戚鵬，張盾，王毅，吳佳佳，孫艷

（1.中國科學院海洋研究所 中國科學院海洋環(huán)境腐蝕與生物污損重點實驗室，山東 青島 266071；2.中國科學院海洋大科學研究中心，山東 青島 266071；3.青島海洋科學與技術(shù)國家實驗室 海洋腐蝕與防護開放工作室，山東 青島 266237）

“一帶一路”、“海洋強國戰(zhàn)略”等重大戰(zhàn)略規(guī)劃為我國海洋經(jīng)濟帶來了前所未有的發(fā)展機遇，海洋工程裝備和船舶在服役過程中不可避免地要遇到各種腐蝕問題[1]。根據(jù)最新的腐蝕調(diào)查結(jié)果，2014年我國的腐蝕總成本約占當年GDP的3.34%，總額超過21 000億元人民幣，相當于每個中國人當年承擔1 555元的腐蝕成本[2-3]。微生物腐蝕是指由微生物引起的，或者由于其群體效應或代謝過程引起的腐蝕行為變化。微生物腐蝕幾乎可以在所有常用工程材料表面發(fā)生，參與了工程材料在海洋底泥區(qū)、全浸區(qū)、潮差區(qū)和飛濺區(qū)的腐蝕過程，是一類不容忽視的腐蝕因子[4-6]。有報道發(fā)現(xiàn)，微生物腐蝕的腐蝕速率可到常規(guī)腐蝕的10倍，其最大速率可達4 mm/a，會在很短時間內(nèi)對海洋工程結(jié)構(gòu)造成無法修復的傷害[7]。

碼頭是水運的樞紐和核心結(jié)構(gòu)，其主要作用包括停泊船只、裝卸貨物、客流運輸?shù)?。近年來，碼頭建設(shè)日新月異，超級碼頭的建設(shè)不僅僅是經(jīng)濟建設(shè)的需求，更是城市形象和經(jīng)濟實力的體現(xiàn)。碼頭在服役期間，尤其是在海洋環(huán)境中服役過程中，不可避免地受到自然環(huán)境的考驗。針對典型的環(huán)境因素，如波浪沖刷、物理磨蝕、氣候變化對碼頭損害的影響，已經(jīng)有了系統(tǒng)的檢測方法和評價技術(shù)[8-10]。然而，微生物腐蝕對碼頭服役的影響卻依舊報道較少，目前已報道的微生物腐蝕監(jiān)測手段，無論在理論方面還是在應用方面，都遠未達到實際應用的需求，新型的微生物腐蝕監(jiān)測手段仍待開發(fā)。

1 碼頭的結(jié)構(gòu)形式

碼頭的結(jié)構(gòu)形式有重力式碼頭、板樁式碼頭、高樁式碼頭和混合式碼頭四種[11-12]。

重力式碼頭是靠碼頭自重、調(diào)料結(jié)構(gòu)和地基強度保持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的，是我國應用較為普遍的一種碼頭形式，其優(yōu)點是承載能力強，能夠承受較大的地面和船舶載荷，對地面載荷和卸載工藝的適應能力強、施工簡單、抗凍性和抗冰性好。重力式碼頭適合在地基較好、有大量砂石等建筑材料的環(huán)境修建。重力式碼頭由胸墻、墻身、基礎(chǔ)、墻后回填土組成?；A(chǔ)的主要作用是分散胸墻和墻身傳下的外力，以減少外力對地基應力的作用，阻止碼頭沉降。同時，重力式碼頭的基礎(chǔ)也可以保護地基，減少波浪和水流對地基的沖刷作用，進而確保墻身的穩(wěn)定性。墻身和胸墻是重力式碼頭的主體結(jié)構(gòu)，是墻后回填土的存儲地，主要用來承受碼頭上的各種外來作用力，并將作用力穩(wěn)定傳遞至基礎(chǔ)部分，此外墻身和胸墻還是碼頭功能組件的重要固定載體，用以固定各種管溝、軌道、爬梯等。墻后回填土的主要作用是形成碼頭地面和緩沖地面壓力，通常采用粒徑和內(nèi)摩擦角較大的材料回填。

