王 放，金 櫻，張應輝，羅 強，贠麗君，馬瑞麗，陸海東，鄧紹敏，姜 波

(北京市燃氣集團有限責任公司，北京 100032 )

0 前 言

在經濟全球化迅猛發(fā)展的時代背景下，海洋經濟日益成為各國競爭的重要領域[1]。在海洋開發(fā)過程中遇到的海洋環(huán)境下的腐蝕問題也越來越值得我們關注[2,3]。海洋環(huán)境是一種極其復雜的腐蝕性環(huán)境[4-6]，海水是一種強電解質溶液，海水的溫度、鹽度、溶解氧濃度、pH值、流速以及海洋生物等都是影響腐蝕的重要因素[7,8]，這也使得海洋環(huán)境腐蝕性遠高于陸地環(huán)境[9,10]。

2014年調查發(fā)現(xiàn)，我國腐蝕成本約占國內生產總值的3.34%[11]，達到22 000億人民幣，這相當于每位公民承擔的腐蝕成本超過1 500元。即使通過腐蝕控制來減少0.1%的腐蝕成本，也能挽回幾百億的經濟損失，由此可見腐蝕控制帶來的經濟效應是非常明顯的。而且鋼材每減薄1 mm，其強度會下降5%～10%[12]，海洋鋼樁的腐蝕不僅會使其功能喪失，還有可能會引起突發(fā)性災害、油氣泄漏和海洋環(huán)境污染等問題[13-18]。因此，調研國內外碼頭鋼結構的防腐措施和設計方案，總結對比國內外不同海域接收站及碼頭鋼結構的防腐設計優(yōu)缺點，可以為將來碼頭鋼樁工程防腐施工提供技術支撐，對保證碼頭防腐的長效性、經濟性和可操作性具有重要意義。

1 海洋鋼結構腐蝕規(guī)律

如圖1所示[19]，根據(jù)海洋腐蝕環(huán)境可以將碼頭高樁鋼樁分為5個不同的區(qū)帶，分別為海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、海洋潮差區(qū)、海水全浸區(qū)和海底泥土區(qū)[20, 21]。海洋大氣區(qū)的腐蝕主要受海鹽微粒和陸地大氣的影響；在浪花飛濺區(qū)，海水飛濺造成的干濕環(huán)境以及陽光照射導致的溫度升高，會形成最苛刻的腐蝕環(huán)境[22]，這個區(qū)域的腐蝕速率也是最高的；海洋潮差區(qū)作為氧濃差電池的陰極區(qū)而受到保護，腐蝕速率較低，但是該區(qū)域存在海洋生物污損及好氧菌附著腐蝕現(xiàn)象。在海水全浸區(qū)，腐蝕性主要受溶解氧、流速、溫度、鹽度、pH值、以及污染因素和生物因素等的共同作用的影響；鋼樁在海洋潮差區(qū)和海水全浸區(qū)由于溶解氧濃度的不同會形成腐蝕宏電池，其中溶解氧較多的潮差區(qū)成為陰極，腐蝕較輕，溶解氧少的海水全浸區(qū)成為陽極，腐蝕較重。海底泥土區(qū)中溶解氧的濃度、溫度以及厭氧生物的作用是影響該區(qū)域鋼樁腐蝕性的主要因素。

在浪花飛濺區(qū)，表面銹層在濕潤情況下作為一種強氧化劑在起作用，銹層中發(fā)生還原反應，即Fe3+被還原成Fe2+。在干燥情況下，由于空氣氧化作用，銹層中的Fe2+被氧化成Fe3+。這個銹層的自氧化過程在浪花飛濺區(qū)反復進行，從而加快了鋼鐵的腐蝕。圖2為普通碳鋼在海水全浸區(qū)和浪花飛濺區(qū)的極化曲線圖[23]，從圖中可以看出二者陽極溶解速度幾乎相等，浪花飛濺區(qū)的陰極電流明顯大于海水全浸區(qū)的陰極電流。這是由于在海水中鋼的陰極反應是溶解氧的還原反應，飛濺區(qū)的鋼由于銹層自身氧化劑的作用使得陰極電流變大。

