0 引言

    鋼材種類繁多，被廣泛應用在海洋資源的開發和利用過程中，很多大型海洋構件都屬于鋼結構。然而鋼結構長期處于海洋環境中極易發生腐蝕，尤其是在浪濺區，有關調查顯示：鋼結構在海洋浪濺區的腐蝕速率最高，是在大氣區和全浸區的數倍。因此，尋求一種高效、適用于浪濺區的防腐措施關系到海洋鋼結構的整體安全性及使用壽命。

    1 鋼結構在浪濺區的腐蝕行為

    1.1 浪濺區范圍

    Humble 在1949 年最早將海洋浪濺區定義為海水平均高潮位以上，海水浪花和海水微粒飛濺能波及到的區帶。后來日本防腐蝕專家渡道經過試驗發現：浪濺區在海水平均高潮位以上0~1 m 處，最大腐蝕處在海水平均高潮位以上0.5 m 處。善一章指出，在港灣中鋼鐵構筑物腐蝕最嚴重處在海水平均高潮位以上0.45~0.60 m 處。

    在我國，朱相榮和黃桂橋等在不同海域對浪濺區范圍進行了試驗測量，結果發現浪濺區約在海水平均高潮位以上0~2.4 m 處。我國現行行業規范JTS 153—3—2007《海港工程鋼結構防腐蝕技術規范》對海港工程鋼結構的部位劃分作出了明確規定，如表1 所示。

    1.2 鋼結構在浪濺區的腐蝕機理

    許多研究發現，浪濺區比大氣區和水下區的腐蝕更嚴重，主要原因是其受到以日光輻照和干濕交替為主的大氣因素，以溫度變化和氯離子為主的海水因素，以及以海浪和波浪沖擊為主的浪流因素3 個方面的綜合影響。浪濺區處于海洋環境表層，日照充足，晝夜溫差大，干濕交替頻繁。干燥和潤濕時間比例對離子擴散速度有很大影響，干燥時間越長，毛細作用越顯著，氯離子滲透速度越大，加上浪濺區含氧量豐富，鹽分充足，可加速水膜的形成，水膜的蒸發和凝聚會導致表面鹽分濃縮從而導致點蝕。浪濺區設施除受到環境物理化學狀態影響外，還要經受海流和波浪沖擊產生的沖刷作用和附加荷載作用，易發生腐蝕疲勞和應力腐蝕，加快腐蝕行為的發生。

    處在浪濺區的鋼結構腐蝕迅速，除了受外界環境的影響外，還有銹層所起的特殊作用。碳鋼形成的銹層比較疏松，空隙和裂縫較多，可貯存空氣和海水。侯保榮等通過模擬浪濺區干濕交替環境，發現在潤濕過程中銹層作為一種強氧化劑起作用，發生了Fe3+到Fe2+ 的還原反應；而在干燥過程中，因空氣氧化，銹層中的Fe2+ 又被氧化為Fe3+。經過多次干濕循環，銹層發生了氧化- 還原- 再氧化的循環反應，從而加速了腐蝕。朱相榮等通過對脫氧和未脫氧下帶銹試片的極化曲線進行對比發現：銹層的還原起“去極化劑”的作用，可以加大陰極電流，加速腐蝕。

    2 浪濺區鋼結構腐蝕防護技術的應用現狀

    海洋鋼結構的安全使用離不開經濟有效的防護措施。由于浪濺區腐蝕的特殊性，國內外從未停止過對鋼結構在浪濺區的防護對策研究。經過長期的研究發現，除了不斷改善鋼結構設計，加入合金元素外，目前采用較多的防護技術有重防腐蝕涂料保護、陰極保護、金屬熱噴涂保護、熱浸鍍層腐蝕保護以及包覆層保護等。

    2.1 重防腐蝕涂料保護

    相對常規防腐涂料而言，重防腐涂料適用范圍更廣，保護期更長。目前常用的重防腐涂料有無機富鋅涂料、玻璃鱗片涂料、聚脲彈性體涂料等。

    據美國航空航天局報告，水性無機富鋅涂料防腐蝕能力明顯優于其他種類的富鋅涂料。魏向陽通過研究發現：采用水性無機富鋅涂料作底漆，配用高固體分復合樹脂防腐涂料作面漆，防腐性能更加優越。該配套涂料體系的優越性目前已在大型鋼架橋、海岸港口鋼結構、大型軍用船舶等領域得到實踐驗證。隨著研究的深入，水性無機富鋅涂料的性能不斷改善，近些年問世的水性無機富鋅涂料的模數已經達到5.7，而黏度僅為15~17 mPa·s。

