0 引言

    鋼材種類(lèi)繁多，被廣泛應(yīng)用在海洋資源的開(kāi)發(fā)和利用過(guò)程中，很多大型海洋構(gòu)件都屬于鋼結(jié)構(gòu)。然而鋼結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期處于海洋環(huán)境中極易發(fā)生腐蝕，尤其是在浪濺區(qū)，有關(guān)調(diào)查顯示：鋼結(jié)構(gòu)在海洋浪濺區(qū)的腐蝕速率最高，是在大氣區(qū)和全浸區(qū)的數(shù)倍。因此，尋求一種高效、適用于浪濺區(qū)的防腐措施關(guān)系到海洋鋼結(jié)構(gòu)的整體安全性及使用壽命。

    1 鋼結(jié)構(gòu)在浪濺區(qū)的腐蝕行為

    1.1 浪濺區(qū)范圍

    Humble 在1949 年最早將海洋浪濺區(qū)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(qū)帶。后來(lái)日本防腐蝕專(zhuān)家渡道經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：浪濺區(qū)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(gòu)筑物腐蝕最嚴(yán)重處在海水平均高潮位以上0.45~0.60 m 處。

    在我國(guó)，朱相榮和黃桂橋等在不同海域?qū)藶R區(qū)范圍進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)浪濺區(qū)約在海水平均高潮位以上0~2.4 m 處。我國(guó)現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范JTS 153—3—2007《海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》對(duì)海港工程鋼結(jié)構(gòu)的部位劃分作出了明確規(guī)定，如表1 所示。

    1.2 鋼結(jié)構(gòu)在浪濺區(qū)的腐蝕機(jī)理

    許多研究發(fā)現(xiàn)，浪濺區(qū)比大氣區(qū)和水下區(qū)的腐蝕更嚴(yán)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(gè)方面的綜合影響。浪濺區(qū)處于海洋環(huán)境表層，日照充足，晝夜溫差大，干濕交替頻繁。干燥和潤(rùn)濕時(shí)間比例對(duì)離子擴(kuò)散速度有很大影響，干燥時(shí)間越長(zhǎng)，毛細(xì)作用越顯著，氯離子滲透速度越大，加上浪濺區(qū)含氧量豐富，鹽分充足，可加速水膜的形成，水膜的蒸發(fā)和凝聚會(huì)導(dǎo)致表面鹽分濃縮從而導(dǎo)致點(diǎn)蝕。浪濺區(qū)設(shè)施除受到環(huán)境物理化學(xué)狀態(tài)影響外，還要經(jīng)受海流和波浪沖擊產(chǎn)生的沖刷作用和附加荷載作用，易發(fā)生腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕，加快腐蝕行為的發(fā)生。

    處在浪濺區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)腐蝕迅速，除了受外界環(huán)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(guò)模擬浪濺區(qū)干濕交替環(huán)境，發(fā)現(xiàn)在潤(rùn)濕過(guò)程中銹層作為一種強(qiáng)氧化劑起作用，發(fā)生了Fe3+到Fe2+ 的還原反應(yīng)；而在干燥過(guò)程中，因空氣氧化，銹層中的Fe2+ 又被氧化為Fe3+。經(jīng)過(guò)多次干濕循環(huán)，銹層發(fā)生了氧化- 還原- 再氧化的循環(huán)反應(yīng)，從而加速了腐蝕。朱相榮等通過(guò)對(duì)脫氧和未脫氧下帶銹試片的極化曲線進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：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(qū)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

    海洋鋼結(jié)構(gòu)的安全使用離不開(kāi)經(jīng)濟(jì)有效的防護(hù)措施。由于浪濺區(qū)腐蝕的特殊性，國(guó)內(nèi)外從未停止過(guò)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)在浪濺區(qū)的防護(hù)對(duì)策研究。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究發(fā)現(xiàn)，除了不斷改善鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加入合金元素外，目前采用較多的防護(hù)技術(shù)有重防腐蝕涂料保護(hù)、陰極保護(hù)、金屬熱噴涂保護(hù)、熱浸鍍層腐蝕保護(hù)以及包覆層保護(hù)等。

