朱彬源

（浙江浙能臺(tái)州第二發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江臺(tái)州 317109）

海水冷卻塔是海水循環(huán)冷卻技術(shù)中應(yīng)用到的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。特大型海水冷卻塔大多為自然通風(fēng)逆流式雙曲線冷卻塔，屬于大型鋼筋混凝土構(gòu)筑物，主要由塔體、蓄水池和塔內(nèi)淋水構(gòu)件組成。與常規(guī)海洋環(huán)境建筑物相比，海水冷卻塔的腐蝕環(huán)境更為惡劣，塔筒外部受到海洋大氣的鹽霧侵蝕，塔筒內(nèi)部處于高溫、高濕的濃縮海水及鹽霧水汽環(huán)境，塔筒頂部還受到紫外線輻照的影響，所以海水冷卻塔混凝土的腐蝕速度遠(yuǎn)高于一般海洋環(huán)境建筑物，所以耐久性是海水冷卻塔面臨的很嚴(yán)峻的問題。

因?yàn)楹Ｋ鋮s塔所處的腐蝕環(huán)境十分復(fù)雜，同樣也非常惡劣，所以僅僅從提升鋼筋混凝土的性能出發(fā)，無法保證海水冷卻塔的耐久性和足夠的使用壽命。目前，對(duì)海水冷卻塔采用的最有效的防護(hù)途徑是在其表面涂裝有機(jī)防護(hù)涂層。

本文主要介紹了海水冷卻塔用鋼筋混凝土在服役過程中的腐蝕機(jī)理及其防護(hù)涂層的研究現(xiàn)狀，以期對(duì)以后海水冷卻塔的防護(hù)工作提供一定的參考。

1 海水冷卻塔的腐蝕機(jī)理

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在服役過程中受到外在腐蝕性物質(zhì)的影響，表現(xiàn)出腐蝕劣化的現(xiàn)象。鋼筋混凝土的腐蝕主要包括鋼筋的腐蝕和混凝土的劣化。

因?yàn)楦采w鋼筋的混凝土中有大量的微孔結(jié)構(gòu)，使得外界腐蝕性離子如Cl-、SO42-、CO32-等容易擴(kuò)散至鋼筋的表面，導(dǎo)致鋼筋發(fā)生腐蝕。鋼筋的腐蝕過程是首先產(chǎn)生點(diǎn)蝕，隨后便出現(xiàn)大面積的腐蝕。鐵轉(zhuǎn)化成鐵銹，使得其體積增大，導(dǎo)致混凝土因鋼筋膨脹而開裂、起鼓、剝落。腐蝕作用降低了鋼筋的力學(xué)性能，容易導(dǎo)致鋼筋突然斷裂或造成事故。

由于含鹽的海水會(huì)滲入混凝土微孔當(dāng)中，與混凝土中的相關(guān)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，直至開裂。

除了三種腐蝕性離子對(duì)鋼筋混凝土的侵蝕之外，還存在著微生物腐蝕和凍融循環(huán)作用等因素對(duì)鋼筋混凝土的破壞作用。

總體上來說，海水冷卻塔混凝土的腐蝕破壞是多因素復(fù)合作用的結(jié)果，其中Cl-、SO42-、CO32-是主要原因。當(dāng)幾種因素共同作用下，混凝土的腐蝕程度大于單一因素的腐蝕作用。

2 海水冷卻塔的防護(hù)

為了提高海水冷卻塔的服役壽命，需要解決混凝土的耐久性問題，一般的解決途徑有兩種：①優(yōu)化混凝土的配方，提高混凝土的耐海水腐蝕能力；②在混凝土表面涂覆防腐涂層，提高混凝土的阻隔性能。在實(shí)際應(yīng)用中，一般在采用高性能混凝土的基礎(chǔ)上，在其表面涂裝防護(hù)涂層來阻止腐蝕介質(zhì)的侵蝕，預(yù)防和延緩混凝土的腐蝕破壞，提高混凝土的服役壽命。

3 海水冷卻塔防腐涂層的失效機(jī)制

雖然可以通過在冷卻塔表面涂覆有機(jī)涂層可以明顯提升冷卻塔的防護(hù)能力。但是，涂層結(jié)構(gòu)中存在的微孔、縫隙和裂紋等微觀缺陷為外界腐蝕介質(zhì)滲入提供了微觀通道。腐蝕介質(zhì)通過涂層的缺陷進(jìn)入海水冷卻塔中之后，會(huì)不斷對(duì)其造成侵蝕，最終導(dǎo)致涂層防護(hù)作用的失效。