板樁碼頭是由下沉入地的基板樁墻和錨碇系統(tǒng)共同維持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。板樁碼頭的優(yōu)點包括結(jié)構(gòu)簡單、材料用量少、施工方便，但其穩(wěn)定性和耐久性不如重力式碼頭。主要應用于能夠沉入板樁的環(huán)境，過去多用于中小碼頭的建設(shè)。板樁碼頭主要包括板樁墻、拉桿、錨碇結(jié)構(gòu)、導梁和胸墻。板樁墻是板樁結(jié)構(gòu)的主體，是沉入地基中的連續(xù)板樁結(jié)構(gòu)，其作用是保護地基免受波浪的沖刷，形成碼頭直立岸壁；拉桿的作用是維持板樁墻與錨碇結(jié)構(gòu)的載荷傳遞方向，減少墻后土壓對板樁結(jié)構(gòu)的影響；錨碇結(jié)構(gòu)用于承受拉桿拉力；導梁用于連接板樁和拉桿，保證拉桿和板樁的作用；帽梁相當于重力式碼頭中的胸墻，用于承受碼頭上的各種外來力。

高樁碼頭的結(jié)構(gòu)簡單，能夠承受較大的載荷，但其耐久性比重力式碼頭和板樁碼頭差。高樁碼頭主要包括以下結(jié)構(gòu)：上部結(jié)構(gòu)、樁基、擋土結(jié)構(gòu)和岸坡。上部結(jié)構(gòu)是指碼頭地面部分，將樁基有機連接，并將地面外力傳遞至樁基，是各種設(shè)備和組件的固定載體；樁基用于支撐上部結(jié)構(gòu)，并將上部結(jié)構(gòu)傳至的外力載荷傳給地基，穩(wěn)定地基結(jié)構(gòu)；擋土結(jié)構(gòu)由設(shè)置樁墻和擋墻組成，主要為了減少碼頭寬度和岸坡銜接距離；岸坡要求具有足夠的穩(wěn)定性，對特殊環(huán)境還需進行護坡處理，以降低波浪和水流的沖刷。

混合式碼頭根據(jù)特定的情況因地制宜采用的結(jié)構(gòu)形式，通常采用直立式和斜坡式混合。

此外，碼頭的正常運轉(zhuǎn)，還需要各種輔助設(shè)備和組件的搭配，這些設(shè)備可以成為碼頭設(shè)備，包括固定設(shè)備，爬梯系統(tǒng)，水電管道和裝卸設(shè)備等。碼頭設(shè)備的主要作用在于保障船舶系靠和裝卸作業(yè)。

2 鋼結(jié)構(gòu)在碼頭建設(shè)中的應用

鋼結(jié)構(gòu)是指熱軋型鋼、鋼板、鋼管或冷加工的薄壁型鋼等鋼材通過焊接、螺栓連接等連接形式制造的結(jié)構(gòu)。與混凝土結(jié)構(gòu)和木質(zhì)結(jié)構(gòu)的碼頭相比，采用鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)碼頭具有以下優(yōu)勢：首先是質(zhì)量低、強度高，鋼結(jié)構(gòu)可用于大跨度的建筑，充分發(fā)揮鋼材高抗彎和抗拉的優(yōu)勢，大大降低了碼頭結(jié)構(gòu)自重；其次是鋼材加工工業(yè)化程度高、精度高、施工快、操作簡易；三是鋼結(jié)構(gòu)的抗地基不均勻沉降能力強，由于港口陸地部分多是通過回填處理形成，地質(zhì)沉降還未成熟，采用鋼結(jié)構(gòu)可以降低地基不均勻沉降產(chǎn)生的建筑變性；四是鋼結(jié)構(gòu)的受力性能優(yōu)越，具有較好的韌性和塑性，能夠提升建筑物的抗震性能。除此以外，鋼結(jié)構(gòu)還是一種無污染的環(huán)保型建筑材料，施工不受季節(jié)條件限制[13]。目前國內(nèi)的青島港、上海港、煙臺港等碼頭都是鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)的碼頭。