2 國內外碼頭鋼樁腐蝕狀況調研

2.1 國外部分碼頭腐蝕狀況調研

毛里塔尼亞努瓦克肖特港又被稱為“友誼港”，始建于1979年，是中國援助非洲的第二大工程項目。該港屬于鋼樁式結構碼頭，位于毛里塔尼亞西海岸的中部，撒哈拉沙漠的南端。該港年平均氣溫為28 ℃，全年平均降雨量約為400 mm。碼頭鋼樁在運營過程中雖然經過了多次修復和保護，但是腐蝕仍然非常嚴重，特別是浪花飛濺區(qū)部分，已經出現(xiàn)大面積的紅銹，銹層成片剝落，嚴重影響到該港口的正常使用，具體腐蝕情況如圖3所示。

斯里蘭卡漢班托塔港，又稱漢班托塔深水港，位于斯里蘭卡最南端、印度洋的中部，是世界第一大海灣孟加拉灣的門戶。漢班托塔港自2007年起在中國的援助下開始建設，2012年開始運營，日均船只到港量達300余艘。如圖4所示，該港口許多的鋼樁，浪花飛濺區(qū)的腐蝕情況較為嚴重，其大片的涂料脫落，裸露出鋼體，大量的浮銹遍布于鋼體之上，且在上部有明顯的點蝕現(xiàn)象，鋼樁保護工作刻不容緩。

圖5所示的是日本某海軍基地碼頭鋼樁浪花飛濺區(qū)腐蝕照片，從圖可以看出，該碼頭鋼樁已經銹蝕非常嚴重，不但表面出現(xiàn)了大量的厚實銹層，鋼樁也出現(xiàn)明顯的減薄現(xiàn)象。如果再不采取措施，將會嚴重影響該碼頭的安全運行。

2.2 國內部分碼頭腐蝕狀況調研

1981～1994年，南京水利研究所對華東、華南地區(qū)29個80年代以前建成的海港進行了腐蝕破壞狀況調查[24]。結果如圖6所示，有嚴重破壞(IV級)構件的碼頭占總數(shù)的41.4%左右，其中運行不超過15 a的碼頭，發(fā)生IV級破壞的數(shù)量占50%，運行不超過20 a的碼頭，發(fā)生IV級破壞的數(shù)量占67%。有III級破壞構件的碼頭占總數(shù)的27.6%，其中運行5～10 a的碼頭發(fā)生III級破壞的數(shù)量占50%，運行10～15 a的碼頭發(fā)生III級破壞的數(shù)量占50%。有II級破壞構件的碼頭占總數(shù)的31%，其中運行小于10 a的碼頭發(fā)生II級破壞的數(shù)量占60%，運行20～25 a的碼頭發(fā)生II級破壞的數(shù)量占40%。

2006～2008年，交通部再次組織了一次全國性的調查[25]。調查范圍包括中國華北、華東和華南等環(huán)境區(qū)的31個碼頭。除外觀檢查外，還進行了氯離子分布、鋼筋銹蝕情況等專項調查測試。調查結果表明：在1987-1996年之間建成并使用了約13～17 a的碼頭，大部分金屬構件表面有腐蝕痕跡，部分構件有嚴重的腐蝕開裂現(xiàn)象；1996年以后建成并使用了10 a左右的碼頭，銹蝕現(xiàn)象較輕。碼頭建設年限越晚，耐蝕性越強，其耐久性增強的原因主要有以下4點：(1)耐久性相關標準的完善；(2)高性能混凝土的應用；(3)高效防腐蝕措施的應用；(4)設計施工水平的提高。這也說明了我國加快海洋防腐新技術的開發(fā)，減少海洋腐蝕現(xiàn)象，保障海洋經濟健康發(fā)展的重要性。