    2.1 重防腐蝕涂料保護(hù)

    相對(duì)常規(guī)防腐涂料而言，重防腐涂料適用范圍更廣，保護(hù)期更長(zhǎng)。目前常用的重防腐涂料有無(wú)機(jī)富鋅涂料、玻璃鱗片涂料、聚脲彈性體涂料等。

    據(jù)美國(guó)航空航天局報(bào)告，水性無(wú)機(jī)富鋅涂料防腐蝕能力明顯優(yōu)于其他種類(lèi)的富鋅涂料。魏向陽(yáng)通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：采用水性無(wú)機(jī)富鋅涂料作底漆，配用高固體分復(fù)合樹(shù)脂防腐涂料作面漆，防腐性能更加優(yōu)越。該配套涂料體系的優(yōu)越性目前已在大型鋼架橋、海岸港口鋼結(jié)構(gòu)、大型軍用船舶等領(lǐng)域得到實(shí)踐驗(yàn)證。隨著研究的深入，水性無(wú)機(jī)富鋅涂料的性能不斷改善，近些年問(wèn)世的水性無(wú)機(jī)富鋅涂料的模數(shù)已經(jīng)達(dá)到5.7，而黏度僅為15~17 mPa·s。

    玻璃鱗片涂料主要由無(wú)溶劑不飽和聚酯樹(shù)脂和玻璃鱗片組成。因玻璃鱗片涂料的保護(hù)屏障作用較好，已被日本沿海開(kāi)發(fā)技術(shù)研究中心推薦用于海洋浪濺區(qū)。李敏等研制了一種高固含量厚漿型環(huán)氧玻璃鱗片涂料，經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：其耐鹽霧性、耐人工海水性等性能均達(dá)到了較高水準(zhǔn)，可有效提高海洋鋼結(jié)構(gòu)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(huán)境、自然曝曬、紫外線人工加速老化環(huán)境下的力學(xué)性能、光澤度和分子結(jié)構(gòu)的變化，結(jié)果顯示：相對(duì)于普通防腐涂層，其耐蝕性能更加優(yōu)異，能適應(yīng)較為嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境條件。近年來(lái)，該技術(shù)已被國(guó)內(nèi)外廣泛采用，美國(guó)將其用于圣馬特跨海大橋、各類(lèi)艦船、海洋平臺(tái)等工程；與此同時(shí)，我國(guó)也已成功將其應(yīng)用于青島海灣大橋承臺(tái)、超大型海岸沉箱裝置防腐工程等。工程實(shí)踐應(yīng)用表明，聚脲防腐涂層憑借其優(yōu)良的防腐性能、耐老化性能以及耐沖刷性能，可應(yīng)用于浪濺區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的防護(hù)。

    2.2 陰極保護(hù)

    由于鋼結(jié)構(gòu)在浪濺區(qū)的海水浸泡率過(guò)低，不能形成有效的電流回路，因此普通的陰極保護(hù)對(duì)于浪濺區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的防護(hù)具有一定的局限性。

    針對(duì)這種情況，美國(guó)在處于周期性間浸漬部位的鋼結(jié)構(gòu)物表面充滿鋸屑、膨潤(rùn)土之類(lèi)的吸水物質(zhì)，或把石膏、膨潤(rùn)土和硫酸鈉的混合物包覆在被保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)表面，再在里面埋設(shè)犧牲陽(yáng)極，使鋼結(jié)構(gòu)作為陰極得到充分保護(hù)。相對(duì)于上述方法，我國(guó)黃彥良提出一種更為簡(jiǎn)單的防護(hù)方法，即在鋼結(jié)構(gòu)表面引入一層電解質(zhì)膜，以提供陰極保護(hù)電流。

    目前在工程實(shí)踐中對(duì)處于浪濺區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)，通常是將陰極保護(hù)和涂層保護(hù)聯(lián)合使用，在兩者的協(xié)同作用下達(dá)到較好的防護(hù)效果。范衛(wèi)國(guó)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(hù)的同時(shí)選用A2I-C 型鋁合金陽(yáng)極，取得了較好的防腐效果。

    2.3 金屬熱噴涂保護(hù)

