孫 欣， 郭福元， 劉富祥， 趙勇剛， 蔣全通， 翟曉凡， 侯保榮

(1.中國科學院海洋研究所海洋環(huán)境腐蝕與生物污損重點實驗室國家海洋腐蝕防護工程技術研究中心，山東 青島 266071； 2.煙臺中集藍海洋科技有限公司， 山東 煙臺 264000)

0 前 言

深遠海漁業(yè)養(yǎng)殖裝備具有高技術、高投入、高產(chǎn)出、高附加值、高風險的特點，同時也要求高安全性和高可靠性。 深遠海漁業(yè)養(yǎng)殖裝備結構主要采用金屬材料，長期處于海水、潮氣和鹽霧等惡劣環(huán)境中，飽受海水的沖刷和海生物的侵蝕，容易出現(xiàn)嚴重的化學和電化學腐蝕，會對設備的使用壽命造成嚴重的影響，更嚴重的會造成海損事故，給環(huán)境造成不可逆的大面積污染，導致海洋環(huán)境生態(tài)災難。 海洋腐蝕不僅給海洋牧場平臺埋下嚴重的安全隱患，還會大幅縮短設備的檢修周期，增加維修費用，延長停工停產(chǎn)時間，造成巨大經(jīng)濟損失。 因此，在海洋這種強腐蝕環(huán)境中長期服役的平臺鋼結構必須采取腐蝕防護措施。 但腐蝕防護可選擇的技術產(chǎn)品少，全生命周期內(nèi)的防腐成本高，節(jié)能環(huán)保政策法規(guī)壓力大，是目前海洋工程裝備行業(yè)腐蝕防護工作面臨的主要問題。

1 海洋平臺的腐蝕環(huán)境及腐蝕規(guī)律

1.1 海洋平臺的腐蝕環(huán)境

海洋平臺的服役環(huán)境極其復雜且惡劣，陽光暴曬、紫外線強烈、鹽霧籠罩、波浪沖刷、海生物附著、浮冰撞擊、船舶靠泊，甚至海水的流速、溫度的變化等因素，都會加速海洋平臺的腐蝕速率。 海水中含有高濃度的腐蝕介質(zhì)，如NO3－、SO42－、Cu2＋、Mg2＋、Fe3＋、H＋、Cl－、溶解氧、OH－等，加上海水本身為弱堿性的電解質(zhì)溶液，給海洋平臺上的碳鋼營造了復雜的腐蝕環(huán)境。 同時，以漁業(yè)養(yǎng)殖為主的牧場平臺，其服役范圍內(nèi)的海水長期處于養(yǎng)分富集的狀態(tài)，而海水本身是具有生物活性的介質(zhì)，含有大量的微生物，會導致鈍性金屬局部腐蝕的發(fā)生和發(fā)展，對于海洋鋼結構設施具有很強的危害性。

1.2 海洋平臺的腐蝕區(qū)帶及飛濺區(qū)的腐蝕規(guī)律

圖1 為海洋各個腐蝕區(qū)帶腐蝕規(guī)律。 海洋環(huán)境可以分為海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、海水潮差區(qū)、海水全浸區(qū)和海底泥土區(qū)5 個不同的腐蝕區(qū)帶[1－3]。 其中，浪花飛濺區(qū)指海水平均高潮位以上海水浪花和海水泡沫飛濺能波及到的區(qū)帶。 我國沿海港灣內(nèi)，浪花飛濺區(qū)的范圍可以確定為海水平均高潮線以上的2.5 m 至海水平均低潮線以下0.5 m 的區(qū)間。 浪花飛濺區(qū)是腐蝕最嚴重的部位，因為在這個區(qū)域，鋼表面受到海水的周期性潤濕，經(jīng)常處于干濕交替狀態(tài)，且氧供應充分，加上陽光、風吹和海水環(huán)境的協(xié)同作用導致發(fā)生最嚴重的腐蝕[2]。 一般情況下，鋼在海洋大氣中的平均腐蝕速度約為0.03 ～0.08 mm/a；而浪花飛濺區(qū)則為0.30 ～0.50 mm/a。 同一種鋼，在浪花飛濺區(qū)的腐蝕速度可比海水全浸區(qū)中高出3～10 倍。

