侯保荣:海洋钢结构浪花飞溅区腐蚀防护技术

乐活   2024-11-18 17:35   北京  
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侯保荣

中国科学院海洋研究所,山东 青岛 266071


1 前 言


海洋是蓝色的国土,大力开发海洋资源、发 展 蓝 色经济,和平利用和保护海洋是我国的重要国策。与 海洋开发相伴而来的就是海洋环境的腐蚀问题,与其 它环境的腐蚀相比,海洋腐蚀尤为严重。海洋环境是 一种特定的极为复杂的腐蚀环境,海水是一种强电解 质溶液,温度、盐度、溶解氧、pH 值、流速、海洋生 物等环境因子都是影响腐蚀的重要因素,海洋环境的 腐蚀性比陆地环境的腐蚀性要高得多。因此,海洋对 于各种结构材料来说都是一种十分严酷的腐蚀环境。海洋腐蚀所带来的损失是无法估量的,海洋腐蚀不仅 会使各种基础设施、设备和构筑物的腐蚀损坏和功能 丧失,缩短材料和构筑物的使用寿命,造成资源、材 料和能源的巨大浪费; 而且还会导致突发性的灾难事 故,引发油气泄露,污染海洋环境,甚至造成人身伤 亡。因此,加快发展战略性海洋新型防腐蚀技术,并 将其应用到海工设施的防护中去,及时抑制海洋腐蚀 的发生,延长其使用寿命,对保障我国蓝色经济健康 有序的发展具有重大意义。


2 海洋钢结构浪花飞溅区的腐蚀规律


海洋环境从上到下可以分为海洋大气区、浪花飞溅 区、海水潮差区、海水全浸区和海底泥土区等 5 个腐蚀 区带[1]。中国科学院海洋研究所从 20 世纪 70 年代起就 开展了钢铁设施在海洋环境不同腐蚀区带的腐蚀规律研 究[2 - 4],并发明了电连接模拟海洋腐蚀试验装置与方 法,建立了海洋环境腐蚀模拟装置[5 - 6]。


国内外长期的海洋腐蚀研究结果表明[7],钢结构设 施在海洋环境不同腐蚀区带其腐蚀速度有明显差别,其 中,浪花飞溅区是钢结构设施腐蚀最为严重的区域,也 是最严峻的海洋腐蚀环境,如图 1 所示[8]。


图 1 海洋不同腐蚀环境区带腐蚀速度图 

Fig. 1 Corrosion rate of different area in marine environment


主要的原因是,在浪花飞溅区,钢表面受到海水的 周期性润湿,处于干湿交替状态,氧供应充分,盐分不 断浓缩[9 - 15]; 加之阳光、风吹和海水环境等协同作用 导致发生最严重的腐蚀。一般情况下,钢在海洋大气中 的平均腐蚀速度约为 0. 03 ~ 0. 08 mm /a; 而浪花飞溅区 为 0. 3 ~ 0. 5 mm /a。同一种钢,在浪花飞溅区的腐蚀速 度可比海水全浸区中高出 3 ~ 10 倍。有关实验和调查结 果表明,长期在外海暴露的长尺试件,浪花飞溅区的腐 蚀速度最高可达 1 mm /a 以上,而在低潮位以下全浸区 的腐蚀速度仅为 0. 1 ~ 0. 3 mm /a。对于碳钢和低合金 钢,在海洋腐蚀环境的 5 个区带中,浪花飞溅区是最严 重的区域,这一结论已被越来越多的工程设计者和构筑 物的使用者所认识和接受。

