何曉宇，夏宏杰，溫哲華，方澤興，王 寧，侯保榮

(1. 浙江數(shù)智交院科技股份有限公司水運(yùn)及海洋工程技術(shù)研究中心，浙江 杭州 310006；(2. 浙江省舟山市岱山縣疏港公路工程建設(shè)管理中心，浙江 舟山 316000；(3. 杭州本創(chuàng)科技有限公司，浙江 杭州 310006；4. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266071)

0 前 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平不斷提高，對(duì)海洋的開發(fā)和探索也不斷深入，海洋資源和安全引起了國(guó)家高度重視。然而，隨著對(duì)海洋資源的勘探、海洋工程的實(shí)施以及深海技術(shù)的應(yīng)用，海洋結(jié)構(gòu)材料的腐蝕問題也接踵而來，并成為海洋開發(fā)中的威脅之一。

當(dāng)前，我國(guó)海洋工程快速發(fā)展，多座大型跨江、跨海大橋的興建，都是鋼結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境中的典型應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)環(huán)渤海、長(zhǎng)三角、東南沿海、珠三角和西南沿海等5個(gè)港口群，包括近60個(gè)億噸和千萬噸級(jí)大型港口碼頭，僅已建海港碼頭一項(xiàng)就有數(shù)以萬計(jì)的鋼樁[1,2]。鋼結(jié)構(gòu)具有力學(xué)性能良好、承載能力強(qiáng)、制造方法簡(jiǎn)單、便于批量生產(chǎn)、施工性好、工程周期短等優(yōu)點(diǎn)，在整個(gè)海洋工程建設(shè)當(dāng)中有大量的應(yīng)用。低碳鋼、低碳合金鋼如Q235、Q355等因價(jià)格低廉、力學(xué)性能好、易于加工制造成型作為鋼結(jié)構(gòu)的主流建筑材料，常用于船舶、采油平臺(tái)、碼頭、海底管線、海上風(fēng)電等[3]。但是，海洋環(huán)境下，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施的腐蝕是其安全服役的致命弱點(diǎn)。鋼鐵材料在海洋中相較混凝土的耐腐蝕性能較差，腐蝕會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的截面面積縮小，承載能力逐步下降，直接影響海洋構(gòu)筑物的使用安全，最終導(dǎo)致服役年限降低。同時(shí)由于海洋服役環(huán)境的復(fù)雜多變性，使得海洋中的鋼結(jié)構(gòu)腐蝕更加嚴(yán)重，并且目前國(guó)內(nèi)大型海洋工程設(shè)計(jì)的預(yù)期壽命要求也越來越高，在這種復(fù)雜的背景下對(duì)海洋環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)的防腐性能和防腐技術(shù)的要求也迫切提出了新的要求。

1 海洋環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)腐蝕特點(diǎn)及規(guī)律

1.1 海洋環(huán)境腐蝕特點(diǎn)

相比較于內(nèi)陸，海洋環(huán)境更加復(fù)雜多變。從服役環(huán)境，海洋環(huán)境被劃分為海洋大氣區(qū)、海洋浪濺區(qū)、海洋潮差區(qū)、海洋全浸區(qū)和海洋底泥區(qū)5個(gè)區(qū)域[4,5]，如圖1[6]。不同腐蝕區(qū)帶的腐蝕破壞過程會(huì)有所不同。在浪花飛濺區(qū)，由于處在干、濕交替區(qū)，氧氣供應(yīng)充分，所產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物沒有保護(hù)作用，由于海水的飛濺，其飛沫可以直接打到金屬表面，使其腐蝕很嚴(yán)重；在海洋潮差區(qū)(平均高潮線與低潮線之間)，由于長(zhǎng)尺度氧濃差電池的保護(hù)作用，腐蝕最?。辉诤Ｋ^(qū)，腐蝕受到氧擴(kuò)散的控制，其中淺海區(qū)腐蝕較重，隨深度增加有所減輕；在接近海底泥土區(qū)，由于海洋微生物污損、氧濃差電池和硫化物化學(xué)腐蝕的影響，也存在局部腐蝕率增加的現(xiàn)象[7]。