分析認(rèn)為，海水冷卻塔防腐涂層的失效過程為：在開始階段，涂層的防護(hù)性較好，雖然涂層中的微觀缺陷為水、氧和其他腐蝕性離子的滲入提供了擴(kuò)散通道，腐蝕介質(zhì)通過吸附、擴(kuò)散和溶滲作用進(jìn)入涂層，但尚未到達(dá)混凝土內(nèi)部；經(jīng)過一段時(shí)間的傳輸后，腐蝕介質(zhì)到達(dá)混凝土內(nèi)部，電化學(xué)腐蝕反應(yīng)隨即開始發(fā)生。一方面，腐蝕介質(zhì)促使鋼筋發(fā)生腐蝕；另一方面，酸性的腐蝕介質(zhì)與堿性的混凝土發(fā)生反應(yīng)，使得混凝土的理化性質(zhì)發(fā)生變化，最終導(dǎo)致混凝土材料發(fā)生溶脹變形，涂層隨即發(fā)生變形、脫落。

此外，涂層在服役過程中，太陽(yáng)光輻射、海水的沖刷作用等都能進(jìn)一步加劇涂層的失效。

為浙江某沿海電廠的海水冷卻塔服役一定時(shí)間后，有機(jī)涂層在腐蝕介質(zhì)腐蝕、海水沖刷、陽(yáng)光照射等的共同作用下，涂層出現(xiàn)了不同的程度的破壞，肉眼可見泛黃、失光、剝落、開裂。

圖1 浙江某沿海電廠海水冷卻塔表面上有機(jī)防護(hù)涂層服役一定時(shí)間后的照片

4 海水冷卻塔防腐涂層的壽命預(yù)測(cè)

作為一種基本的防護(hù)材料，海水冷卻塔防腐涂層的使用壽命對(duì)被防護(hù)的混凝土結(jié)構(gòu)的使用影響重大，直接影響了被保護(hù)構(gòu)件的性能及壽命。在生產(chǎn)實(shí)踐中，經(jīng)常需要對(duì)在役的防腐涂層進(jìn)行檢測(cè)和維修，對(duì)其性能進(jìn)行量化評(píng)估，為判斷涂層能否繼續(xù)使用提供依據(jù)。

國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)混凝土防腐涂層的使用壽命的預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究。常用的研究方法是結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)暴露試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室人工加速模擬實(shí)驗(yàn)，通過兩者之間的相關(guān)性，對(duì)防腐涂層的服役壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

人工加速模擬實(shí)驗(yàn)可以根據(jù)需要加快腐蝕進(jìn)程從而縮短實(shí)驗(yàn)周期，具有易實(shí)現(xiàn)、可重復(fù)性強(qiáng)、周期短等特點(diǎn)，因此成為最普遍采用的腐蝕實(shí)驗(yàn)方法。海洋混凝土腐蝕實(shí)驗(yàn)關(guān)注的環(huán)境參數(shù)包括溫度、濕度、風(fēng)力風(fēng)向、侵蝕離子種類及含量和pH等，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)可以根據(jù)研究目標(biāo)所需要的環(huán)境參數(shù)，有目的剔除其他的干擾變量，并且在室內(nèi)可采用的測(cè)試手段也更加多樣。宋立元在制作的試樣中預(yù)先加入一定量的氯化鈉，并通入電流來加速鋼筋的銹蝕，通過實(shí)驗(yàn)的損傷形態(tài)研究涂層的防護(hù)性能。劉志勇分別模擬大氣區(qū)鹽霧與碳化共同作用和潮差區(qū)凍融與干濕循環(huán)共同作用下混凝土的耐久性實(shí)驗(yàn)，依據(jù)國(guó)外的相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)并結(jié)合實(shí)驗(yàn)儀器確定實(shí)驗(yàn)參數(shù)變化范圍，制定實(shí)驗(yàn)程序，建立了適用于海洋混凝土的壽命預(yù)測(cè)模型。

雖然實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)比較成熟和完善，但是即使最先進(jìn)的模擬設(shè)備也難以重現(xiàn)實(shí)際的自然環(huán)境。因此，建立海洋環(huán)境暴露試驗(yàn)站是獲得與實(shí)際自然環(huán)境相一致的評(píng)價(jià)指標(biāo)最可靠方法，其測(cè)試結(jié)果可用于修正模擬實(shí)驗(yàn)中的偏差，目前世界上已經(jīng)建立一些了針對(duì)不同氣候環(huán)境的暴露試驗(yàn)站。世界上率先創(chuàng)建的海洋暴露試驗(yàn)站的國(guó)家是美國(guó)，位于芬迪灣 Treat Island 海洋暴露試驗(yàn)站。隨后，荷蘭、德國(guó)、法國(guó)和中國(guó)等國(guó)家也都陸續(xù)在沿海地區(qū)建造了海洋暴露試驗(yàn)站。根據(jù)海港地區(qū)的氣候特點(diǎn)，我國(guó)分別在青島、廈門、榆林和舟山等地建立海水腐蝕試驗(yàn)站，形成全國(guó)海水腐蝕試驗(yàn)站網(wǎng)。

