0引言

    隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人類對海洋資源認(rèn)知水平的不斷提高，海洋石油、海底礦業(yè)、海洋化工、海洋養(yǎng)殖、海洋能源等海洋產(chǎn)業(yè)的開發(fā)已從淺海走向深海，甚至超深海。從２０世紀(jì)６０年代起，海洋工程技術(shù)領(lǐng)域不斷發(fā)展，海上大型工程的設(shè)計(jì)使用年限均長達(dá)幾十年。由于海洋工程鋼結(jié)構(gòu)長期固定于海中，惡劣的海洋環(huán)境所造成的嚴(yán)重腐蝕直接影響到鋼結(jié)構(gòu)物的使用安全，且海上涂層的修補(bǔ)十分困難，常規(guī)防腐方法已無法保證海上鋼結(jié)構(gòu)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(hù)體施加一定的保護(hù)措施，使其達(dá)到較長使用年限的防腐蝕技術(shù)，對海上結(jié)構(gòu)物的腐蝕控制具有重要作用。

    1海洋結(jié)構(gòu)物的腐蝕規(guī)律及環(huán)境特性

    海洋鋼結(jié)構(gòu)物處于陽光暴曬、鹽霧、波浪沖擊、海生物侵蝕等復(fù)雜環(huán)境所構(gòu)成的海水體系中。在不同的海洋環(huán)境下，腐蝕行為和腐蝕特點(diǎn)存在著較大的差異，只有對鋼結(jié)構(gòu)物的腐蝕區(qū)域進(jìn)行明確的分析界定才能針對性地提出相應(yīng)的保護(hù)措施。海洋腐蝕環(huán)境理論上可分為大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)以及泥土區(qū)５大區(qū)域。由于海水的運(yùn)動變化，很難準(zhǔn)確劃分出飛濺區(qū)與潮差區(qū)的界定范圍，因此在工程實(shí)際應(yīng)用中則分為了大氣區(qū)、干濕交替區(qū)、海水海泥區(qū)3大區(qū)域。海洋大氣區(qū)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(chǎn)生局部腐蝕。

    干濕交替區(qū)分為潮差區(qū)和飛濺區(qū)。潮差區(qū)由于海水受到潮汐的作用，其腐蝕相對較輕。飛濺區(qū)由于經(jīng)常形成潮濕表面，長期受到陽光強(qiáng)輻射，且供氧充足，腐蝕環(huán)境最為苛刻，腐蝕速率一般為0.3 ～0.5ｍｍ／ａ，最高可達(dá)１ｍｍ／ａ，約是全浸區(qū)的3～10倍。

    海水全浸區(qū)是指干濕交替區(qū)向下包括在泥土中的部分，可分為淺海區(qū)、深海區(qū)以及泥土區(qū)。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(qū)，但深海區(qū)氧含量往往比海水表層及大氣區(qū)低得多，水溫接近于零度，腐蝕較輕。海底泥土區(qū)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。

    2海洋結(jié)構(gòu)物腐蝕區(qū)域防腐方法

    海洋結(jié)構(gòu)物防腐蝕主要分為覆蓋層保護(hù)和電化學(xué)保護(hù)。由于大氣區(qū)部位不接觸海水，飛濺區(qū)部位海水浸泡率較低，因此通過陰極保護(hù)對大氣區(qū)和飛濺區(qū)鋼結(jié)構(gòu)實(shí)施保護(hù)存在著一定的局限性，因此覆蓋層保護(hù)方法為其主要的防腐措施。對于至低潮位線下１ｍ區(qū)域的鋼結(jié)構(gòu)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(xué)聯(lián)合的方法進(jìn)行保護(hù)。低潮位線下１ｍ至海底面的區(qū)域既可同時采用覆蓋層與電化學(xué)聯(lián)合保護(hù)法，也可單獨(dú)使用電化學(xué)或是覆蓋層保護(hù)法。海底泥土區(qū)僅使用電化學(xué)保護(hù)法即可。