圖1 海洋環(huán)境鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕不同區(qū)帶[6]

1.2 海洋環(huán)境腐蝕規(guī)律

海洋環(huán)境中，鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕受到物理、化學(xué)、生物、結(jié)構(gòu)、材料等多種因素的影響。物理因素如溫度、壓力、陽光照射強(qiáng)度、海浪沖擊、海水流速、泥沙磨蝕等都可以對(duì)腐蝕產(chǎn)生影響；化學(xué)因素如鹽分、海洋污染物質(zhì)等特別對(duì)局部腐蝕造成重要影響；而生物因素如腐蝕性細(xì)菌產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，形成的生物膜和生物污損也會(huì)對(duì)金屬的腐蝕過程產(chǎn)生顯著的促進(jìn)作用；其他如材料因素(如合金加工缺陷)等；鋼鐵設(shè)施所處的海洋腐蝕區(qū)帶位置等，都對(duì)腐蝕發(fā)生的過程具有重要影響[7]。溶解氧、氯鹽、微生物等是影響海洋腐蝕過程的重要因素。

要想研發(fā)出可靠有效的耐久性腐蝕防護(hù)技術(shù)，首先要研究海洋鋼樁在海洋環(huán)境下的腐蝕規(guī)律。中科院海洋研究所歷經(jīng)多年通過多次試驗(yàn)評(píng)價(jià)了100余種合金鋼在海洋環(huán)境中的耐腐蝕性能，對(duì)其中實(shí)驗(yàn)條件完全相同的18種海洋用鋼在不同區(qū)帶的腐蝕速度對(duì)比進(jìn)行了總結(jié)：在碳鋼中由于添加合金元素的種類及數(shù)量不同，其腐蝕速度有明顯差異；對(duì)于同一種材料，處于不同腐蝕區(qū)帶，其腐蝕速率也不同，浪花飛濺區(qū)依然是腐蝕最嚴(yán)重的區(qū)域，鋼結(jié)構(gòu)在浪濺區(qū)的腐蝕速度約為0.3～0.5 mm/a，比在海洋大氣區(qū)中的平均腐蝕速度大，是全浸區(qū)的3～10倍左右[8]。由此可見，采取必要的腐蝕防護(hù)措施來預(yù)防鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的失效是非常必要的。

2 海洋鋼結(jié)構(gòu)腐蝕類型

鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕有很多種形式，根據(jù)不同的原理和腐蝕方式可以分為不同的腐蝕類型。按照鋼材與周圍的環(huán)境相互作用產(chǎn)生的腐蝕，可以將鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕分為以下幾種。

2.1 化學(xué)腐蝕

金屬與周圍介質(zhì)(非電解質(zhì))直接作用發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起的破壞成為化學(xué)腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕可以分為氣體腐蝕和有機(jī)介質(zhì)腐蝕。化學(xué)腐蝕在海洋鋼結(jié)構(gòu)上發(fā)生的概率很小，相對(duì)于常見的電化學(xué)腐蝕而言基本可以忽略。

2.2 電化學(xué)腐蝕

鋼結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境中的電化學(xué)腐蝕分為均勻腐蝕與局部腐蝕，其中全面腐蝕使金屬整體減薄，相對(duì)容易檢測(cè)，且不會(huì)引起災(zāi)難性的失效。局部腐蝕是指在金屬表面上特定的位置發(fā)生的不均勻腐蝕，局部腐蝕一般發(fā)生在難以檢測(cè)的區(qū)域，而且風(fēng)險(xiǎn)和危害性巨大[9-11]。