鋼管樁和鋼板樁在碼頭建設(shè)中應用廣泛，選擇適宜的防護措施是建設(shè)碼頭鋼結(jié)構(gòu)的一項重要問題[14-15]。鋼管樁的承載能力、抗彎能力和耐錘擊能力均較強，比較適合建設(shè)大型碼頭工程及自然條件較惡劣的開敞式碼頭。Q235、16Mn、15MnV鋼是碼頭、港口工程中最常用的鋼管樁鋼材。由于碼頭建設(shè)對鋼管樁的強度、承載能力要求更高，故通常采用經(jīng)濟性更好的錳鋼[16-17]。此外，碼頭工程中通常不采用防腐蝕特種鋼，這是由于耐蝕特種鋼的價格昂貴，經(jīng)濟性遠不如采用普通鋼種搭配其他防腐蝕措施。鋼板樁結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是強度高、質(zhì)量輕、隔水性能好、耐久性強，能夠大大減少施工所需的混凝土使用量[18-19]。根據(jù)生產(chǎn)工藝的差異，鋼板樁可以分為冷彎薄壁鋼板樁和熱軋鋼板樁。二者在鋼種牌號、性能參數(shù)等方面并無明顯差異，僅僅是加工過程存在一定差異。鋼種選擇主要按照屈度強度等級選用，國內(nèi)常用牌號分為：Q235A—Q345D和09CuP—09CuPCrNi-A兩類，前者一般用于常規(guī)工程，后者則滿足耐候需求，如海岸護堤、碼頭、人工島礁等。

3 碼頭中鋼結(jié)構(gòu)的微生物腐蝕

雖然關(guān)于微生物腐蝕的報道已經(jīng)有了 100多年的歷史，但直到近十幾年來，關(guān)于微生物腐蝕的研究才越來越受到人們的重視。不同行業(yè)、領(lǐng)域針對微生物腐蝕也有了專屬的名稱，如低水區(qū)加速腐蝕（Accelerated Low Water Corrosion）、最低天文潮腐蝕（Lowest Astronomical Tide Corrosion）和加速淡水腐蝕（Accelerated Fresh Water Corrosion）[20-24]。從這些名字中可以看出，微生物腐蝕主要發(fā)生在最低潮位附近，因此觀察微生物腐蝕的發(fā)生是具有一定難度的。

低水位加速腐蝕（Accelerated Low Water Corrosion）是近20年來逐漸被報道并引起關(guān)注的一種腐蝕現(xiàn)象，特指發(fā)生在海岸線附近工程、建筑的加速局部腐蝕過程的腐蝕現(xiàn)象。如果不及時發(fā)現(xiàn)并處理低水位加速腐蝕，就可能引起建筑材料腐蝕穿孔、回填損失，嚴重影響到海洋工程的服役安全和壽命。當前，低水位加速腐蝕可以被認為是海洋工程材料微生物腐蝕（Microbiological Induced Corrosion）的一種，但其腐蝕產(chǎn)物與微生物有機物質(zhì)之間的關(guān)系仍未明確。在2005年，國際航運協(xié)會（PINAC）和世界建筑工業(yè)研究與情報協(xié)會（CIRIA）都發(fā)布了關(guān)于定義和控制低水位加速腐蝕的相關(guān)條例，將低水位加速腐蝕規(guī)定為海洋工程設(shè)計及施工必須考慮的一項重要問題。以港口、碼頭建設(shè)中常用的鋼樁為例，鋼樁經(jīng)常處于無防護狀態(tài)或低保護狀態(tài)，很容易受到海水介質(zhì)的侵蝕，因此在設(shè)計海洋工程結(jié)構(gòu)，尤其是碼頭、港口類長時間服役工程時，鋼樁的腐蝕速率是必須考慮的一項重要數(shù)據(jù)。通常認為，鋼樁的腐蝕速率與鋼樁所處海域、氣候、暴露條件以及測試方法都有關(guān)系，以在浪花飛濺區(qū)或潮差區(qū)的腐蝕速率最快，在0.08～0.2 mm/a之間。然而，在低水位加速腐蝕的情況下，鋼樁的腐蝕速率能夠達到0.5 mm/a甚至更高，是海水腐蝕平均速率的4倍以上，大大縮短了海洋工程結(jié)構(gòu)的服役年限。圖1展示了裸露鋼材在模擬潮汐海水中腐蝕速率隨不同位置的變化，可以看出，由微生物腐蝕引起的腐蝕速率最大可達 4 mm/a，平均腐蝕速率也達0.3 mm/a，說明微生物腐蝕能對海洋工程的安全產(chǎn)生巨大影響[7]。