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

    在海洋防護(hù)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(shí)間最早，但其耐久性不好，無(wú)法提供長(zhǎng)時(shí)間的保護(hù)。相對(duì)來(lái)說(shuō)，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(qū)。早在1984 年，Hutton 公司便將熱噴涂鋁涂層應(yīng)用在海洋平臺(tái)工程中，使浪濺區(qū)受到保護(hù)，未發(fā)生腐蝕，從而表明了該涂層防護(hù)效果良好。美國(guó)海洋土木工程實(shí)驗(yàn)室也曾采用試樣懸吊的方式對(duì)噴鋁試樣進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)10 a 的腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋼樁基本得到良好的保護(hù)。王真通過(guò)對(duì)純鋁涂層耐蝕性的研究發(fā)現(xiàn)，純鋁涂層的腐蝕速率會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸變緩，對(duì)基體可以起到長(zhǎng)期的保護(hù)作用。周學(xué)杰等對(duì)噴鋅、噴鋁和噴鋅- 鋁涂層進(jìn)行了對(duì)比研究，實(shí)海暴露試驗(yàn)結(jié)果表明：在浪濺區(qū)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(diǎn)。我國(guó)勝利油田曾將鋅- 鋁復(fù)合涂層噴涂在部分導(dǎo)管架上，實(shí)際使用結(jié)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(hù)技術(shù)

    熱浸鍍層是在浪濺區(qū)腐蝕防護(hù)中常用的另一種方法。這種方法是先將鋼材表面進(jìn)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(qū)，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行腐蝕質(zhì)量損失測(cè)試和顯微結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)：這3 種鍍層試樣在浪濺區(qū)的腐蝕速度均低于在潮差區(qū)和全浸區(qū)的腐蝕速度，其中鋅- 鋁- 硅鍍層在浪濺區(qū)的抗蝕性能最佳，鋅- 鋁- 稀土其次，均優(yōu)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(jié)果表明：雙鍍層耐腐蝕性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的鋅鍍層。

    2.5 包覆層保護(hù)

    包覆層保護(hù)通常是指通過(guò)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(zhì)相隔開(kāi)，以達(dá)到控制腐蝕、延長(zhǎng)鋼結(jié)構(gòu)使用壽命的一種方法。目前在浪濺區(qū)經(jīng)常使用的有礦脂包覆技術(shù)、包覆金屬或合金護(hù)套、包覆混凝土或其他護(hù)套等。

    （1） 礦脂包覆技術(shù)

    礦脂包覆技術(shù)是指在鋼結(jié)構(gòu)表面首先涂覆具有良好黏著性、非水溶性、防水性、不揮發(fā)性、電絕緣性等的礦脂材料，再在外部包覆防護(hù)外罩的防腐蝕技術(shù)。

    礦脂包覆技術(shù)起源于1925 年英國(guó)發(fā)明的Denso礦脂防腐蝕系統(tǒng)；20 世紀(jì)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(jié)構(gòu)浪濺區(qū)長(zhǎng)期耐久的防腐方法，即復(fù)層礦脂包覆防腐技術(shù)（Petrolatum Tape and Covering System，簡(jiǎn)稱PTC）；此后中國(guó)科學(xué)院海洋研究所成功開(kāi)發(fā)了該項(xiàng)技術(shù)，并聯(lián)合日本成功地將PTC 新型包覆技術(shù)應(yīng)用于我國(guó)勝利油田CB22 單平臺(tái)浪濺區(qū)的防腐，取得了滿意的效果。

    復(fù)層礦脂包覆技術(shù)由礦脂防蝕膏、礦脂防蝕帶、密封緩沖層和防蝕保護(hù)罩四層保護(hù)層組成，其中礦脂防蝕膏是PTC 技術(shù)的核心內(nèi)容，它的性能決定了PTC 技術(shù)的穩(wěn)定性和耐久性。錢(qián)備采用耐溫流動(dòng)性和錐入度檢測(cè)方法，結(jié)合中性鹽霧和電化學(xué)交流阻抗試驗(yàn)，對(duì)礦脂防蝕膏的基礎(chǔ)配方進(jìn)行了測(cè)試優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)其抗鹽霧腐蝕性受硬脂酸鈣含量的影響較大。張堅(jiān)彬等通過(guò)鹽霧試驗(yàn)和電化學(xué)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，防蝕膏和防蝕帶均具有良好的耐蝕性能，可延長(zhǎng)保護(hù)物的使用壽命。

