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盤點十大海洋腐蝕防護技術

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

海洋工程構筑物大致分為：海岸工程（鋼結構、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構。船舶與海洋工程結構的主要失效形式包括：均勻腐蝕、點蝕、應力腐蝕、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構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、結構健康監(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）是海洋結構腐蝕控制的常用手段，緩蝕劑在介質相對固定的內部結構上經(jīng)常使用，結構健康監(jiān)測與檢測技術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構安全可靠和最初設計時的重要環(huán)節(jié)。建立全壽命周期防護理念，結合海洋工程設施的特點及預期耐用年數(shù)，在建設初期就重視防腐蝕方法，通過維修保養(yǎng)實現(xiàn)耐用期內整體成本最小化并保障安全性，是重大海洋工程結構值得重視的問題。

一、防腐涂料（涂層）

涂料是船舶和海洋結構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。按防腐對象材質和腐蝕機理的不同，海洋防腐涂料又可分為海洋鋼結構防腐涂料和非鋼結構防腐涂料。海洋鋼結構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施、輸油管線、海上平臺等大型設施的防腐涂料；非鋼結構海洋防腐涂料則主要包括海洋混凝土構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筑物的附著、污損，保持船底或海洋結構的光滑、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整金屬材料中的化學元素成分、微觀結構、腐蝕產(chǎn)物膜的性質，實現(xiàn)降低電化學腐蝕的反應速度，從而可以顯著改善金屬材料的耐腐蝕性。

四、包覆技術

包覆技術為了有效控制浪花飛濺區(qū)的嚴重腐蝕，基于把腐蝕介質與材料隔離的原理，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用于螺栓與法蘭等異型結構、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進行水下施工。浪花飛濺區(qū)保護罩－復層礦脂包覆防腐材料技術采用優(yōu)良的緩蝕劑成分和能隔絕氧氣的密封技術，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)則設施均可以實施保護，目前已制定出企業(yè)標準。該技術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構以提高部件的耐腐蝕性。化學熱處理（滲氮、滲碳、滲金屬等）、激光重熔復合、離子注入、噴丸、納米化、軋制復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構，后者則是在材料表面復合一層更加耐腐蝕的材料。

六、電化學保護

金屬－電解質溶解腐蝕體系受到陰極極化時，電位負移，金屬陽極氧化反應過電位減小，反應速度減小，因而金屬腐蝕速度減小，稱為陰極保護效應。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在金屬表面上首先進行物理吸附，然后轉化為化學吸附，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、結構健康監(jiān)測與檢測

無論是鋼結構還是混凝土中的鋼筋，監(jiān)測與檢測是掌握腐蝕狀態(tài)的關鍵手段，其可以進行結構的提前預警，同時也是壽命評價的基礎，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、結構的腐蝕速度、海生物污損情況、涂層狀況、結構厚度變化、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)工程結構全壽期內的腐蝕狀態(tài)分析和壽命評估。我國的海洋腐蝕監(jiān)測 / 檢測設備及基礎設施的監(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構的安全性和可靠性是一項長期任務。由于較嚴重的腐蝕，服役過程中結構是否安全可靠需要進行評價；設計壽命到達后，考慮到結構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、提出壽命模型，以期開展工程結構的安全評價、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、鋼筋混凝土結構、有色金屬材料（鋁合金、鈦合金、銅合金、鎂合金等）、復合材料等。從使用量上看，鋼鐵、鋼筋混凝土用量最大。就腐蝕防護技術而言，前述的多種防護技術在不同材料上都可應用，然而，不同材料防護技術相互之間存在差異。復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，其防護技術還有待深入探討。

（節(jié)選自中國材料進展）

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