2.2.1 均勻腐蝕

均勻腐蝕是指金屬表面的腐蝕是均勻發(fā)生的。在鋼材料中，低碳鋼是很容易發(fā)生腐蝕的一種金屬材料[12]。由于均勻腐蝕具有一定的可預(yù)見性，所以可以通過試驗(yàn)?zāi)M計(jì)算出腐蝕的速率，進(jìn)而就可以設(shè)計(jì)出材料的腐蝕裕量，使鋼結(jié)構(gòu)達(dá)到服役年限。

2.2.2 局部腐蝕

相比較均勻腐蝕，局部腐蝕的類型更加多樣。

(1)點(diǎn)蝕 與均勻腐蝕不同，點(diǎn)蝕是在局部形成一個(gè)個(gè)很小的點(diǎn)蝕孔，又被稱作小孔腐蝕[13]，所以金屬表面看起來相對(duì)粗糙。在海洋環(huán)境中，由于鹽離子的廣泛存在，對(duì)低碳合金鋼鈍化膜具有破壞作用，鹽離子可以優(yōu)先使金屬缺陷區(qū)域的氧化膜溶解，裸露的金屬如果能再次形成鈍化膜，則不會(huì)形成蝕核。但是，海洋中各種陽離子的存在，會(huì)促使金屬的電位達(dá)到點(diǎn)蝕點(diǎn)位之上，進(jìn)而造成腐蝕反應(yīng)的發(fā)生[14]。點(diǎn)蝕是最常見的局部腐蝕，圖2案例是浙江兩座典型橋梁鋼構(gòu)件上發(fā)生的點(diǎn)蝕問題。

圖2 典型海洋橋梁鋼構(gòu)件上發(fā)生的點(diǎn)蝕

(2)腐蝕疲勞 當(dāng)交變拉壓應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用時(shí)，發(fā)生的金屬腐蝕被稱為腐蝕疲勞。腐蝕疲勞通常出現(xiàn)在斜拉索、懸索、箱梁等高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)特殊部位。

(3)應(yīng)力腐蝕 鋼材料冷加工后的殘余拉應(yīng)力、受荷時(shí)候的應(yīng)力集中和不均勻現(xiàn)象，會(huì)讓金屬的晶格發(fā)生變化，晶格變形部位作為陰極，其余部位作為陽極在與腐蝕介質(zhì)共同作用的時(shí)候就會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕。金屬受拉應(yīng)力的部位、彎曲構(gòu)件，以及海水中的不銹鋼都容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。金屬的應(yīng)力腐蝕在材料斷裂之前沒有任何的預(yù)兆，所以一旦發(fā)生，對(duì)工程的危害非常大。應(yīng)力腐蝕的發(fā)生一般是分為三個(gè)階段，分別是裂紋萌生、裂紋拓展和失穩(wěn)[15-17]。通常高強(qiáng)鋼、鋼絲繩、拉索(如圖3)等承受拉應(yīng)力部位在潮濕工業(yè)大氣、海洋大氣環(huán)境下容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。

圖3 橋梁拉索應(yīng)力腐蝕

(4)電偶腐蝕 多種金屬組合而成的材料，在電解質(zhì)存在的時(shí)候，就會(huì)發(fā)生先腐蝕較為電位排序活潑金屬的電偶腐蝕。環(huán)境的介質(zhì)、介質(zhì)導(dǎo)電性能以及陰陽極面積比都會(huì)影響電偶腐蝕的速率。電偶腐蝕通常發(fā)生在兩種不同金屬或合金相接觸的位置，比如鋼構(gòu)件連接的焊縫位置、不同材質(zhì)的連接構(gòu)件等，如圖4。

