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海洋工程重防腐技術一覽

2018-04-04 10:28:04 作者：聶薇,姚曉紅,盧本才來源：《造船技術》分享至：

　　聶　薇，姚曉紅，盧本才

　　（武昌船舶重工集團有限公司，湖北武漢４３００６０）

　　０　引言

　　隨著科學技術的進步和人類對海洋資源認知水平的不斷提高，海洋石油、海底礦業、海洋化工、海洋養殖、海洋能源等海洋產業的開發已從淺海走向深海，甚至超深海。從２０世紀６０年代起，海洋工程技術領域不斷發展，海上大型工程的設計使用年限均長達幾十年。由于海洋工程鋼結構長期固定于海中，惡劣的海洋環境所造成的嚴重腐蝕直接影響到鋼結構物的使用安全，且海上涂層的修補十分困難，常規防腐方法已無法保證海上鋼結構物長期的使用壽命。重防腐概念由此問世，重防腐是對被保護體施加一定的保護措施，使其達到較長使用年限的防腐蝕技術，對海上結構物的腐蝕控制具有重要作用。

　　１　海洋結構物的腐蝕規律及環境特性

　　海洋鋼結構物處于陽光暴曬、鹽霧、波浪沖擊、海生物侵蝕等復雜環境所構成的海水體系中。在不同的海洋環境下，腐蝕行為和腐蝕特點存在著較大的差異，只有對鋼結構物的腐蝕區域進行明確的分析界定才能針對性地提出相應的保護措施。海洋腐蝕環境理論上可分為大氣區、飛濺區、潮差區、全浸區以及泥土區５大區域。由于海水的運動變化，很難準確劃分出飛濺區與潮差區的界定范圍，因此在工程實際應用中則分為了大氣區、干濕交替區、海水海泥區［１－２］３大區域。

　　海洋大氣區腐蝕較輕，其主要受到海鹽微粒的影響和陸地大氣的共同作用，容易在死角等處產生局部腐蝕。

　　干濕交替區分為潮差區和飛濺區。潮差區由于海水受到潮汐的作用，其腐蝕相對較輕。飛濺區由于經常形成潮濕表面，長期受到陽光強輻射，且供氧充足，腐蝕環境最為苛刻，腐蝕速率一般為０。３～０。５ｍｍ／ａ，最高可達１ｍｍ／ａ，約是全浸區的３～１０倍。

　　海水全浸區是指干濕交替區向下包括在泥土中的部分，可分為淺海區、深海區以及泥土區。海水的腐蝕性主要受溶解氧、溫度、鹽度、酸堿度以及生物因素的影響，因此淺海腐蝕速率大于海洋大氣區，但深海區氧含量往往比海水表層及大氣區低得多，水溫接近于零度，腐蝕較輕。海底泥土區同樣受海水影響少，且溫度低，只是在海流作用交界處有一定腐蝕，腐蝕要比海水中輕［３－５］。

　　２　海洋結構物腐蝕區域防腐方法

　　海洋結構物防腐蝕主要分為覆蓋層保護和電化學保護。由于大氣區部位不接觸海水，飛濺區部位海水浸泡率較低，因此通過陰極保護對大氣區和飛濺區鋼結構實施保護存在著一定的局限性，因此覆蓋層保護方法為其主要的防腐措施。對于至低潮位線下１ｍ區域的鋼結構部位，由于長期浸泡在海水中且含氧量較高，一般采用覆蓋層與電化學聯合的方法進行保護。低潮位線下１ｍ至海底面的區域既可同時采用覆蓋層與電化學聯合保護法，也可單獨使用電化學或是覆蓋層保護法。海底泥土區僅使用電化學保護法即可。