    玻璃鱗片涂料主要由無溶劑不飽和聚酯樹脂和玻璃鱗片組成。因玻璃鱗片涂料的保護屏障作用較好，已被日本沿海開發技術研究中心推薦用于海洋浪濺區。李敏等研制了一種高固含量厚漿型環氧玻璃鱗片涂料，經過測試發現：其耐鹽霧性、耐人工海水性等性能均達到了較高水準，可有效提高海洋鋼結構的使用壽命。

    黃微波教授選擇純聚脲作為重防腐涂料的主要原材料，采用FTIR（紅外光譜）、DSC（差示掃描量熱法）等方法，分析了純聚脲在人工模擬海洋環境、自然曝曬、紫外線人工加速老化環境下的力學性能、光澤度和分子結構的變化，結果顯示：相對于普通防腐涂層，其耐蝕性能更加優異，能適應較為嚴酷的腐蝕環境條件。近年來，該技術已被國內外廣泛采用，美國將其用于圣馬特跨海大橋、各類艦船、海洋平臺等工程；與此同時，我國也已成功將其應用于青島海灣大橋承臺、超大型海岸沉箱裝置防腐工程等。工程實踐應用表明，聚脲防腐涂層憑借其優良的防腐性能、耐老化性能以及耐沖刷性能，可應用于浪濺區鋼結構的防護。

    2.2 陰極保護

    由于鋼結構在浪濺區的海水浸泡率過低，不能形成有效的電流回路，因此普通的陰極保護對于浪濺區鋼結構的防護具有一定的局限性。

    針對這種情況，美國在處于周期性間浸漬部位的鋼結構物表面充滿鋸屑、膨潤土之類的吸水物質，或把石膏、膨潤土和硫酸鈉的混合物包覆在被保護的鋼結構表面，再在里面埋設犧牲陽極，使鋼結構作為陰極得到充分保護。相對于上述方法，我國黃彥良提出一種更為簡單的防護方法，即在鋼結構表面引入一層電解質膜，以提供陰極保護電流。

    目前在工程實踐中對處于浪濺區的鋼結構，通常是將陰極保護和涂層保護聯合使用，在兩者的協同作用下達到較好的防護效果。范衛國等在杭州灣某化工泊位改造工程中，在鋼管樁表面采用重防腐涂料保護的同時選用A2I-C 型鋁合金陽極，取得了較好的防腐效果。

    2.3 金屬熱噴涂保護

    金屬熱噴涂保護技術是將加熱到熔融或半熔融狀態的金屬材料高速噴射到基體表面，在表面形成保護涂層的一種技術。

    在海洋防護中常用熱噴涂鋅、鋁或其合金涂層等。雖然熱噴涂鋅涂層使用時間最早，但其耐久性不好，無法提供長時間的保護。相對來說，熱噴涂鋁涂層具有較好的耐久性和抗沖蝕能力，更加適用于浪濺區。早在1984 年，Hutton 公司便將熱噴涂鋁涂層應用在海洋平臺工程中，使浪濺區受到保護，未發生腐蝕，從而表明了該涂層防護效果良好。美國海洋土木工程實驗室也曾采用試樣懸吊的方式對噴鋁試樣進行了長達10 a 的腐蝕試驗，結果發現鋼樁基本得到良好的保護。王真通過對純鋁涂層耐蝕性的研究發現，純鋁涂層的腐蝕速率會隨著時間的延長逐漸變緩，對基體可以起到長期的保護作用。周學杰等對噴鋅、噴鋁和噴鋅- 鋁涂層進行了對比研究，實海暴露試驗結果表明：在浪濺區噴鋅- 鋁合金涂層防蝕效果最好，涂層變化最小；鋁涂層其次，有局部脫落；鋅涂層最差，有密布的銹點。我國勝利油田曾將鋅- 鋁復合涂層噴涂在部分導管架上，實際使用結果表明：該涂層的防腐蝕效果十分明顯。

    2.4 熱浸鍍層腐蝕防護技術

    熱浸鍍層是在浪濺區腐蝕防護中常用的另一種方法。這種方法是先將鋼材表面進行清洗處理，然后浸入到熔融金屬中獲得金屬鍍層。

    李焰等曾將熱浸鍍鋅、鋅- 鋁- 稀土和鋅-鋁- 硅鍍層鋼板放置于青島浪濺區，通過對其進行腐蝕質量損失測試和顯微結構分析發現：這3 種鍍層試樣在浪濺區的腐蝕速度均低于在潮差區和全浸區的腐蝕速度，其中鋅- 鋁- 硅鍍層在浪濺區的抗蝕性能最佳，鋅- 鋁- 稀土其次，均優于熱浸鍍鋅層。Koji Tachibana 等也曾將熱浸鍍鋅- 鋁合金鍍層鋼暴露在海邊，結果表明：雙鍍層耐腐蝕性能明顯優于傳統的鋅鍍層。