圖4 焊接連接位置處的電偶腐蝕

(5)縫隙腐蝕 縫隙腐蝕是發(fā)生在金屬縫隙中的一種腐蝕。當(dāng)金屬縫隙(金屬上覆蓋泥沙、灰塵等形成的縫隙也可以)中存在腐蝕電解液的時(shí)候，縫隙腐蝕就會(huì)發(fā)生[18]。金屬的焊接點(diǎn)、連接點(diǎn)都是縫隙腐蝕高發(fā)的區(qū)域。如跨海大橋的墊片、螺絲和鉚釘?shù)目p隙內(nèi)，都會(huì)發(fā)生縫隙腐蝕?？p隙腐蝕是一種嚴(yán)重的局部腐蝕，金屬與非金屬之間的連接，比如鋼材與混凝土交接位置(如圖5)，金屬構(gòu)件之間的連接比如橋梁阻尼器支架上的連接、橋梁錨固位置，螺栓連接位置，如圖6，都經(jīng)常發(fā)生腐蝕病害，而且這些腐蝕病害會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)就出現(xiàn)。

圖5 鋼材與混凝土交接處以及橋梁錨碇處發(fā)生的縫隙腐蝕

圖6 橋梁鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生的縫隙腐蝕

(6)磨損腐蝕 鋼材料長(zhǎng)期磨損會(huì)破壞原有的鈍化膜，裸露的金屬會(huì)和腐蝕介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)造成磨損腐蝕。

3 海洋中鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)措施

根據(jù)海洋中鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕機(jī)理，為使鋼材不易發(fā)生腐蝕，應(yīng)從以下幾點(diǎn)考慮：一是針對(duì)材料本身，優(yōu)化選材及優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；二是通過防護(hù)手段隔離腐蝕介質(zhì)，消除可以發(fā)生腐蝕反應(yīng)的環(huán)境。根據(jù)以上機(jī)理，主要有以下防護(hù)措施。

3.1 耐候鋼

在鋼材的冶煉過程中加入銅、硅、磷、鉻、鎳等金屬，從而提高其防腐蝕的能力。我國(guó)將其分為高耐候鋼以及焊接結(jié)構(gòu)耐候鋼。高耐候鋼按照其化學(xué)性質(zhì)可以將耐候鋼分為銅磷鋼和銅磷鉻鎳鋼(Q295GNH、Q295GNHL、Q345GNH、Q345GNHL、Q390GNH)[19,20]。焊接結(jié)構(gòu)的耐候鋼保持鋼結(jié)構(gòu)的良好焊接性。根據(jù)耐候鋼使用的環(huán)境和化學(xué)成分的綜合因素，耐候鋼的抗腐能是普通鋼的2～8倍，涂裝性能為普碳鋼的1.5～10.0倍[15]。王晶晶等采用三因素三水平正交試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在耐候鋼里面化學(xué)元素的影響大小為：銅>硅>鎳[21]。耐候鋼表面看起來像生了銹一樣，但其實(shí)是鋼材表面形成了致密和附著性很強(qiáng)的保護(hù)膜，從而阻礙銹蝕往里擴(kuò)散和發(fā)展，保護(hù)銹層下面的基體，以減緩其腐蝕速率。耐候鋼銹層相的組成十分復(fù)雜，目前公認(rèn)的耐候鋼銹層成分理論認(rèn)為[22]，穩(wěn)定銹層可以分為內(nèi)外兩層：外層銹層主要由疏松多孔的β - FeOOH和γ - FeOOH組成，內(nèi)銹層主要由連續(xù)致密的Fe3O4、α - FeOOH和無定形羥基氧化物[FeOx(OH)，x=0～1]組成。其中內(nèi)銹層具有主要的耐腐蝕性，合金元素也主要富集在內(nèi)銹層中，以增加其穩(wěn)定性和致密性，阻礙了腐蝕介質(zhì)向銹層的傳遞。但耐候鋼形成致密、穩(wěn)定的保護(hù)膜需要很長(zhǎng)時(shí)間，在這之前會(huì)出現(xiàn)銹液流掛、飛散等現(xiàn)象，通過使用一種耐候鋼穩(wěn)定化表面處理技術(shù)可減少保護(hù)膜形成時(shí)間，且能夠適用于更廣泛的環(huán)境，可以在高鹽、高濕環(huán)境中形成穩(wěn)定保護(hù)膜[23]。高性能耐候鋼在北美、歐洲和日本鋼橋建設(shè)中得到廣泛使用。日本建設(shè)省土木研究所的推算結(jié)果顯示：60 a后普通鋼橋費(fèi)用為耐候鋼橋的1.5倍，100 a后在2.0倍以上[24]。