    陰極保護(hù)主要有犧牲陽極和外加電流保護(hù)兩種。對于腐蝕嚴(yán)重的區(qū)域，很少單獨(dú)使用覆蓋層保護(hù)，通常需要將陰極保護(hù)與涂層保護(hù)相結(jié)合來保證可以長期防腐蝕。覆蓋層保護(hù)的方法根據(jù)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(hù)方法包含有熱噴涂防腐技術(shù)、重防腐涂料涂層、多層防護(hù)系統(tǒng)、鋅加防腐技術(shù)等。另外，除了陰極保護(hù)和覆蓋層保護(hù)方法外，發(fā)達(dá)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(jié)合外表面的防腐保護(hù)層，可顯著提高鋼結(jié)構(gòu)物的使用壽命。下文將針對各類重防腐技術(shù)展開具體介紹與分析。

    3海洋重防腐技術(shù)及應(yīng)用

    3.1金屬熱噴涂保護(hù)

    熱噴涂技術(shù)是一項(xiàng)成熟的重防腐技術(shù)，在國內(nèi)外海洋工程鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用上已有許多成功的實(shí)例。金屬熱噴鋅鋁及其合金涂層以機(jī)械鑲嵌和微冶金方式與基體金屬相結(jié)合，熱噴涂涂層于鋼構(gòu)件的表面在施工后形成了非常牢固的涂層結(jié)合力（經(jīng)測試最大可以達(dá)到10Ｍpａ以上）。當(dāng)金屬熱噴涂層受到破壞時，鋅鋁涂層可作為犧牲陽極繼續(xù)保護(hù)鋼體表面。試驗(yàn)和實(shí)例表明，200μｍ厚熱噴鋁涂層的防腐年限可長達(dá)30年。典型的重防腐區(qū)域熱噴涂涂層體系為熱噴鋁涂層200～250μｍ＋30μｍ稀釋的封閉漆（環(huán)氧）。

    目前，國內(nèi)熱噴鋁涂層較大的應(yīng)用工程是由巴西石油公司Petrobras設(shè)計(jì)，武昌船舶重工有限責(zé)任公司負(fù)責(zé)建造的30年免維護(hù)深海水下浮體。浮體內(nèi)部鋼表面均為熱噴鋁涂層，涂層厚度為225～400μｍ，施工總面積達(dá)100000ｍ2。不同于外部區(qū)域熱噴涂施工，浮體內(nèi)部均為壓載艙，作業(yè)空間封閉、施工面積大、結(jié)構(gòu)面復(fù)雜等問題給熱噴涂施工帶來巨大挑戰(zhàn)。在封閉空間進(jìn)行熱噴鋁施工，容易產(chǎn)生粉塵堆積，且施工環(huán)境溫度高，不僅無法保障施工人員的健康以及生產(chǎn)的連續(xù)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(qū)域容易產(chǎn)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(nèi)進(jìn)行熱噴鋁施工必須對環(huán)境溫濕度控制、施工安全、通風(fēng)設(shè)備運(yùn)行情況、生產(chǎn)人員管理等方面進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)。從生產(chǎn)效益出發(fā)，考慮到熱噴涂施工成本較高，熱噴涂技術(shù)更適用于海洋防腐鋼結(jié)構(gòu)外部區(qū)域或鋼構(gòu)件的防腐防護(hù)。

    3.2重防腐涂層防護(hù)