    2.5 包覆層保護

    包覆層保護通常是指通過在基底材料表面包覆耐蝕性能良好的金屬或非金屬材料，從而使基底材料與腐蝕介質相隔開，以達到控制腐蝕、延長鋼結構使用壽命的一種方法。目前在浪濺區經常使用的有礦脂包覆技術、包覆金屬或合金護套、包覆混凝土或其他護套等。

    （1） 礦脂包覆技術

    礦脂包覆技術是指在鋼結構表面首先涂覆具有良好黏著性、非水溶性、防水性、不揮發性、電絕緣性等的礦脂材料，再在外部包覆防護外罩的防腐蝕技術。

    礦脂包覆技術起源于1925 年英國發明的Denso礦脂防腐蝕系統；20 世紀70 年代后期，日本研制出一種適用于碼頭、棧橋及其它外海鋼結構浪濺區長期耐久的防腐方法，即復層礦脂包覆防腐技術（Petrolatum Tape and Covering System，簡稱PTC）；此后中國科學院海洋研究所成功開發了該項技術，并聯合日本成功地將PTC 新型包覆技術應用于我國勝利油田CB22 單平臺浪濺區的防腐，取得了滿意的效果。

    復層礦脂包覆技術由礦脂防蝕膏、礦脂防蝕帶、密封緩沖層和防蝕保護罩四層保護層組成，其中礦脂防蝕膏是PTC 技術的核心內容，它的性能決定了PTC 技術的穩定性和耐久性。錢備采用耐溫流動性和錐入度檢測方法，結合中性鹽霧和電化學交流阻抗試驗，對礦脂防蝕膏的基礎配方進行了測試優化，發現其抗鹽霧腐蝕性受硬脂酸鈣含量的影響較大。張堅彬等通過鹽霧試驗和電化學試驗發現，防蝕膏和防蝕帶均具有良好的耐蝕性能，可延長保護物的使用壽命。

    PTC 技術可廣泛適用于浪濺區鋼結構的防護，以延長其使用壽命。目前，該技術已成功用于我國港口碼頭、海洋石油平臺及海上風電基礎結構等工程。其中浙江龍馳防腐技術有限公司在碼頭靠近海洋平臺一側選擇了三根鋼管樁進行了示范應用；在某濱海發電廠廠區內鋼結構關鍵部位的防腐蝕施工項目也采用了該技術，呈現出良好的防護效果。

    （2） 包覆金屬或合金護套

    包覆合金護套通常焊接在鋼結構表面。目前蒙乃爾合金、銅- 鎳合金以及不銹鋼材料常被用作海洋浪濺區的保護套。

    400 號蒙乃爾合金是由美國國際鎳公司生產研制的。據報道，該合金護套曾被用作外海采油平臺浪濺區護板，并在連續使用20 a 后依然保持完好，表明其具有優異的耐蝕性能，可廣泛應用于海洋鋼結構在浪濺區的防護。

    銅- 鎳合金護套具有較低的價格，高度的耐蝕性、可塑性與可焊性等優點，已被廣泛應用于國內外海上鋼結構浪濺區的防護工程中。在腐蝕環境嚴酷的英格蘭莫克姆灣（Morecambe Bay）采氣平臺浪花飛濺區的長期應用結果表明，銅- 鎳合金護套防腐效果良好。

    不銹鋼護套也常被用作浪濺區防護，這種護套不僅易于焊接，而且具有較好的抗蝕性能與力學性能，故而被許多國家和地區所采用，其中美國的一座海洋采油平臺采用不銹鋼護套對浪濺區進行保護，取得滿意的效果。

    （3） 包覆混凝土護套或其他護套

    包覆混凝土的方法起源較早，但由于其防護效果良好，至今還有很多國家使用。經研究發現，混凝土包覆層延伸到平均低潮位以下時方可達到最佳的腐蝕防護效果，且混凝土包覆層厚度越大，其防護壽命越長。

    在浪濺區的防護有時也會采用其他護套，如德國曾采用橡膠護套。美國Osmos 公司海洋組經25 a的研究發現：采用厚0.76 mm 的聚氯乙烯帶包扎鋼管樁得到的防蝕效果較為理想。

    3 結語

    海洋環境腐蝕條件苛刻，而浪濺區因復雜的物理化學條件，常常是全面腐蝕速率最高的區域。對海洋浪濺區腐蝕機理以及防護措施的研究，可以為處在海洋環境中的鋼結構的設計和維護提供有力依據。雖然浪濺區腐蝕與防護研究已經取得大量成果，但浪濺區的防腐蝕技術目前仍是研究的薄弱部分，有待進一步深入。研究防腐蝕效果更好、成本更低的浪濺區防護技術，對保護海洋鋼結構工程、開發海洋資源具有重大的戰略意義。

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責任編輯：王元

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