耐候鋼在浙江樂清灣閘道橋和寧波舟山鋼主通道南通航孔和主通航孔橋鋼錨箱上進(jìn)行了應(yīng)用。浙江樂清灣跨海大橋全長(zhǎng)10.88 km，大橋在3標(biāo)段F匝道橋第三聯(lián)、7標(biāo)段MY匝道、D匝道、LY匝道、LZ匝道橋上均采用了國(guó)產(chǎn)耐候鋼Q355NHD[25]。耐候鋼結(jié)合梁采用雙箱雙室斷面，由2個(gè)預(yù)制開口鋼主梁和現(xiàn)澆鋼筋混凝土橋面板通過抗剪連接件組成，主梁中心梁高2.2 m，鋼梁高1.8 m。為減少甚至免除運(yùn)營(yíng)期的維護(hù)工作，結(jié)合梁鋼梁主體結(jié)構(gòu)、橫隔板、橫梁、工地連接板等設(shè)計(jì)采用耐候鋼，如圖7。鋼梁不進(jìn)行涂裝，靠其自身生成穩(wěn)定的鈍化銹層，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)年限內(nèi)的有效防腐。

圖7 已建成的樂清灣Q355NHD耐候鋼匝道組合梁[25]

寧波舟山港主通道連接舟山本島和舟山第二大島岱山島，其中跨海大橋長(zhǎng)16.734 km，主通道海上由南向北設(shè)置三座通航孔橋，根據(jù)通航要求，三座通航孔橋分別采用了750 m長(zhǎng)的雙塔鋼箱梁斜拉橋、1 630 m長(zhǎng)的三塔鋼箱梁斜拉橋和510 m長(zhǎng)的混合梁連續(xù)剛構(gòu)。項(xiàng)目在在主通航孔橋、南通航孔橋鋼錨梁及鋼牛腿出采用了耐候鋼Q355NHD。處理后的色調(diào)為靠近銹蝕的色調(diào)，并確保穩(wěn)定的鈍化銹層在運(yùn)營(yíng)年限內(nèi)顏色基本不發(fā)生變化，要求經(jīng)銹蝕穩(wěn)定化輔助處理的耐候鋼在100 a使用期內(nèi)，鋼板表面總腐蝕厚度不超過2 mm。鋼錨梁及鋼牛腿不進(jìn)行涂裝，應(yīng)靠其自身生成穩(wěn)定的鈍化銹層，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)年限內(nèi)的有效防腐[26]。

3.2 陰極保護(hù)技術(shù)

陰極保護(hù)技術(shù)是電化學(xué)保護(hù)的一種，通過向被保護(hù)金屬提供電流，使被保護(hù)金屬的電位低于自腐蝕電位，從而達(dá)到保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)的目的[27-30]。通常情況下，陰極保護(hù)技術(shù)分為犧牲陽極法和外加電流法2種，目前這2項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成熟，已廣泛應(yīng)用到海洋鋼結(jié)構(gòu)，例如橋梁、碼頭、石油平臺(tái)等設(shè)施上。

正常情況下，海洋鋼結(jié)構(gòu)上既可以用外加電流法也可以用犧牲陽極法，必要情況下兩者可以聯(lián)合使用。杭州灣跨海大橋、金塘大橋、象山港大橋和大型碼頭結(jié)構(gòu)鋼管樁在水下區(qū)域均采用了犧牲陽極陰極保護(hù)的防腐措施。