　　陰極保護主要有犧牲陽極和外加電流保護兩種。對于腐蝕嚴重的區域，很少單獨使用覆蓋層保護，通常需要將陰極保護與涂層保護相結合來保證可以長期防腐蝕。覆蓋層保護的方法根據材料的不同分為金屬封閉層和非金屬封閉層，目前比較成熟的重防腐覆蓋層保護方法包含有熱噴涂防腐技術、重防腐涂料涂層、多層防護系統、鋅加防腐技術等［６］。另外，除了陰極保護和覆蓋層保護方法外，發達國家研究出的耐海水腐蝕鋼，通過鋼體自身的耐腐蝕性能結合外表面的防腐保護層，可顯著提高鋼結構物的使用壽命。下文將針對各類重防腐技術展開具體介紹與分析。

　　３　海洋重防腐技術及應用

　　３.１　金屬熱噴涂保護

　　熱噴涂技術是一項成熟的重防腐技術，在國內外海洋工程鋼結構應用上已有許多成功的實例［７－９］。金屬熱噴鋅鋁及其合金涂層以機械鑲嵌和微冶金方式與基體金屬相結合，熱噴涂涂層于鋼構件的表面在施工后形成了非常牢固的涂層結合力（經測試最大可以達到１０ＭＰａ以上）。當金屬熱噴涂層受到破壞時，鋅鋁涂層可作為犧牲陽極繼續保護鋼體表面。試驗和實例表明，２００μｍ厚熱噴鋁涂層的防腐年限可長達３０年。典型的重防腐區域熱噴涂涂層體系為熱噴鋁涂層２００～２５０μｍ＋３０μｍ稀釋的封閉漆（環氧）。

　　目前，國內熱噴鋁涂層較大的應用工程是由巴西石油公司Ｐｅｔｒｏｂｒａｓ設計，武昌船舶重工有限責任公司負責建造的３０年免維護深海水下浮體。浮體內部鋼表面均為熱噴鋁涂層，涂層厚度為２２５～４００μｍ，施工總面積達１００　０００ｍ２。不同于外部區域熱噴涂施工，浮體內部均為壓載艙，作業空間封閉、施工面積大、結構面復雜等問題給熱噴涂施工帶來巨大挑戰。在封閉空間進行熱噴鋁施工，容易產生粉塵堆積，且施工環境溫度高，不僅無法保障施工人員的健康以及生產的連續性，并且粉塵沉積到未施工鋼板表面，還會影響到涂層附著力。另外，噴槍比一般涂料噴槍體積大，存在操作不便、狹窄區域容易產生施工死角及涂層膜厚不均的問題。為了保障熱噴涂施工效率，在封閉空間內進行熱噴鋁施工必須對環境溫濕度控制、施工安全、通風設備運行情況、生產人員管理等方面進行嚴格把關。從生產效益出發，考慮到熱噴涂施工成本較高，熱噴涂技術更適用于海洋防腐鋼結構外部區域或鋼構件的防腐防護。

　　３.２　重防腐涂層防護

　　３.２.１　常用重防腐涂料

　　根據ＩＳＯ　１２９４４－５規定，在大氣環境中預期防腐年限大于１５年的涂層厚度應為２８０～４００μｍ，在浸泡或掩埋環境中預期防腐年限大于１５年的涂層厚度應為４８０～１　０００μｍ。重防腐涂層需在苛刻腐蝕環境中對被保護體達到較長時間的防護。隨著海洋工程的使用壽命不斷被延長，漆膜厚度也不斷被增加，總干膜厚度由３００μｍ提高到１ｍｍ，甚至更厚。漆膜的性能與成膜厚度取決于采用的樹脂，環氧樹脂具有優良的附著力、成膜性能以及低縮率，能同多種樹脂、填料和助劑混溶配制成多種重防腐涂料，因此環氧樹脂涂料是目前海洋工程防腐中最主要的涂料。

　　對于飛濺區的重防腐涂層而言，該區域長期經受海浪的拍打和生產作業中外物的碰撞，１～２年就需要進行維護。然而在水下進行涂層修復難以保證施工質量，達不到預期效果，因此飛濺區的涂層還應具有較強的抗沖擊能力。飛濺區較常用的重防腐涂層主要為高強度環氧涂層或是厚膜型環氧玻璃鱗片涂層。厚膜型環氧玻璃鱗片涂料是在環氧樹脂內增加玻璃鱗片或玻璃絲，玻璃鱗片的添加可增強涂層的屏蔽性能和機械強度，使涂料具有抗滲透力強、涂層收縮率低、抗熱沖擊性能優異等特點，局限性在于漆膜較硬難以修復，施工時要求一次性成膜。