為了更好地研究港口、碼頭的微生物腐蝕（低水區(qū)加速腐蝕）現(xiàn)象，歐盟委員會在2008開展了一項為期 3年的 MICSIPE（Microbiologically Induced Corrosion of Steel Structures in Port Environment）研究項目。在歐洲范圍內(nèi)選取了3個遭受微生物腐蝕的碼頭（法國的 Boulogne-surMer碼頭、英國的 Dover碼頭和Shoreham碼頭）作為研究主體，對其微生物腐蝕產(chǎn)物、微生物多樣性以及腐蝕檢測方法進行了深入探索[25]。國內(nèi)尚未進行系統(tǒng)微生物腐蝕調(diào)查。

與微生物腐蝕相關(guān)的微生物多種多樣，既有原核生物（細菌及古細菌），又包括在微尺度的真核生物（真菌，藻類以及原生動物）[26-27]。其中硫酸鹽還原劑（SRB）是最重要也是研究最廣泛的微生物，由SRB引起或參與的腐蝕過程約占所有微生物腐蝕的 1/2。SRB在自然界中分布在鋼鐵表面氧化膜及銹層下面，在溫度高于70 ℃，壓力為700～1000 Pa的地層中也有極強的生命力。這類細菌的特點是既能利用有機酸為給氫體，也能直接利用氫，以硫酸鹽為最終電子受體進行還原作用，最終產(chǎn)物是硫化物，如硫化氫等。SRB的腐蝕機理一直是微生物腐蝕的研究重點，針對SRB能夠加速腐蝕的機理研究已經(jīng)經(jīng)歷了一個多世紀，目前已經(jīng)形成的機理包括陰極去極化機理、濃差電池機理、代謝產(chǎn)物機理、酸腐蝕機理和陽極固定機理。近幾年，具有其他代謝特點的細菌，如硫氧化菌、鐵氧化菌、巰基還原菌等，也逐漸引起人們的關(guān)注，其代謝過程或生物膜性質(zhì)會改變工程材料的表面性質(zhì)，進而影響其腐蝕過程[28]。

隨著生物分子技術(shù)的不斷進步，鑒定微生物種群也變得越來越容易。同一海域范圍內(nèi)，在腐蝕區(qū)域存在的微生物種類大致相同，微生物種群結(jié)構(gòu)隨腐蝕位置、工程材料以及防護程度等因素表現(xiàn)出一定差異。在不同海域中，受海水溫度、鹽度和微量元素等因素的影響，在腐蝕區(qū)域存在的微生物種類會存在較明顯差異。在碼頭、港口中，對鋼鐵材料過程影響最大的細菌種類包括硫酸鹽還原菌（SRB）、硫氧化菌（SOB）以及鐵氧化菌（IOB）。其中SRB能夠酸化局部腐蝕環(huán)境，加速腐蝕過程，而SOB和IOB則對微生物腐蝕具有抑制作用[25]。在微生物腐蝕嚴重且腐蝕時間較長的區(qū)域，微生物的種群結(jié)構(gòu)隨空間變化，這種空間的變化可以視為微環(huán)境中的硫循環(huán)代謝，SOB和IOB能夠?qū)RB產(chǎn)生的硫化物部分氧化消耗。通常而言，SRB處于微生物種群內(nèi)層，而SOB或IOB則分布在微生物種群外層，但一些具有硝酸鹽還原性質(zhì)的SOB（Thiothrix sp.或Thiomicrospira sp.）也可以在微生物種群內(nèi)層被發(fā)現(xiàn)。除此以外，在微生物種群結(jié)構(gòu)中，SRB的比例與碼頭、港口中鋼鐵材料的微生物腐蝕速率密切相關(guān)，在微生物腐蝕速率高的區(qū)域，SRB種群所占比例也會較大。這可能是由于鋼鐵材料，尤其是碳鋼，是 SRB代謝活動中一種重要的能量、電子來源。值得一提的是，在微生物種群結(jié)構(gòu)中，SRB的種類也具有多樣性，不同 SRB種群的基因序列、代謝活性具有一定差異，此現(xiàn)象在微生物腐蝕嚴重的區(qū)域表現(xiàn)得更加明顯，但不同 SRB種群的分布規(guī)律以及種群比例未表現(xiàn)出一定的規(guī)律特點。