3.3 防腐涂料保護(hù)

3.3.1 使用金屬鍍層保護(hù)

通過在鋼材表面電鍍或者熱浸鍍鋅的方法，隔離鋼材和腐蝕介質(zhì)，從而達(dá)到防腐蝕的目的。但研究表明，鋅 - 5%鋁電鍍層鋼材在海水中會(huì)提高鋼材的氫脆敏感性，出現(xiàn)析氫現(xiàn)象，降低鋼材的斷后延伸率以及能量密度，所以應(yīng)用較少，而熱浸鍍方法耗能高、非綠色技術(shù)，即將淘汰。金屬保護(hù)層一般采用熱噴涂或冷噴涂技術(shù)較多。

熱噴涂是采用燃燒火焰、電弧等作為熱源，將噴涂材料加熱到塑態(tài)和熔融狀態(tài)，并用壓縮空氣將材料呈霧化的顆粒束吹附到基體表面上，隨之激冷并不斷層積而形成涂層的工藝方法[30，31]。冷噴涂是一種完全不同于熱噴涂的技術(shù)，是將某種固體材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)并高速噴射到基體表面上形成具有特殊性能的膜層，膜層具有特殊的層狀結(jié)構(gòu)和若干微小氣孔，涂層與基材的結(jié)合一般是機(jī)械方式，其結(jié)合強(qiáng)度較低[32-34]。在很多情況下，熱噴涂可以引起基材相變、部分噴涂材料元素的分解和揮發(fā)以及氧化。而冷噴涂技術(shù)相對(duì)于熱噴涂技術(shù)而言，在噴涂時(shí)，噴涂粒子以高速撞擊基體表面，在整個(gè)過程中粒子沒有熔化，保持固體狀態(tài)，粒子發(fā)生純塑性變形聚合形成涂層。

金屬熱噴涂層的缺點(diǎn)是涂層結(jié)構(gòu)不均勻，孔隙率較大，涂層結(jié)構(gòu)受噴涂方式影響較大，技術(shù)要求較高。冷噴涂目前市場(chǎng)上合格的粉末種類有限，限制了冷噴涂技術(shù)的廣泛應(yīng)用。另外冷噴涂和所有熱噴涂一樣，為直線噴射狀噴涂(不能繞射)，故對(duì)遮蔽性幾何結(jié)構(gòu)件噴涂仍有困難。

3.3.2 使用非金屬層保護(hù)

在鋼結(jié)構(gòu)表面涂油漆或者其他非金屬的防腐材料，也可以有效地防止鋼材的腐蝕。海洋中的防腐涂層是以重防腐涂層、自修復(fù)涂層、仿生超疏水涂層、包覆防腐技術(shù)等為代表。

(1)重防腐涂層技術(shù) 環(huán)氧系列涂層是使用較廣的一類防腐涂層，杭州灣跨海大橋鋼管樁采用了重防腐環(huán)氧粉末系列涂層防護(hù)。另外環(huán)氧玻璃鱗片涂料也是一種重防腐涂料，采用高品質(zhì)的環(huán)氧樹脂和固化劑作為成膜物質(zhì)，添加了玻璃鱗片，使涂料具有優(yōu)異的屏蔽和耐磨性能，該涂料在海洋石油平臺(tái)、海上風(fēng)電等多個(gè)工程中得到應(yīng)用。日本的明石海峽大橋采用是聚酯玻璃鱗片厚漿涂料，到目前已有近30 a的應(yīng)用先例，這種先進(jìn)涂料的防腐效果可達(dá)30 a以上免維護(hù)。氟涂料是指氟樹脂以及氟碳材料，有良好的耐腐蝕和耐候性，使用壽命可達(dá)10～20 a[35]，但在使用過程中要注意合理地選用底漆以及重視基礎(chǔ)施工和涂裝技術(shù)。