　　目前英國的ＩＰ，丹麥的Ｈｅｍｐｅｌ，挪威的Ｊｏｔｕｎ等幾家大公司推出的長效防腐涂料產品占據了我國海洋防腐涂料的主要市場。主流產品有：Ｈｅｍｐｅｌ公司的超強度環氧漆４５７５１，超強度環氧漆３５８７０；ＩＰ公司的Ｉｎｔｅｔｚｏｎｅ　９５４改性環氧樹脂漆，Ｉｎｔｅｒｚｏｎｅ５０５玻璃鱗片環氧樹脂漆，Ｉｎｔｅｒｚｏｎｅ　４８５超高膜厚環氧樹脂漆；Ｊｏｔｕｎ公司的Ｊｏｔａｍａｓｔｉｃ８７ＧＦ改性耐磨環氧玻璃鱗片漆，Ｍａｒａｔｈｏｎ　ＩＱ　ＧＦ環氧玻璃鱗片增強漆，Ｍａｒａｔｈｏｎ　ＸＨＢ厚漿型環氧玻璃鱗片漆，Ｍａｔａｔｈｏｎ耐磨環氧玻璃鱗片漆以及Ｂａｌｔｏｆｌａｋｅ系列玻璃鱗片聚酯漆等。上述產品中Ｉｎｔｅｒｚｏｎｅ　４８５一次成膜可達１～３ｍｍ，Ｍａｒａｔｈｏｎ　ＸＨＢ與Ｍａｔａｔｈｏｎ標準膜厚度達６００μｍ。

　　在眾多的重防腐涂料產品中，Ｊｏｔｕｎ公司的Ｂａｌｔｏｆｌａｋｅ系列聚酯漆不同于其它含玻璃鱗片環氧漆，是一種快速固化型耐磨聚酯玻璃鱗片厚漿涂料，防腐效果可達３０年以上免維護。該產品在挪威Ｅｋｏｆｉｓｋ油田鉆井平臺樁腿飛濺區已有３０年工程應用先例，適用于離岸海洋工程大型鋼鐵結構物，流體物資（油、氣、水）運輸的海底管道、建筑外墻以及橋梁的飛濺區或是無法進行涂層維護的區域。玻璃鱗片聚酯漆與玻璃鱗片環氧漆相比具有適用領域廣、玻璃鱗片含量高、涂層力學性能優異、防腐年限長久等優點。其與熱噴鋅鋁涂層相比，具有成本低、可修補、表面處理要求低、對施工設備與施工人員無特殊要求等優點。近年來在國外使用該類涂料進行長效防腐防護的大型工程有：１９９２年法國ＧＤＦ液化天然氣接收站；１９９７年新加坡Ｎｏｒｎｅ　ＦＰＳＯ；２００７年Ｐａｍｐａ　Ｍｅｌｃｈｏｒｉｔａ天然液化氣廠（設計使用年限為３０年）；２０１０年英國Ｓｈｅｒｉｎｇｈａｍ　Ｓｈｏａｌ海上風電場等。

