂層的附著力越大使用壽命年限越長，如涂層的附著力達到 1500 psi（10.5Mpa）時若涂層表面有損傷區域，有抑制腐蝕的能力。“有機巖”涂層依 ASTM D4541 檢測為 10Mpa 以上（膠脫落）。

4.1.4 陰極剝離：涂層和內襯在切割下測量的模式，工程經驗表明涂層和內襯有較好的耐陰極剝離性，才會有較長久的防蝕性。當使用有陰極保護系統的構造物時，涂層有損傷處格外有提升防蝕的能力。“有機巖”涂層依 ASTMG5 檢測 60 天為 2mm 剝離半徑。

4.1.5 介電強度：是考核電器絕緣的一個重要的指標是考慮外界電流出現高壓滲入的情況，乃能保證電路對地的良好絕緣，電介質強度是不導電物質，在涂裝領域有陰極保護設施都必須要有良好的電介質強度。這樣陰極保護電位和電流不影響作為腐蝕保護的屏障能力。“有機巖”涂層依 ASTM D149 規范檢測為 20.51KV/mm，為絕緣體。

4.1.6 表面阻抗、體積阻抗：是表征電介質或絕緣體材料電性能的一個重要數據。涂層也需耐陰極剝離。但涂層的表面阻抗、體積阻抗的強度檢驗值越大表示絕緣度高。“有機巖”依 ASTMD257 規范檢測為 1.04×10 18 Ω-cm 已超出絕緣的阻抗率。

4.1.7 水吸收率、水蒸氣滲透率：由于涂層的應用領域對于抗濕氣的滲透很重要，如濕氣增加會使涂層與金屬間喪失附著力，降低電介強度。濕度不夠會影響涂層與金屬間緩蝕作用，而導致喪失附著力的持久性。“有機巖”涂層依ASTM E96規范檢測為0.3023g/m 2 /hr，為透氣不透水涂層。

4.1.8 彈性和柔韌性：場地用管線及大面積塔槽構建物的涂層彈性及柔韌性是重要的特性，因金屬熱脹冷縮及安裝運輸過程的相關操作，所以涂層都要有一定的彈性及耐磨性避免損傷。可依 ASTM D522 來評估。

4.2傳統防腐涂層與高分子有機巖防腐涂層的特性比較

高分子有機巖是在聚氨酯及聚脲產品的基礎上經改性，取其優點去其不足，其優異的材料性能及先工方法已引起國內的應用單位的認知和認可，該技術在我國投入大規模商業應用的時機也已成熟。作為一種新材料，還需要不斷的完善和提高，尤其它的產業化進程也不會一帆風順，目前，國家還缺少相應的防腐規范和標準，以及原材料的國產化等方面，還需進行大量的耐心，持久扎實的工作。我們相信，高分子有機巖防腐材料必將為我國國民經濟和國防建設作出一定的貢獻。

5、產學研協同創新是方向

腐蝕對經濟建設的影響及人類生活的危害是極其嚴重的。腐蝕與防護是一項重大的系統工程，是關系國計民生的大問題。為保護地球資源，建立人類生存的美好家園，必須要大力發展腐蝕與防護產業。綠色、低碳和環保是腐蝕與防護產業的必經之路。創新和跨越，才能實現建設資源型、環境友好型社會和促進經濟可持續性發展，為推動自主創新和建設新型國家的戰略目標。基于腐蝕與防護產業的特點，它是屬于工程技術領域一門多學科的交叉學科，單獨依靠企業，研究所或者高校任何一方，都很難完整解決問題。為此，腐蝕與防護產業應建立產學研協同創新發展合作的新模式，主要是以市場為導向，以企業為主體，以高校和科研院所為技術依托，政府引導組織搭建服務平臺來推動產學研協同創新全方位的發展。目的就是將科技和經濟緊密結合，實現科技同產業無縫對接，從而使科技成果更好地轉化為現實生產力，這是提高自主創新能力的必由之路。