3 海洋钢结构浪花飞溅区腐蚀防护方法


海洋钢结构浪花飞溅区针对海洋钢结构浪花飞溅区 的腐蚀防护措施主要有[8]: ①增加腐蚀余量的方法由于会造成钢材的浪费,局部的孔蚀仍无法避免,存在着安 全隐患等很多弊端,已经逐渐的不再被采用; ②耐海水 腐蚀低合金钢虽然较一般的碳钢耐腐蚀性能好,但是仍 需要采取相应的防护措施,并且也仅仅适用于新建构筑 物; ③无机、有机涂层保护是经济、有效的方法,但是 涂层防护对表面处理要求高,并且通常使用的涂层难以 满足长期抗冲击的要求,涂层在海水冲击下容易发生鼓 泡和剥落,进而引发严重的局部腐蚀,用时对于正在服 役的钢构筑物的表面处理很难达到涂装要求; ④金属喷 涂具有较好的防腐蚀效果,但现场施工较困难,特别是 对结构复杂的部位施工尤其困难,也需要与其他防护措 施联用; ⑤包覆蒙乃尔合金、钛合金、耐海水不锈钢护 套的方法,耐腐蚀效果好,但其材料价格昂贵,因而全 面推广应用仍受到一定限制。因此亟需一种经济有效、 施工简便的腐蚀防护方法,以保证浪花飞溅区钢结构物 和设施的长期安全服役。


当前,国内对于海洋钢铁设施大气区通常采用涂料 保护,海水全浸区主要采用电化学保护,并且取得了较 好的保护效果,见图 2。但是上述技术对于钢结构在浪 花飞溅区的腐蚀防护效果不佳。


图 2 海洋钢结构在不同区带的防腐蚀措施 

Fig. 2 Anti-corrosion technology of steel structure in different marine environments


4 复层矿脂包覆防腐技术


中国科学院海洋研究所在承担“十一五”国家科技支 撑计划项目期间,通过与日本中川工业防腐有限公司、日 东电工有限公司等单位国际合作,并通过自主研发,研究 开发了一套具有自主知识产权的可带水操作的海洋钢结构 浪花飞溅区新型复层矿脂包覆防腐技术[8],并且申请 3 项 国家发明专利,并制定了 3 项地方标准[16 - 18]。


该技术采用了优良的缓蚀剂和隔绝氧气的密封技术, 由矿脂防蚀膏、矿脂防蚀带、密封缓冲层和防蚀保护罩 四层紧密相连的保护层组成,见图 3。


矿脂防蚀膏 矿脂防蚀膏是复层矿脂包覆防腐技术 中主要的防腐蚀材料,也是位于复层包覆防腐技术最内层的部分,能很好地黏附在需要保护的钢结构表面,与 被保护结构物紧密接触。矿脂防蚀膏中含有多种防锈成 分,在潮湿的环境中具有很好的防腐蚀性能,能够长期 高效稳定地使钢构筑在海洋等严酷的腐蚀环境中免遭 腐蚀。


图 3 复层矿脂包覆防腐技术结构示意图 

Fig. 3 Schematic of Petrolatum Tape Cover


矿脂防蚀带 矿脂防蚀带是一种浸渍了特制防蚀材 料的人造纤维制成的材料。矿脂防蚀带所含防蚀材料具 有和矿脂防蚀膏相似的成分及性能,除了防蚀作用外, 还能够增强密封性能,提高整体的强度及耐久性。


密封缓冲层 密封缓冲层是指安装在矿脂防蚀带和 防蚀保护罩之间,起到密封、缓冲外界冲击作用的材料。一般应用于预制防蚀保护罩的内部,是复层矿脂防腐技 术中四层防护体系的重要环节。


防蚀保护罩 在矿脂防蚀膏和矿脂防蚀带外层包覆 一个坚固耐久的防蚀保护罩,可大大提高复层矿脂包覆 防腐技术的防腐性能和耐久性能。防蚀保护罩有多种材 料可供选择,应用最为广泛的为玻璃纤维增强保护罩 ( FRP) 。


复层矿脂包覆防腐技术具有更好的抗腐蚀性、更持 久的抗疲劳强度和冲击强度,包覆范围一般在最低潮位 以下 1 m 到浪花飞溅区,可以给暴露在该区带的钢结构 提供长寿命半永久性的保护。针对海洋钢结构设施浪花 飞溅区保护,从防腐蚀全寿命周期维护的观点来看,复 层矿脂包覆技术无疑是最为成熟和最具优势的保护技术。