    3.2.1常用重防腐涂料

    根據(jù)ＩＳＯ12944－5規(guī)定，在大氣環(huán)境中預(yù)期防腐年限大于15年的涂層厚度應(yīng)為280～400μｍ，在浸泡或掩埋環(huán)境中預(yù)期防腐年限大于15年的涂層厚度應(yīng)為480～1000μｍ。重防腐涂層需在苛刻腐蝕環(huán)境中對被保護(hù)體達(dá)到較長時間的防護(hù)。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(huán)氧樹脂具有優(yōu)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(huán)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(qū)的重防腐涂層而言，該區(qū)域長期經(jīng)受海浪的拍打和生產(chǎn)作業(yè)中外物的碰撞，１～２年就需要進(jìn)行維護(hù)。然而在水下進(jìn)行涂層修復(fù)難以保證施工質(zhì)量，達(dá)不到預(yù)期效果，因此飛濺區(qū)的涂層還應(yīng)具有較強(qiáng)的抗沖擊能力。飛濺區(qū)較常用的重防腐涂層主要為高強(qiáng)度環(huán)氧涂層或是厚膜型環(huán)氧玻璃鱗片涂層。厚膜型環(huán)氧玻璃鱗片涂料是在環(huán)氧樹脂內(nèi)增加玻璃鱗片或玻璃絲，玻璃鱗片的添加可增強(qiáng)涂層的屏蔽性能和機(jī)械強(qiáng)度，使涂料具有抗?jié)B透力強(qiáng)、涂層收縮率低、抗熱沖擊性能優(yōu)異等特點(diǎn)，局限性在于漆膜較硬難以修復(fù)，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(chǎn)品占據(jù)了我國海洋防腐涂料的主要市場。主流產(chǎn)品有：Hempel公司的超強(qiáng)度環(huán)氧漆45751,超強(qiáng)度環(huán)氧漆35870;IP公司的Intetzone 954改性環(huán)氧樹脂漆，Interzone505玻璃鱗片環(huán)氧樹脂漆，Interzone 485超高膜厚環(huán)氧樹脂漆；Jotun公司的Jotamastic87GF改性耐磨環(huán)氧玻璃鱗片漆，Marathon IQ GF環(huán)氧玻璃鱗片增強(qiáng)漆，Marathon XHB厚漿型環(huán)氧玻璃鱗片漆，Matathon耐磨環(huán)氧玻璃鱗片漆以及Baltoflake系列玻璃鱗片聚酯漆等。上述產(chǎn)品中Interzone 485一次成膜可達(dá)1~3mm,Marathon XHB與Matathon標(biāo)準(zhǔn)膜厚度達(dá)600μm在眾多的重防腐涂料產(chǎn)品中，Jotun公司的Baltoflake系列聚酯漆不同于其它含玻璃鱗片環(huán)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(dá)30 年以上免維護(hù)。該產(chǎn)品在挪威Ekofisk油田鉆井平臺樁腿飛濺區(qū)已有30年工程應(yīng)用先例，適用于離岸海洋工程大型鋼鐵結(jié)構(gòu)物，流體物資（油、氣、水）運(yùn)輸?shù)暮５坠艿馈⒔ㄖ鈮σ约皹蛄旱娘w濺區(qū)或是無法進(jìn)行涂層維護(hù)的區(qū)域。玻璃鱗片聚酯漆與玻璃鱗片環(huán)氧漆相比具有適用領(lǐng)域廣、玻璃鱗片含量高、涂層力學(xué)性能優(yōu)異、防腐年限長久等優(yōu)點(diǎn)。其與熱噴鋅鋁涂層相比，具有成本低、可修補(bǔ)、表面處理要求低、對施工設(shè)備與施工人員無特殊要求等優(yōu)點(diǎn)。近年來在國外使用該類涂料進(jìn)行長效防腐防護(hù)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(shè)計(jì)使用年限為30年）；2010年英國Sheringham Shoal海上風(fēng)電場等。