在我國渤海、黃海、東海、南海4大海域沿海，也分布著眾多的港口，由于海洋環(huán)境不同，其港口腐蝕情況也不盡相同。本工作選擇各個海域并著重選擇渤海海域具有代表性的港口碼頭進行了腐蝕調查，以下為具體的調查結果：

2.2.1 渤海海域

如圖7所示，2013年對丹東某碼頭進行調研發(fā)現(xiàn)，該碼頭鋼樁使用的是外層包覆聚乙烯保護層的防腐手段，由于冬季浮冰的撞擊作用，造成了鋼樁聚乙烯保護層的脫落，由于該保護層本身只是將海水和鋼樁隔離開，防腐保護作用較差，且未完全脫落的保護層會儲存部分海水，對鋼樁的腐蝕產生更惡劣的影響，導致該碼頭處在浪花飛濺區(qū)的平臺鋼樁在海水沖擊和電化學腐蝕的共同作用下，出現(xiàn)了嚴重的腐蝕現(xiàn)象。其局部區(qū)域鋼結構表面完全被銹層覆蓋，點蝕現(xiàn)象非常明顯，保護工作迫在眉睫。

天津某LNG接收站碼頭所在海域的海水鹽度為3.2%，電阻率約為26 Ω·cm，海水流速約為1.5 m/s，浪高約為3.5 m。港區(qū)海域每年冬季有不同程度的海冰出現(xiàn)，初冰日在12月下旬，終冰日在2月下旬，總冰期約60 d，嚴重冰期年平均為10 d。平均相對濕度為65%，最大相對濕度為100%，最小為3%。日照時間較長，年日照時數(shù)為2 500～2 900 h。該LNG接收站鋼樁采取涂層加犧牲陽極的防腐保護措施，并留有腐蝕裕量。調查發(fā)現(xiàn)，該碼頭運行2 a左右時間后，其鋼樁涂層具有脫落現(xiàn)象，雖然對局部脫落位置進行過修補，但是鋼樁上仍出現(xiàn)了明顯的銹跡，且在水位變動區(qū)有海洋生物附著現(xiàn)象。具體情況如圖8所示。

對天津另一個至今已服役7 a的LNG接收站調查發(fā)現(xiàn)，其為鋼管樁和預應力混凝土梁板結構，整個碼頭由120根φ1 200 mm和348根φ1 000 mm的鋼管樁支撐。鋼樁采取涂層加犧牲陽極的防腐保護措施，并留有腐蝕裕量。從圖9可以看出該碼頭鋼樁涂層已經出現(xiàn)剝離脫落現(xiàn)象，銹蝕較為嚴重，且鋼樁上出現(xiàn)了較多的海洋生物附著，需要進一步防腐蝕處理。

唐山某LNG接收站所在海域海水鹽度為3.0%，全年日照2 600～2 900 h，年平均氣溫為12.5 ℃，最高溫度為32.9 ℃，最低為-14.8 ℃。該LNG接收站于2012年建成，至調研之日已有8 a服役時間。其碼頭鋼管樁采用Q345D低合金高強度結構鋼，在水位變動區(qū)及水下區(qū)采用環(huán)氧重防腐涂層的方式進行防腐，其中，水位變動區(qū)涂層厚度為1 500 μm，水下區(qū)涂層厚度為1 000 μm。如圖10所示，目前該碼頭鋼樁水位變動區(qū)涂層裂化脫落現(xiàn)象嚴重，鋼樁上有較多的銹蝕區(qū)域，影響碼頭的安全使用。

2.2.2 黃海海域

2007年，對青島某化工碼頭調查檢測發(fā)現(xiàn)，該碼頭在使用4 a之后，雖然使用涂料對碼頭鋼樁進行了數(shù)次修補，但是部分鋼管樁在浪花飛濺區(qū)和海洋潮差區(qū)依然出現(xiàn)了大面積的涂層脫落和海洋生物附著，局部位置在保護層下腐蝕嚴重，形成了大量的腐蝕坑，最大腐蝕坑深度可以達到4 mm以上，嚴重威脅著碼頭的安全運行與長期使用，具體腐蝕情況如圖11所示。