Cheewaket 等將粉煤灰混凝土置于海洋現(xiàn)場(chǎng)暴露10年，研究了混凝土的抗壓強(qiáng)度、水灰比和粉煤灰摻量等因素對(duì)耐侵蝕能力的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，降低水灰比和提高粉煤灰摻量都能明顯降低氯離子擴(kuò)散系數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，要綜合考慮使用合適的配比。 Wu等對(duì)北部灣三個(gè)地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)氯離子濃度進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，研究了氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間變化的老化因數(shù)，結(jié)果表明，飛濺區(qū)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響比潮汐區(qū)和大氣區(qū)更為嚴(yán)重。

室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是僅根據(jù)短時(shí)間室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)在真實(shí)海洋環(huán)境下的耐久性略微缺乏說服力；室外實(shí)驗(yàn)暴露試驗(yàn)的數(shù)據(jù)可靠性較高，但是時(shí)間周期較長(zhǎng)。因此，考察模擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境中海洋混凝土腐蝕規(guī)律的相關(guān)性，并依據(jù)相關(guān)性對(duì)涂層的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，成為相關(guān)學(xué)者的研究重點(diǎn)。金立兵提出了“多重環(huán)境時(shí)間相似理論”，該理論選取第三方為參照物，參照物和研究對(duì)象有相同或相似的環(huán)境條件，并且具有一定的服役年限，依次建立了室內(nèi)模擬與海洋環(huán)境之間的相似關(guān)系，并利用該理論結(jié)合室內(nèi)模擬對(duì)杭州灣跨海大橋的耐久性進(jìn)行了預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際趨勢(shì)基本一致。王晶晶等研究了環(huán)氧涂層在室內(nèi)紫外人工老化和室外海洋環(huán)境中自然老化之間的關(guān)聯(lián)性，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)人工老化的效果強(qiáng)于自然海洋環(huán)境中涂層的老化效果，還通過光澤度測(cè)試得出涂層的老化加速因子約為5。張順淇等通過研究防腐涂層的色差變化，研究了實(shí)驗(yàn)室加速老化和自然環(huán)境暴露兩種方法之間的相關(guān)性，通過相關(guān)系數(shù)確定與自然暴露最為接近的實(shí)驗(yàn)室加速老化工藝，從而對(duì)涂層的服役壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

目前對(duì)于海水冷卻塔防腐涂層的壽命預(yù)測(cè)的研究較多。但是其研究方法總體上來說還是以實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合室外暴露實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行，通過實(shí)驗(yàn)考察兩者之間的相關(guān)性，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)涂層壽命的服役壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。但是，對(duì)于每種涂層壽命預(yù)測(cè)的方法還只是側(cè)重在一兩個(gè)因素，而涂層在服役過程中往往會(huì)受到多種因素的相互作用，且其服役環(huán)境也會(huì)隨著天氣等因素的變化瞬息萬變。因此，目前該領(lǐng)域的研究還存在著很大的局限性，還有很多可以繼續(xù)深入研究的地方。

海水冷卻塔的平穩(wěn)運(yùn)行直接影響著電廠的生產(chǎn)效率，因此保證海水冷卻塔的安全意義重大。因?yàn)橛绊懞Ｋ鋮s塔的腐蝕過程的因素較多，所以目前還沒有一套行之有效的預(yù)測(cè)其防腐涂層服役壽命的科學(xué)方法。借鑒前期研究人員的相關(guān)研究成果，結(jié)合海水冷卻塔的實(shí)際服役環(huán)境，通過實(shí)驗(yàn)室加速實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方式，才能探索出一套適合預(yù)測(cè)海水冷卻塔的服役壽命的科學(xué)有效的方法。

5 結(jié)語(yǔ)

海水冷卻塔是電廠發(fā)電過程中應(yīng)用到的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，海水冷卻塔在服役過程中會(huì)受到腐蝕性介質(zhì)、微生物、紫外線輻照等因素的破壞作用，因此其服役過程中的耐久性是一個(gè)極其重要的問題。為了提升海水冷卻塔的服役壽命，往往需要在其表面涂覆有機(jī)防腐涂層。有機(jī)防腐涂層在服役過程中長(zhǎng)期受到侵蝕破壞而逐漸導(dǎo)致防護(hù)失效，因此需要定期對(duì)涂層進(jìn)行維護(hù)和更換。為了掌握涂層的維護(hù)、更換時(shí)間，需要通過涂層的壽命預(yù)測(cè)技術(shù)來提供正確有效的指導(dǎo)。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)海水冷卻塔防腐涂層的壽命預(yù)測(cè)進(jìn)行了大量的研究，但是受限于目前的檢測(cè)技術(shù)以及實(shí)際環(huán)境的復(fù)雜性，該研究還存在著很大的局限性，需要進(jìn)一步深入系統(tǒng)的研究。