    3.2.2聚氨酯重防腐涂料

    100％固含量結(jié)構(gòu)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(dá)１ｍｍ。涂料反應(yīng)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(yè)，應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，且涂料不含溶劑，具有安全環(huán)保、附著力超強(qiáng)、耐磨性強(qiáng)、施工性能良好、耐腐蝕壽命長（可達(dá)50年）等優(yōu)點(diǎn)。100％固含量無溶劑聚氨酯防腐涂料可用于儲罐內(nèi)外、船舶、海洋石油平臺及鋼鐵結(jié)構(gòu)物的防腐，防腐年限可長達(dá)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(jié)構(gòu)性聚氨酯重防腐涂料與涂層技術(shù)應(yīng)用于海軍軍艦的實(shí)例，將無溶劑結(jié)構(gòu)性聚氨酯涂料與涂層技術(shù)為主的快速固化重防腐技術(shù)作為美國海軍裝備保護(hù)技術(shù)最成功的案例，同時還對彈性聚氨酯與聚脲涂料技術(shù)進(jìn)行了對比試驗(yàn)，認(rèn)為彈性聚氨酯與聚脲涂料遠(yuǎn)不能達(dá)到無溶劑結(jié)構(gòu)性聚氨酯重防腐涂料所具備的優(yōu)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(jié)構(gòu)，具有交聯(lián)度低、涂層耐沖擊性佳、韌性高的優(yōu)點(diǎn)，但附著力、耐化學(xué)腐蝕及抗陰極剝離性能相對較差。剛性與結(jié)構(gòu)性聚氨酯涂層的化學(xué)附著力非常好，分子間彼此高度交聯(lián)，耐化學(xué)腐蝕性能優(yōu)良，是金屬防腐的最佳選擇。在國外，聚氨酯重防腐涂料已經(jīng)被使用在美國最大的風(fēng)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(yù)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(yùn)行正常。鑒于100％固含量結(jié)構(gòu)性聚氨酯涂料出色的防腐效果，可應(yīng)用于海洋工程鋼結(jié)構(gòu)物耐腐蝕性能要求較高的區(qū)域，如液艙、管道等區(qū)域。

    3.2.3氟碳重防腐涂料

    氟碳涂料是在氟樹脂基礎(chǔ)上進(jìn)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(qiáng)，使氟碳涂料具有極高的穩(wěn)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(yōu)勢。在苛刻的海洋腐蝕環(huán)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(jié)構(gòu)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(xué)品腐蝕性能也優(yōu)于其它涂層，可用于接觸強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的液艙。

    3.3防腐套包縛技術(shù)

    早期出現(xiàn)的防腐套包縛技術(shù)有包覆金屬或合金護(hù)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(qū)域的鋼結(jié)構(gòu)均具有良好保護(hù)效果。但包覆金屬或合金護(hù)套技術(shù)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(diǎn)。包覆混凝土或玻璃鋼技術(shù)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(hù)套的使用壽命。目前，復(fù)層礦脂包覆防腐技術(shù)被公認(rèn)為最成熟的防腐套包覆技術(shù)，并在日本、英國等發(fā)達(dá)國家都有較為廣泛地使用，使用壽命可達(dá)30年以上。復(fù)層礦脂包覆防腐技術(shù)由礦脂防蝕膏、礦脂防蝕帶、密封緩沖層和玻璃鋼保護(hù)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(hù)體表面的侵蝕，密封緩沖層和防蝕保護(hù)罩則具有密閉和抗沖擊性能。該技術(shù)特點(diǎn)在于對基體表面處理要求低，達(dá)到ISO St2標(biāo)準(zhǔn)即可，施工方便、可帶水作業(yè)、質(zhì)量輕、對結(jié)構(gòu)物無附加載重和壓力、綠色環(huán)保。因此，其可作為飛濺區(qū)腐蝕防護(hù)修復(fù)技術(shù)，適用于各種海洋腐蝕環(huán)境下的管線保護(hù)，只是防腐套對于帶有橫支撐等結(jié)構(gòu)的異型鋼管樁防護(hù)存在一定的困難，仍有待進(jìn)一步解決技術(shù)難題。

    3.4鋅加防腐保護(hù)技術(shù)