(2)自修復(fù)涂層 自修復(fù)涂層是指通過外界的刺激，可控地改變材料特點(diǎn)，從而判斷并實(shí)現(xiàn)合理地修復(fù)腐蝕材料的涂層[36]。刺激因素包括機(jī)械刺激、熱刺激、電刺激、光刺激、pH值誘導(dǎo)，當(dāng)滿足這些條件后，涂層內(nèi)的自修復(fù)成分或者通過破裂修復(fù)或者用類似與人體血液循環(huán)防蝕修復(fù)亦或者通過熱運(yùn)動(dòng)交聯(lián)耦合修復(fù)等方式讓被破壞的材料重新起到防腐效果。自修復(fù)涂層的研究涉及到諸如分析化學(xué)、涂料、腐蝕科學(xué)的多學(xué)科交叉，目前，自修復(fù)涂層具有化學(xué)活性強(qiáng)、使用條件窄以及功能簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，所以很難在海洋腐蝕防護(hù)中得以應(yīng)用。

(3)仿生超疏水技術(shù) 是通過在金屬表面噴涂或者直接對(duì)金屬基體表面改性使涂層或者金屬表面不被液體腐蝕介質(zhì)潤(rùn)濕，進(jìn)而使腐蝕反應(yīng)失去反應(yīng)的環(huán)境達(dá)到保護(hù)金屬的一種方法。仿生超疏水的制備有2種，一種是在低表面能的物質(zhì)上面生成粗糙結(jié)構(gòu)，另一種是在粗糙結(jié)構(gòu)上面修飾低表面能的物質(zhì)[37]。雖然超疏水可以破壞腐蝕反應(yīng)的反應(yīng)場(chǎng)所，但是由于液 - 氣界的穩(wěn)定性受到水下壓力和流動(dòng)的干擾，超疏水在水下的效果和應(yīng)用都受到了限制，同時(shí)受到機(jī)械磨損、紫外線、酸、堿的因素的破壞，超疏水的機(jī)械穩(wěn)定性也受到了限制。

(4)復(fù)合防腐技術(shù) 復(fù)層礦脂包覆防腐蝕技術(shù)(PTC)由4層緊密相連的保護(hù)層組成，即礦脂防蝕膏、礦脂防蝕帶、密封緩沖層和防蝕保護(hù)罩，如圖8。其中礦脂防蝕膏、礦脂防蝕帶是復(fù)層礦脂包覆防腐技術(shù)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(zhì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的侵蝕，并可帶銹帶水施工。密封緩沖層和防蝕保護(hù)罩具有良好的整體性能，不但能夠隔絕海水，還能夠抵御機(jī)械損傷對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的破壞。

圖8 復(fù)層礦脂包覆防腐蝕技術(shù)(PTC)包覆結(jié)構(gòu)示意圖[38]

復(fù)層礦脂包覆防腐技術(shù)使用緩蝕劑和隔絕空氣的密封技術(shù)，將防蝕膏、防蝕帶、緩沖層和保護(hù)罩合理地結(jié)合在一起。防蝕膏是一重柔性材料，也是該技術(shù)的主要防腐材料，可以很好地黏附在鋼材表面，同時(shí)內(nèi)部的銹轉(zhuǎn)化成分可以轉(zhuǎn)化未去除干凈的銹成分，對(duì)施工要求不高，可以帶水施工，保護(hù)年限達(dá)30 a[39]。

氧化聚合包覆防腐蝕技術(shù)(OTC)由3層緊密相連的保護(hù)層組成，由內(nèi)到外依次為氧化聚合防蝕膏、氧化聚合防蝕帶和外防護(hù)劑，此外還有用于異型部位塑型的防蝕膠泥。圖9為氧化聚合包覆防腐技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9 氧化聚合包覆防腐層結(jié)構(gòu)示意圖