　　３.２.２　聚氨酯重防腐涂料

　　１００％固含量結構性聚氨酯涂料是由多異氰酸酯與多元醇兩組分混合形成聚氨酯涂層，一次成膜厚度可達１ｍｍ。涂料反應過程是快速、放熱的高分子聚合過程，因而特別適合冬季和快速防腐施工作業，應用環境適應性強，且涂料不含溶劑，具有安全環保、附著力超強、耐磨性強、施工性能良好、耐腐蝕壽命長（可達５０年）等優點。１００％固含量無溶劑聚氨酯防腐涂料可用于儲罐內外、船舶、海洋石油平臺及鋼鐵結構物的防腐，防腐年限可長達幾十年之久。在２００３年和２００７年，美國海軍專門撰文介紹了無溶劑結構性聚氨酯重防腐涂料與涂層技術應用于海軍軍艦的實例，將無溶劑結構性聚氨酯涂料與涂層技術為主的快速固化重防腐技術作為美國海軍裝備保護技術最成功的案例，同時還對彈性聚氨酯與聚脲涂料技術進行了對比試驗，認為彈性聚氨酯與聚脲涂料遠不能達到無溶劑結構性聚氨酯重防腐涂料所具備的優秀防腐性能。彈性聚氨酯涂層或聚脲彈性體涂層分子間呈線性結構，具有交聯度低、涂層耐沖擊性佳、韌性高的優點，但附著力、耐化學腐蝕及抗陰極剝離性能相對較差。剛性與結構性聚氨酯涂層的化學附著力非常好，分子間彼此高度交聯，耐化學腐蝕性能優良，是金屬防腐的最佳選擇。在國外，聚氨酯重防腐涂料已經被使用在美國最大的風力塔工程Ｂｌｕｅ　Ｃａｎｙｏｎ　Ｏｋｌａｈｏｍａ，美國加利福尼亞圣迭戈嘉年華島管道防腐工程（預期壽命１１１年），美國華盛頓Ｇｒａｎｄ　Ｃｏｕｌｅｅ大壩，舊金山圣馬特奧大橋等工程和建筑中，目前運行正常。鑒于１００％固含量結構性聚氨酯涂料出色的防腐效果，可應用于海洋工程鋼結構物耐腐蝕性能要求較高的區域，如液艙、管道等區域［１０］。

　　３.２.３　氟碳重防腐涂料

　　氟碳涂料是在氟樹脂基礎上進行改性加工而成的一種新型高耐久涂層材料。由于氟樹脂中Ｃ－Ｆ鍵分子健能超強，使氟碳涂料具有極高的穩定性，其耐候性、耐蝕性、耐磨性以及耐污性等方面較丙烯酸類、聚酯類面漆有著明顯優勢。在苛刻的海洋腐蝕環境下，氟碳樹脂面漆可于戶外暴露２０年以上仍保持涂層外觀的完美如初，是海洋工程鋼結構長效防腐面漆的最佳選擇。除此之外，氟碳涂料的耐酸、耐堿、耐化學品腐蝕性能也優于其它涂層，可用于接觸強腐蝕介質的液艙。

　　３.３　防腐套包縛技術

　　早期出現的防腐套包縛技術有包覆金屬或合金護套以及包覆混凝土或玻璃鋼兩種防蝕方法。兩者對于海洋平臺樁腿、碼頭鋼管樁飛濺區域的鋼結構均具有良好保護效果。但包覆金屬或合金護套技術存在著價格昂貴、易形成電偶腐蝕、抗沖擊性能差、接觸腐蝕以及施工困難等缺點。包覆混凝土或玻璃鋼技術密閉性較差，單用玻璃鋼外罩一旦海水滲入將腐蝕混凝土從而縮短防護套的使用壽命。目前，復層礦脂包覆防腐技術被公認為最成熟的防腐套包覆技術，并在日本、英國等發達國家都有較為廣泛地使用，使用壽命可達３０年以上。復層礦脂包覆防腐技術由礦脂防蝕膏、礦脂防蝕帶、密封緩沖層和玻璃鋼保護罩組成，礦脂防蝕膏以及礦脂防蝕帶含有緩蝕成分，可減緩海水對被保護體表面的侵蝕，密封緩沖層和防蝕保護罩則具有密閉和抗沖擊性能。該技術特點在于對基體表面處理要求低，達到ＩＳＯ　Ｓｔ２標準即可，施工方便、可帶水作業、質量輕、對結構物無附加載重和壓力、綠色環保。因此，其可作為飛濺區腐蝕防護修復技術，適用于各種海洋腐蝕環境下的管線保護，只是防腐套對于帶有橫支撐等結構的異型鋼管樁防護存在一定的困難，仍有待進一步解決技術難題［１１］。