2.2.3 東海海域

如圖12所示，福建某LNG碼頭鋼樁在水面以上的部分主要采用涂料防護，許多鋼樁在運行6 a之后，浪花飛濺區(qū)已經有大片的涂料發(fā)生了脫落，漏出鋼樁本體，涂料下面出現(xiàn)大量的紅銹，且有進一步擴大的趨勢，通過測量發(fā)現(xiàn)，銹蝕最深處將近10 mm，嚴重影響了碼頭的安全使用。

2.2.4 南海海域

南海海域海水表層水溫高(25～28 ℃)，年溫差小(3～4 ℃)，雨量充沛，終年高溫高濕，長夏無冬。圖13為海南某LNG接受站腐蝕情況，該LNG接收站正式運行已達6 a，碼頭鋼樁在水面以上的部分主要采用涂料防護，從圖中可以看出，涂層斑駁脫落，鋼樁基體裸露出，潮差區(qū)與浪花飛濺區(qū)最為嚴重，其頻繁的干濕交替過程和充足的氧氣供應，使金屬材料在浪花飛濺區(qū)的電化學腐蝕速率明顯大于海洋大氣區(qū)和海水全浸區(qū)的腐蝕速率，海水的沖擊加劇了材料的破壞，呈現(xiàn)出大量的紅銹，并有銹層剝落。

2.3 國內外海洋鋼結構長效防腐技術調研

腐蝕試驗和調查結果表明，在一般情況下，鋼在海洋大氣中的平均腐蝕速率約為0.03～0.08 mm/a；在浪花飛濺區(qū)為0.30～0.50 mm/a；在海洋潮差區(qū)為0.10～0.37 mm/a；在海水全浸區(qū)中為0.13～0.25 mm/a；在海底泥土區(qū)(或砂中)約為0.02～0.08 mm/a[26]。

當然，海洋鋼結構的腐蝕速率與不同海域的環(huán)境、不同鋼種材料等有著密切的關系，不能一概而論[27, 28]。對于普通碳鋼、低合金鋼等材料，在浪花飛濺區(qū)這個部位很容易發(fā)生嚴重的腐蝕破壞，這使整個鋼結構物承載力大大降低而影響安全生產，縮短使用壽命，提前報廢[29]。目前鋼結構大氣區(qū)普遍采用的防腐技術為涂層防腐；而水下部分主要采用犧牲陽極技術進行腐蝕防護。這2種方法對于大氣區(qū)異型部件、浪花飛濺區(qū)等強腐蝕區(qū)帶的腐蝕防護并不能起到很好的效果。

如表1所示，根據(jù)ISO12944典型腐蝕環(huán)境分類，LNG場站主要包括C4～CX的環(huán)境特征，是極為嚴苛的腐蝕環(huán)境。在海洋鋼結構工程中，常用腐蝕防護手段主要有5種，分別為增加腐蝕裕量、采用耐海水鋼、使用涂層防護、使用電化學防腐以及使用包覆防腐，其中前2種方法是用來提高材料基體的性能，后3種方法是采用的防護技術。

表1 ISO-12944典型腐蝕環(huán)境分類Table 1 ISO-12944 classification of typical corrosive environments