光合細菌是自然界中普遍存在、具有原始光能合成體系的原核生物，是對在厭氧條件下進行不放氧光合作用的細菌的總稱。光合細菌也是腐蝕區(qū)域微生物種群的一個組成部分，主要分布于水生環(huán)境中光線能透射到的缺氧區(qū)。在碼頭、港口中，與微生物腐蝕輕微的區(qū)域相比，在微生物腐蝕嚴重的區(qū)域中，尤其是低水區(qū)，光合細菌在總微生物種群中占有較高的比例[25]，這也可能成為標示微生物腐蝕速率的一項重要參數(shù)。

微生物生長繁殖離不開水、碳源、氮源、無機鹽和生長因子等營養(yǎng)物質(zhì)。雖然微生物的分類方式有很多，但對腐蝕微生物而言，按照其能量代謝方式對腐蝕微生物研究是一種較為合理的方式，因為微生物的代謝方式直接影響到其在材料表面的代謝活性，且不同代謝方式對腐蝕過程產(chǎn)生的影響也各不相同。表1展示了不同微生物代謝方式對金屬材料局部腐蝕因素的影響[25]。

表1 典型微生物代謝過程及其對局部金屬材料表面的影響

4 微生物腐蝕的檢測手段

由于微生物腐蝕的破壞力和不可預知的性質(zhì)，檢測微生物腐蝕的發(fā)生是非常有必要的。目前，檢測低水位加速腐蝕最常用的方法是通過肉眼觀察，在低潮位海平面上下觀察到有較窄的附著力較差的黃色斑塊，即可推斷有低水區(qū)加速腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。該黃色條帶通常認為是微生物菌群的聚集體，在黃色條帶下方，會有黑色污泥將金屬基底覆蓋，該黑色污泥主要是微生物腐蝕的產(chǎn)物，通常伴隨有明顯的臭味，在黑色污泥下方的金屬基底表面會發(fā)現(xiàn)大量的金屬腐蝕坑。為了保證海洋工程結(jié)構(gòu)的安全和使用壽命，在工程建設(shè)前期就需要將低水區(qū)加速腐蝕的檢測以及維護納入考慮。通常而言，低水區(qū)加速腐蝕發(fā)生的具體位置是不能從外觀觀察到的，對海洋工程材料的檢查也需要配合潮水的漲落，且低水區(qū)加速腐蝕的發(fā)生也無明顯規(guī)律可言，因此，前期預測低水區(qū)加速腐蝕的發(fā)生是很困難的[7,25]。

肉眼觀察的方法受觀測條件和時間的影響，無法準確、及時地發(fā)現(xiàn)微生物腐蝕破壞，開發(fā)其他檢測手段是非常有必要的。目前已開發(fā)的檢測手段包括以下三類：一是化學檢測法，通過測量微生物腐蝕引起的pH變化、腐蝕產(chǎn)物變化和氯離子等化學信息推測微生物腐蝕的發(fā)生；二是生物檢測法，通過分離、培養(yǎng)微生物，確定腐蝕樣品中微生物的種群類別；三是顯微鏡觀察法，通過顯微鏡分析確定微生物腐蝕發(fā)生區(qū)域微生物的種群特征。然而，以上這些方法都是間接的推測，無法提供微生物腐蝕發(fā)生最重要、最直接的證據(jù)。