复层矿脂包覆防腐技术可以大大延长海洋钢结构设 施的维修周期,减少维修费用、节省人力物力、提高构 筑物的耐久性,延长钢结构物和设施的使用寿命。该技 术对暴露于海洋浪花飞溅区部位的钢铁设施具有广泛的 适应性。可应用在如跨海大桥、海洋平台和港口码头等, 也可适用于各种腐蚀环境下的管线保护。不仅用于已建 成的表面难于处理的旧的钢铁设施防腐修复,还可以用 于新建钢铁设施的腐蚀修复,也可都具有良好的保护效 果。这对保护海洋钢结构设施的安全运行具有极其显著 的经济价值和极其重要的社会意义。


作为一项有针对性的专门防腐技术,复层矿脂包覆防腐技术有其独到的施工技术要求,但并不复杂和困难。海上钢结构复层矿脂包覆防腐技术的主要施工工艺步骤 包括工程设计、表面处理、涂矿脂防蚀膏、缠绕矿脂防 蚀带、安装缓冲层和防蚀保护罩、端部密封等工艺步骤。另外,对于具有复杂节点的钢结构,无法使用预制的玻 璃钢防蚀防护罩,可现场制作玻璃钢防蚀防护罩。为检 查此方法对钢结构的防腐蚀效果,可以通过安装保护和 未保护试片的方法,测定其腐蚀速率。一个浪花飞溅区 包覆防腐工程根据钢桩所处腐蚀环境在具有代表性的 1 ~ 2个钢桩上安装检测试片来评价该技术的保护效果。


5 复层矿脂包覆防腐技术实际应用


复层矿脂包覆防腐技术具有长效经济的防腐蚀效果, 对暴露于海洋浪花飞溅区部位的钢铁设施具有广泛的适 用性。目前,该技术在日本、英国等沿海国家有较为广 泛的成功应用,使用寿命已达 30 年以上。下面是复层矿 脂包覆防腐技术在国内海洋工程结构设施的一些成功应 用案例。


现役海洋石油平台上的应用 通过对浅海平台钢结 构的腐蚀规律的分析及浪溅区的腐蚀控制和维护需要, 完成了埕岛油田 CB22 单海洋平台现场试验,取得了较 好的效果。图 4 分别为施工前后的平台照片。


图 4 石油平台修复前后外观: ( a) 施工前,( b) 施工后

Fig. 4 The appearance of the oil platform before and after repairing with PTC


海洋码头设施上的应用 通过对国内某码头腐蚀规 律的分析,对飞溅区腐蚀最为严重的钢管桩进行了施工 作业,完成了新型包覆层修复技术工程示范,并取得了 较好的效果。图 5 分别为施工前后的平台照片。


图 5 码头修复前后外观: ( a) 施工前,( b) 施工后 

Fig. 5 The appearance of the pier before and after repairing with PTC

新建采油平台上的应用 通过对渤海某井组平台的 分析及浪溅区的腐蚀控制和维护需要,对新建采油平台 的基础部分和上部平台完成了复层矿脂包覆防腐技术工 程示范,并取得了较好的效果。图 6 分别为施工前后的 平台照片。


图 6 新建采油平台包覆前后外观: ( a) 施工前,( b) 施工后 

Fig. 6 The appearance of the new oil platform before and after cladding with PTC


海上风电基础设施的应用 对海上风电基础设施完 成了复层矿脂包覆防腐技术工程示范,图 7 分别为施工后的平台照片。


图 7 海上风电基础设施用 PTC 包覆后外观 

Fig. 7 The appearance of wind power infrastructure claded with PTC


6 结 语


海洋环境下钢铁设施在浪花飞溅区的腐蚀最为严重, 也是当前海洋防腐蚀中最薄弱的环节。浪花飞溅区的腐 蚀对整体钢结构的寿命起着决定性作用,必须大力开展 浪花飞溅区的腐蚀防护工作。综合各种防护技术来看, 复层矿脂包覆防腐技术是国内外较为理想的海洋钢铁设 施浪花飞溅区腐蚀防护技术。复层矿脂包覆防腐技术已 经被证明为一种长期有效的海洋钢结构浪花飞溅区腐蚀 防护技术。

来源:中国材料进展


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