    鋅加保護(hù)是一種優(yōu)質(zhì)便捷的鋼結(jié)構(gòu)防腐保護(hù)方法。用于鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕保護(hù)的鋅加涂料是由電解鋅粉、有機(jī)樹脂和揮發(fā)性溶劑３部分配制而成的單組分產(chǎn)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(hù)。當(dāng)鋅加涂層被氧化時，會在鋅加涂層表面產(chǎn)生一層鋅鹽層來提供屏障保護(hù)，從而減緩鋅的氧化，同時起到了陰極保護(hù)和屏蔽保護(hù)的作用，其耐腐蝕能力高于常規(guī)的富鋅底漆與熱鍍鋅涂層5-6倍，防腐蝕保護(hù)年限可達(dá)30年。同時鋅加保護(hù)還具備獨(dú)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(bǔ)涂。經(jīng)國內(nèi)外海洋平臺的實(shí)際使用證明，鋅加保護(hù)涂層技術(shù)的防腐蝕性能十分優(yōu)異，因此可以用來替代傳統(tǒng)熱鍍鋅處理鐵舾件，還可維修經(jīng)熱鍍鋅防腐處理的鋼結(jié)構(gòu)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(shù)，保證鋼材表面形成含有特定結(jié)構(gòu)、具有離子選擇特性的致密保護(hù)層，使鋼材本身具有耐腐蝕性能、優(yōu)良綜合力學(xué)性能及使用性能的一類低合金高強(qiáng)度鋼。其可應(yīng)用于原油運(yùn)輸船、海洋平臺、海底油氣管線和大型跨海橋梁等領(lǐng)域。

    美國和日本早在２０世紀(jì)３０年代便開始了對耐海水腐蝕鋼的研究，發(fā)展至今日本的Mariloy系列低合金耐海水腐蝕鋼表現(xiàn)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(tài)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(qū)的耐海水腐蝕性能強(qiáng)于普通碳素鋼數(shù)倍。相比國外，我國對耐蝕鋼的研究相對滯后，在充分認(rèn)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(chǔ)上，結(jié)合日本耐海水鋼成分特點(diǎn)，開發(fā)出Ｃｒ－Ｃｕ－Ｍｏ 系耐海水腐蝕鋼種Q345CNHY3，其具有優(yōu)良的力學(xué)性能、焊接性能和耐海水腐蝕性能，能夠滿足海洋鋼結(jié)構(gòu)的制造要求。目前，日本在耐蝕鋼領(lǐng)域處于技術(shù)壟斷地位，在海洋工程產(chǎn)品中，應(yīng)用的耐蝕鋼主要依賴于向日本鋼鐵企業(yè)進(jìn)口，成本昂貴。我國對海洋工程耐蝕鋼的研究與發(fā)達(dá)國家有著較大的差距，存在著海洋工程用鋼品種規(guī)格少、質(zhì)量不穩(wěn)定、使用壽命短、缺乏對耐蝕鋼檢測與第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)體系等一系列問題，尚不能實(shí)現(xiàn)耐海水腐蝕鋼國產(chǎn)化生產(chǎn)。

    4結(jié)束語

    隨著海洋工程技術(shù)不斷地發(fā)展，對海洋工程鋼結(jié)構(gòu)物的長效防腐蝕技術(shù)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(hù)、防腐套包覆等常見的重防腐技術(shù)的性能以及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行論述，分析了各類防腐涂層的優(yōu)缺點(diǎn)，探討了重防腐技術(shù)在海洋工程鋼結(jié)構(gòu)物各區(qū)域中的應(yīng)用，為同壽命涂層體系的設(shè)計(jì)提供了理論與實(shí)際依據(jù)。在設(shè)計(jì)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(shù)，還應(yīng)更加大膽地引進(jìn)最新的材料與技術(shù)，從海洋鋼結(jié)構(gòu)物的使用壽命，建造成本和環(huán)境效果等多方面評估防腐配套方案的可行性，最終從實(shí)際應(yīng)用中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提高防腐蝕效果與質(zhì)量，從而進(jìn)一步推動重防腐技術(shù)的發(fā)展。

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責(zé)任編輯：王元

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