氧化聚合防蝕膏、氧化聚合防蝕帶的緩蝕劑中含有銹轉(zhuǎn)化成分，表面處理要求低，無明顯鼓泡和浮銹即可。施工后，外防護(hù)劑和氧化聚合防蝕帶與空氣接觸的一側(cè)，氧化聚合形成堅(jiān)韌皮膜，具有良好的耐老化性能；粘貼在金屬結(jié)構(gòu)表面的一側(cè)，則永久保持非固化、柔軟的狀態(tài)，從而達(dá)到最佳的防腐蝕性能。

目前常用的有應(yīng)用于浪濺區(qū)和水位變動(dòng)區(qū)的復(fù)層礦脂包覆技術(shù)(PTC)、應(yīng)用于大氣區(qū)的氧化聚合型包覆技術(shù)(OTC)，杭州灣跨海大橋水中平臺(tái)鋼管樁、青島液體化工碼頭鋼管樁等工程采用了復(fù)層礦脂包覆技術(shù)。

2019年8月，杭州灣大橋發(fā)展有限公司組織施工、監(jiān)理單位對(duì)已實(shí)施近6 a的PTC包覆的鋼管樁進(jìn)行效果檢驗(yàn)。從PTC包覆6 a的效果來看，鋼樁被保護(hù)部位未發(fā)生銹蝕，防腐保護(hù)效果優(yōu)異，如圖10。

圖10 杭州灣大橋鋼管樁PTC包覆效果驗(yàn)證

秀山大橋護(hù)欄底座連接區(qū)域等工程采用了氧化聚合型包覆技術(shù)。2019年9月，對(duì)秀山大橋防撞護(hù)欄底座(8 284套)、路燈底座(206套)和檢修護(hù)欄底座(1 982套)基礎(chǔ)上連接螺栓進(jìn)行OTC包覆防腐施工工程，總面積約1 600 m2。

盡管PTC和OTC技術(shù)在設(shè)施新建初期投資高于傳統(tǒng)涂層防腐技術(shù)，然而在30 a的全壽命周期中，PTC和OTC具有不降解、耐老化、耐沖擊等諸多優(yōu)點(diǎn),特別在涂層修復(fù)技術(shù)中是長(zhǎng)效防腐技術(shù)手段中的較優(yōu)選擇。

4 總結(jié)及展望

海洋環(huán)境的復(fù)雜性、嚴(yán)苛性和強(qiáng)腐蝕性使海洋鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕問題成為發(fā)展海上經(jīng)濟(jì)的重大威脅。根據(jù)海洋環(huán)境的特點(diǎn)以及鋼結(jié)構(gòu)自身腐蝕機(jī)制，近年來發(fā)展了多種腐蝕防護(hù)技術(shù)，包括優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)性能、陰極保護(hù)、涂層保護(hù)等。在眾多防蝕技術(shù)中，復(fù)層礦脂包覆防腐蝕技術(shù)(PTC)表面處理要求低，水下施工方便，不受環(huán)境限制，安全可靠，經(jīng)濟(jì)有效，即使在海洋腐蝕最嚴(yán)重的浪濺區(qū)也可以有很好的保護(hù)，且保護(hù)年限很長(zhǎng)。OTC材料柔軟易貼合，可以廣泛適用于各種復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)、設(shè)備，防腐壽命大于30 a，被稱為“可粘貼的重防腐涂料”。

對(duì)于海洋科技的高質(zhì)量發(fā)展，高性能的防腐技術(shù)是根本驅(qū)動(dòng)。未來有必要針對(duì)海洋腐蝕防護(hù)的需求，開發(fā)包含鋼結(jié)構(gòu)浪花飛濺區(qū)腐蝕防護(hù)技術(shù)、海洋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)與修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)、海洋腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)、腐蝕探測(cè)預(yù)警技術(shù)在內(nèi)的集成化海洋環(huán)境腐蝕防護(hù)技術(shù)，從而推進(jìn)海洋防腐工程的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。