　　３.４　鋅加防腐保護技術

　　鋅加保護是一種優質便捷的鋼結構防腐保護方法。用于鋼結構防腐蝕保護的鋅加涂料是由電解鋅粉、有機樹脂和揮發性溶劑３部分配制而成的單組分產品。鋅加干膜含９６％以上的純鋅，對鋼材表面提供較好的陰極保護。當鋅加涂層被氧化時，會在鋅加涂層表面產生一層鋅鹽層來提供屏障保護，從而減緩鋅的氧化，同時起到了陰極保護和屏蔽保護的作用，其耐腐蝕能力高于常規的富鋅底漆與熱鍍鋅涂層５～６倍，防腐蝕保護年限可達３０年。同時鋅加保護還具備獨特的重融性，新的鋅加涂層與原有的鋅加涂層可完全融合，便于維修補涂。經國內外海洋平臺的實際使用證明，鋅加保護涂層技術的防腐蝕性能十分優異［１２－１３］，因此可以用來替代傳統熱鍍鋅處理鐵舾件，還可維修經熱鍍鋅防腐處理的鋼結構件。

　　３.５　耐海水腐蝕鋼

　　耐海水腐蝕鋼是一種通過添加微量合金元素及采用合理軋制工藝技術，保證鋼材表面形成含有特定結構、具有離子選擇特性的致密保護層，使鋼材本身具有耐腐蝕性能、優良綜合力學性能及使用性能的一類低合金高強度鋼。其可應用于原油運輸船、海洋平臺、海底油氣管線和大型跨海橋梁等領域。美國和日本早在２０世紀３０年代便開始了對耐海水腐蝕鋼的研究，發展至今日本的Ｍａｒｉｌｏｙ系列低合金耐海水腐蝕鋼［１４］表現較為突出。該腐蝕鋼中鉻、硅、銅等合金元素在腐蝕過程中通過形成鹽膜或是以重富集形態直接作用于金屬表面，減緩鋼的腐蝕速率，從而具有良好的耐蝕性，使其在飛濺區的耐海水腐蝕性能強于普通碳素鋼數倍。相比國外，我國對耐蝕鋼的研究相對滯后，在充分認識添加Ｃｒ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ｐ等耐候性合金元素對低合金鋼耐海水腐蝕性能影響的基礎上，結合日本耐海水鋼成分特點，開發出Ｃｒ－Ｃｕ－Ｍｏ系耐海水腐蝕鋼種Ｑ３４５ＣＮＨＹ３，其具有優良的力學性能、焊接性能和耐海水腐蝕性能［１５］，能夠滿足海洋鋼結構的制造要求。目前，日本在耐蝕鋼領域處于技術壟斷地位，在海洋工程產品中，應用的耐蝕鋼主要依賴于向日本鋼鐵企業進口，成本昂貴。我國對海洋工程耐蝕鋼的研究與發達國家有著較大的差距，存在著海洋工程用鋼品種規格少、質量不穩定、使用壽命短、缺乏對耐蝕鋼檢測與第三方認證機構等共同平臺、對焊縫焊材的耐蝕性問題未足夠重視、未建立船用和海工裝備耐蝕鋼標準體系等一系列問題，尚不能實現耐海水腐蝕鋼國產化生產。

　　４　結束語

　　隨著海洋工程技術不斷地發展，對海洋工程鋼結構物的長效防腐蝕技術也提出了更高的要求。本文通過對重防腐涂料、金屬熱噴涂保護、防腐套包覆等常見的重防腐技術的性能以及應用現狀進行論述，分析了各類防腐涂層的優缺點，探討了重防腐技術在海洋工程鋼結構物各區域中的應用，為同壽命涂層體系的設計提供了理論與實際依據。在設計長效防腐涂層配套的過程中，不僅需要我們熟悉常見的重防腐技術，還應更加大膽地引進最新的材料與技術，從海洋鋼結構物的使用壽命，建造成本和環境效果等多方面評估防腐配套方案的可行性，最終從實際應用中總結經驗，提高防腐蝕效果與質量，從而進一步推動重防腐技術的發展。

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責任編輯：王元

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