    PTC 技術(shù)可廣泛適用于浪濺區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的防護(hù)，以延長(zhǎng)其使用壽命。目前，該技術(shù)已成功用于我國(guó)港口碼頭、海洋石油平臺(tái)及海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等工程。其中浙江龍馳防腐技術(shù)有限公司在碼頭靠近海洋平臺(tái)一側(cè)選擇了三根鋼管樁進(jìn)行了示范應(yīng)用；在某濱海發(fā)電廠廠區(qū)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的防腐蝕施工項(xiàng)目也采用了該技術(shù)，呈現(xiàn)出良好的防護(hù)效果。

    （2） 包覆金屬或合金護(hù)套

    包覆合金護(hù)套通常焊接在鋼結(jié)構(gòu)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(qū)的保護(hù)套。

    400 號(hào)蒙乃爾合金是由美國(guó)國(guó)際鎳公司生產(chǎn)研制的。據(jù)報(bào)道，該合金護(hù)套曾被用作外海采油平臺(tái)浪濺區(qū)護(hù)板，并在連續(xù)使用20 a 后依然保持完好，表明其具有優(yōu)異的耐蝕性能，可廣泛應(yīng)用于海洋鋼結(jié)構(gòu)在浪濺區(qū)的防護(hù)。

    銅- 鎳合金護(hù)套具有較低的價(jià)格，高度的耐蝕性、可塑性與可焊性等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外海上鋼結(jié)構(gòu)浪濺區(qū)的防護(hù)工程中。在腐蝕環(huán)境嚴(yán)酷的英格蘭莫克姆灣（Morecambe Bay）采氣平臺(tái)浪花飛濺區(qū)的長(zhǎng)期應(yīng)用結(jié)果表明，銅- 鎳合金護(hù)套防腐效果良好。

    不銹鋼護(hù)套也常被用作浪濺區(qū)防護(hù)，這種護(hù)套不僅易于焊接，而且具有較好的抗蝕性能與力學(xué)性能，故而被許多國(guó)家和地區(qū)所采用，其中美國(guó)的一座海洋采油平臺(tái)采用不銹鋼護(hù)套對(duì)浪濺區(qū)進(jìn)行保護(hù)，取得滿意的效果。

    （3） 包覆混凝土護(hù)套或其他護(hù)套

    包覆混凝土的方法起源較早，但由于其防護(hù)效果良好，至今還有很多國(guó)家使用。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，混凝土包覆層延伸到平均低潮位以下時(shí)方可達(dá)到最佳的腐蝕防護(hù)效果，且混凝土包覆層厚度越大，其防護(hù)壽命越長(zhǎng)。

    在浪濺區(qū)的防護(hù)有時(shí)也會(huì)采用其他護(hù)套，如德國(guó)曾采用橡膠護(hù)套。美國(guó)Osmos 公司海洋組經(jīng)25 a的研究發(fā)現(xiàn)：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(jié)語(yǔ)

    海洋環(huán)境腐蝕條件苛刻，而浪濺區(qū)因復(fù)雜的物理化學(xué)條件，常常是全面腐蝕速率最高的區(qū)域。對(duì)海洋浪濺區(qū)腐蝕機(jī)理以及防護(hù)措施的研究，可以為處在海洋環(huán)境中的鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和維護(hù)提供有力依據(jù)。雖然浪濺區(qū)腐蝕與防護(hù)研究已經(jīng)取得大量成果，但浪濺區(qū)的防腐蝕技術(shù)目前仍是研究的薄弱部分，有待進(jìn)一步深入。研究防腐蝕效果更好、成本更低的浪濺區(qū)防護(hù)技術(shù)，對(duì)保護(hù)海洋鋼結(jié)構(gòu)工程、開(kāi)發(fā)海洋資源具有重大的戰(zhàn)略意義。

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責(zé)任編輯：王元

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