開發(fā)新型腐蝕微生物檢測方法為快速確定微生物腐蝕的發(fā)生提供了可能。通過快速確定樣品中腐蝕微生物的種群濃度、生物活性和分布特征，可以實現(xiàn)腐蝕微生物狀態(tài)和腐蝕行為的整合分析，進而確定微生物腐蝕發(fā)生的關(guān)鍵特征因子和重要變化規(guī)律。筆者在腐蝕微生物檢測領(lǐng)域做了大量研究，針對最重要、最復雜的腐蝕微生物SRB開發(fā)了新型快速檢測技術(shù)，能夠?qū)z測時間縮短至2天以內(nèi)，并將檢測限降低至50 cfu/mL以下，上述指標在已報道的腐蝕微生物定量分析檢測技術(shù)中處于領(lǐng)先水平[29-30]。

5 碼頭微生物腐蝕的防控技術(shù)

在金屬材料表面，一旦有發(fā)生微生物腐蝕的風險，最重要的一條防護原則是“越早介入，成效越高（Early Intervention is Key to Cost Effective Repairs）”。確定微生物腐蝕是否在碼頭、港口中金屬工程材料發(fā)生，最有效也是最常用的辦法就是肉眼觀察，再結(jié)合金屬材料厚度測量，腐蝕電位測量以及微生物腐蝕實驗室測試對腐蝕過程進行確認。一旦微生物腐蝕發(fā)生，相關(guān)防護措施也必須立即實施。港口、碼頭工程位于開放的海洋環(huán)境中，其常用的微生物腐蝕防控方法包括涂層包覆以及陰極保護。

防護涂層大體上分為非金屬涂層和金屬涂層，其中非金屬涂層一般采用耐鹽耐酸的環(huán)氧漆、環(huán)氧煤瀝青等；金屬涂層一般熱噴涂鋅、鋁或鋅鋁合金。使用涂層包覆能夠避免金屬表面直接被微生物附著，且涂層中添加的殺菌劑也會大大減少細菌污垢的機會[31-32]。

陰極保護法會使陰極極化的表面吸引SRB等微生物，因此陰極保護法的使用應盡量在微生物腐蝕的區(qū)域，以使得抑制腐蝕所需的陰極保護電位負值更大，否則微生物腐蝕的速度會相較于之前沒有陰極保護時而言更快。同時由于微生物腐蝕加強腐蝕反應的能力，從而加強了給定級化水平所需的陰極保護電流[33]。除此之外，金屬表面會因微生物的不斷腐蝕而逐漸暴露，因而需要通過加大陰極保護電流的方法來控制微生物腐蝕，即以提升極化水平的方式抑制微生物的生長與腐蝕。采用陰極保護法還有另一個好處，金屬材料表面會產(chǎn)生堿性環(huán)境，進而抑制微生物的活動。

6 結(jié)語

微生物腐蝕的研究已經(jīng)歷了一個世紀之久，然而微生物腐蝕對碼頭的危害卻一直受到忽視。文中簡要介紹了碼頭的結(jié)構(gòu)形式和鋼結(jié)構(gòu)在碼頭中的應用情況，分析了碼頭微生物腐蝕的研究現(xiàn)狀，評述了微生物在腐蝕過程中的作用形式，同時概述了現(xiàn)有微生物腐蝕檢測方法，受觀測條件和時間的影響。目前常用的微生物腐蝕現(xiàn)場確定手段是通過肉眼觀察，這類方法無法及時、準確地發(fā)現(xiàn)微生物腐蝕的發(fā)生，開發(fā)新型微生物腐蝕現(xiàn)場檢測手段的需求是非常迫切的。最后，對碼頭中的微生物腐蝕防護技術(shù)進行了評述，常用的防控方法包括涂層包覆以及陰極保護技術(shù)。