在這5種防腐技術中，腐蝕裕量只對防止均勻腐蝕破壞有意義，且在應用中增加了結構物的載重及較高的成本，對于應力腐蝕、點蝕、氫脆和縫隙腐蝕等非均勻腐蝕，用增加腐蝕裕量的辦法來防止腐蝕效果不佳。圖14為海洋常用鋼不同腐蝕區(qū)域腐蝕速率圖，圖中表示了各個實驗鋼片與平均高潮位(HTL)和平均低潮位(LTL)相對距離的腐蝕速率，其中縱坐標為試片距離防漂流載重箱底的距離，通過對比發(fā)現(xiàn)，17NiCuP鋼在浪花飛濺區(qū)的腐蝕速率明顯小于10Cr2AlMo鋼，但是在海水全浸區(qū)明顯高于10Cr2AlMo鋼。這說明采用不同的耐海水鋼時，在不同的腐蝕區(qū)帶，其耐蝕程度也不同，難以保證各區(qū)帶的腐蝕情況一致。

在涂料防護方面，一般在C4和C5腐蝕環(huán)境下采用的涂料為富鋅底漆，且通過干膜厚度來滿足涂層設計壽命或耐久力。富鋅底漆按其成膜物質可分為有機、無機、有機/無機摻合3種類型。有機富鋅底漆最為常用的是環(huán)氧富鋅底漆。無機富鋅底漆按成膜物分有水玻璃、硅酸乙酯及磷酸鹽等。涂料在海水的沖擊下容易出現(xiàn)破損現(xiàn)象，維修時，需要表面粗糙度的等級要求較高，水下部分維修困難，維修維護成本高[30]。陰極保護在水下區(qū)域擁有較好的防腐蝕效果，在水上部分防腐效果較差。包覆防腐技術可以大致分為有機包覆、無機包覆和礦脂包覆3類，其中有機包覆技術是指將聚乙烯、氨基甲酸乙酯彈性體、環(huán)氧樹脂等有機包覆材料包覆在鋼材表面以達到防腐蝕目的的防腐蝕施工方法，其膜厚比涂層厚度大，防腐蝕性、耐沖擊性能優(yōu)異，但是存在著容易老化和滲漏的缺點。無機包覆技術是指運用水泥砂漿、混凝土或金屬等無機類材料對鋼結構進行包覆防腐蝕的技術，是一種初期成本較低的防腐蝕方法。但由于因漂流物沖擊及材料本身老化等原因，混凝土中容易出現(xiàn)較多的裂紋，引起海水的滲透，一定時間后會導致腐蝕效果下降。相比較而言，在浪花飛濺區(qū)采用礦脂包覆的工藝具有表面處理要求較低、水中施工容易、使用壽命長的優(yōu)點，是較為可取的方案[31]。

圖15為日本羽田機場防腐蝕工程，該機場跑道平臺建在海面上，并使用鋼樁作為支撐結構，工程設計的防腐蝕使用年限為100 a，其鋼桁梁部位采用鈦罩板覆蓋，以阻斷風雨以及飛濺鹽分的侵蝕；鋼桁梁內部采取改性環(huán)氧涂料涂裝，并設置除濕器、換氣扇以及送氣管道等除濕系統(tǒng)，將桁梁內空氣相對濕度控制在50%以下，以達到防止涂料老化的目的。位于浪花飛濺區(qū)、海洋潮差區(qū)及海洋大氣區(qū)的鋼管樁部位，采用耐海水不銹鋼包覆。使用的耐海水不銹鋼是奧氏體耐海水不銹鋼SUS312L，也就是人們通常說的“超級不銹鋼”，其與一般的奧氏體不銹鋼(SUS304、SUS316L)相比，鉻和鉬的含量高，因此具有更好的耐孔蝕性及耐縫隙腐蝕性。從圖中可以看出，該防護方法整體防護效果較好，沒有出現(xiàn)明顯的腐蝕現(xiàn)象。在位于海水全浸區(qū)及海底泥土區(qū)的部位，則采用了成熟的、且易于維護管理的Al-Zn-In犧牲陽極進行腐蝕防護。通過上述腐蝕防護方法的應用，使整個跑道的維護管理費用降至最低，同時也實現(xiàn)了降低使用壽命期內成本的目標，是目前世界上先進的腐蝕防護工程。