在當前市場競爭日益激烈，技術創新層面的變化趨勢明顯，基礎研究、應用研究和產品之間的關系越來越密切，而且互相之間的轉換周期越來越短，產學研協同創新的合作日益重要，對于當今高科技的挑戰和日益全球化的知識經濟競爭無疑有著不可分割的聯系。美國是實現產學研合作最早的國家，它的工業化和現代化的發展舉世矚目，可以說正是產學研協同創新合作的興起帶來國家的興盛，科教興國已成共識。美、英、德、日等發達國家產學研協同創新一體化建設皆是通過政府行為加以扶持和引導。這種協同創新模式已成為國際上產業發展和企業壯大的重要發展模式，在經濟新常態背景下必將成為我國經濟發展的重要動力。我國產學研不能走簽合同走過場的老路，要由松散型合作轉向一體化，實體化，由契約式合作走向利益共同體，為此要建立常態化產學研協同創新合作機制，產學研協同創新要真正融合到一起，成為一個有機的自主創新綜合體。政府的引導和組織搭建服務平臺是關鍵，政府應設計并出臺一系列有效的法律法規，讓產學研協同創新工作有章可循，有法可依，制定產學研聯盟中各方的規范契約，建立金融互助機構等一整套的支持政策和創新機制，從而有效促進國家的高技術產業化進程推動國民經濟發展。

教育應該如適應經濟新常態，更好地服務經濟社會發展，看一個學校水平有多高，得看高校培養的人才能不能夠到了相關產業領域去很好發揮作用。產學研協同創新的合作是以科研為紐帶，這不但提升高校教師的教學和科研水平，而且將學生的教學、教學實踐、科研推廣以及大學生生產實踐活動融為一體，有利于學生知識結構和提高知識的應用能力、創新能力，實現理論和實踐的結合，從而使大學生認識社會，體驗社會，回報社會，有利于學生的全面發展，使高校成為科技企業的孵化器，從而提升了教育內涵質量。科技企業通過與高校的合作不但獲得了人才，成果與技術的有力支撐，同時也提高了企業開發新產品的能力，促進了企業不斷發展與市場份額的拓寬，合作成員之間達到資源共享、優勢互補、提高產業或行業的競爭力，是實現超常規發展的重要手段。尤其對于海洋工程防腐的高新技術的快速成長具有重要意義。

新一輪科技革命和產業革命正在孕育興起，產學研協同創新合作是當今世界各國科技創新的有效舉措，已成為世界科技和經濟發展的必然趨勢。“產學研協同創新”如何深度融合？我們相信，隨著我國科技和經濟的不斷發展，“產學研協同創新”的內涵也在不斷豐富和發展，產學研協同創新合作的形式和內容都還有待充實完善。從今天來看，這個合作過程是動態的，各方在相互合作的過程中相互磨合，相互適應，在相互適應提升的同時，將創新升級到更高的層次，即提高我國自主創新能力，培養出更適應國家經濟建設的創新人才，為建設創新型國家發揮應有的作用。

結束語

當今 21 世紀是高速、高效、多變、危機、充滿著機遇和挑戰的新常態。在新常態下需要有新的認識，才能迎接新的挑戰，實現新的跨越。這個新常態，實質就是知識時代所需帶來的變革，是技術上的革命，是產品的革命，更是一場觀念的革命。世界經濟的高速發展，科學技術日新月異的變化要求人們不斷學習新知識，改變舊觀念，創新求發展是新常態下的競爭力和動力，是實現可持續發展的根本。腐蝕對經濟建設的影響及人類生活的危害是極其嚴重的，但腐蝕是可以防控的，腐蝕與防護是一個重大的系統工程，是關系國計民生的大問題。為了保護地球資源，建立人類生存的美好家園，腐蝕與防護產業必須走出一條綠色、低碳和環保的防腐之路，實現建設資源型、環境友好型社會和促進經濟可持續性發展的目標。腐蝕與防護產業應在國民經濟建設中成為齊放的百花中挺秀的一支，為人類的進步做出應有的貢獻。

特別感謝：呂大成（天津歐普特科技發展有限公司天津 300384）對本文的支持和幫助。

● 作者簡介