針對青島某化工碼頭的腐蝕狀況，2007和2009年采用復層礦脂包覆技術對其碼頭鋼樁進行了2期的腐蝕修復，修復后碼頭鋼樁更加整潔美觀。修復前后的對比如圖16所示。

2016年，在對青島某化工碼頭鋼樁使用復層礦脂包覆8 a后，將包覆層打開對防腐效果進行驗證。如圖17所示，檢驗結果表明，在海洋嚴酷的腐蝕條件下，復層礦脂包覆層多年后依然能夠起到良好的保護效果，鋼樁光滑無銹蝕。2019年9月，再次對該技術11 a的防護效果進行現(xiàn)場檢查，見圖18。從圖18a可以看出，防護罩非常完整，沒有任何破損現(xiàn)象，保護狀態(tài)完好，可以滿足至少30 a的保護壽命。如圖18b所示，剖開鋼樁保護套，擦掉油脂，可以看到鋼樁內部表面光滑，基本為包覆前狀態(tài)，無銹蝕現(xiàn)象，這也說明復層包覆技術具有較好的保護作用。

同時與未保護的鋼樁相對比發(fā)現(xiàn)，沒有采用復層礦脂包覆防腐的鋼樁，表面涂層破損嚴重，銹跡斑斑，腐蝕情況已經非常嚴重，如圖19所示。

2.4 有效防腐蝕方案

根據(jù)海洋鋼樁特定的環(huán)境，提出較為有效的防腐蝕方案。如圖20所示，該方案在海水全浸區(qū)及海底泥土區(qū)域采用鋁合金犧牲陽極的陰極保護法。在腐蝕環(huán)境惡劣的海洋潮差區(qū)以及浪花飛濺區(qū)采用復層礦脂包覆的防腐技術(PTC)，該技術材料由4層緊密相連的保護層組成，即礦脂防蝕膏、礦脂防蝕帶、密封緩沖層和防蝕保護罩。其中礦脂防蝕膏、礦脂防蝕帶是復層礦脂包覆防腐技術的核心部分，含有高效的緩蝕成分，能夠有效地阻止腐蝕性介質對鋼結構的侵蝕。密封緩沖層和防蝕保護罩具有良好的整體性能，不但能夠隔絕海水，還能夠抵御機械損傷對鋼結構的破壞。將礦脂防蝕膏、礦脂防蝕帶、密封緩沖層和防蝕保護罩4個部分有機地結合在一起，并用專用工具和螺栓將邊緣法蘭閉合在一起后，具有密封性能好、操作穩(wěn)定性高、施工方便、防腐蝕壽命可達30 a以上、維護管理成本低等優(yōu)點。在易于施工和腐蝕環(huán)境相對較好的海洋大氣區(qū)使用成本相對較低的重防腐涂料防護方法。該類型涂料在化工大氣和海洋大氣環(huán)境里一般可使用10 a或15 a以上，在酸、堿、鹽等介質里及一定溫度的腐蝕條件下，一般也能夠使用5 a以上，使用壽命比一般防腐涂料更長。重防腐涂料的干膜厚度一般要達到200～300 μm以上，甚至上千微米。

3 結 論

針對碼頭鋼樁的腐蝕現(xiàn)狀及防治技術應用效果開展調研發(fā)現(xiàn)，在海洋潮差區(qū)及浪花飛濺區(qū)采用涂料的防腐蝕方法，在使用數(shù)年后，涂層易發(fā)生脫落，發(fā)生較為嚴重的腐蝕現(xiàn)象，影響碼頭的安全使用。在該區(qū)域采用復層礦脂包覆技術能夠有效地對鋼樁提供保護，減輕腐蝕現(xiàn)象。對鋼樁整體較為有效的防腐蝕的方案為：在海水全浸區(qū)及海底泥土區(qū)域采用犧牲陽極的陰極保護法。在腐蝕環(huán)境惡劣的海洋潮差區(qū)以及浪花飛濺區(qū)采用復層礦脂包覆的防腐技術，在海洋大氣區(qū)使用涂料防護。