圖1 海洋各個腐蝕區(qū)帶腐蝕規(guī)律Fig.1 Corrosion law of various corrosion zones in ocean

海洋平臺鋼結構的腐蝕是悄無聲息地發(fā)生的，且在深遠海服役的海洋平臺都處于持續(xù)工作狀態(tài)，疲勞、凹坑、海水的拍打和漂浮物的撞擊是日?，F(xiàn)象，一旦發(fā)生銹蝕將嚴重影響構筑物強度，一旦發(fā)生事故必將造成嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失[4，5]。 因此，正確分析和預判其在運行過程中可能出現(xiàn)的腐蝕缺陷，科學做好海洋平臺構件的防腐維護，對于提高海洋平臺設備的經(jīng)濟性、安全性具有極為重要的意義。

隨著我國新建海洋工程設施的增多以及已建海工設施維修高峰周期的到來，海洋浪花飛濺區(qū)的防腐問題得到了空前廣泛的關注。 為延長海洋鋼結構物的使用壽命，對于浪花飛濺區(qū)的腐蝕必須采取有效防腐措施。 如不引起重視和得到解決，將會危及這些基礎設施的服役壽命，防護工作就顯得十分迫切。

2 海洋平臺飛濺區(qū)的防腐蝕技術

2.1 現(xiàn)有防腐技術淺析

海洋牧場的建設屬于新興模式，國內(nèi)的防護標準、規(guī)范不健全，缺乏統(tǒng)一可執(zhí)行的行業(yè)標準，常規(guī)的防腐方法單一，缺乏針對不同部位腐蝕特點采取針對性防腐措施的認識。 海洋平臺想要實現(xiàn)在苛刻的腐蝕條件下長期服役的要求，必須使用高性能的防腐蝕技術，特別是針對平臺浪花飛濺區(qū)設施腐蝕嚴重的短板，研發(fā)長效的防護體系至關重要。

目前海洋工程裝備行業(yè)中，海水全浸區(qū)和海底泥土區(qū)的防腐方法主要采用涂料＋犧牲陽極電化學保護，通過合適的表面處理方式和正確的施工工藝配合，構成重防腐體系。 海洋大氣區(qū)的防腐主要采取傳統(tǒng)的涂刷涂料等手段，浪花飛濺區(qū)和海水潮差區(qū)主要采用包覆保護技術。

(1)陰極保護 海洋鋼鐵設施位于海水全浸區(qū)及海底泥土區(qū)位的防腐蝕對策通常采用陰極保護方法。在現(xiàn)行的海洋鋼鐵設施陰極保護施工中，常用的是鋁合金陽極犧牲陽極方式，參照NACE RP 0176 標準。 應用了陰極保護的鋼材如果完全浸沒在海水里，就可以獲得近乎完全的防腐蝕率。 海洋潮差區(qū)位置需要的防腐蝕電流密度比海水全浸區(qū)多很多倍，陰極保護的效果也受鋼材在海水中浸泡時間影響，浸泡時間越長陰極保護效果越大，浸泡時間越短陰極保護效果越小。

(2)重防腐涂料保護 涂料在大氣區(qū)應用較廣泛，但在浪花飛濺區(qū)的防護壽命短，防護效果差，對施工環(huán)境要求也很高，在施工中出現(xiàn)新銹蝕、烈日直射、雨霧天氣等情況下都不能進行涂裝施工，涂裝作業(yè)必須在無大風沙天氣下進行，同時設備表面溫度不得低于露點3 ℃，相對濕度需要≤85%，環(huán)境溫度≥5 ℃，參照GB 8923－2011“涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級”、NACE TM 0404－2004“標準試驗方法—海上平臺大氣區(qū)和浪濺區(qū)新建防腐蝕用涂層體系評估”標準。 這些要求無形中增加了造船廠的施工步驟和工作時間，在造船旺季時，會造成打砂房和噴漆房的工作量堆積。 一旦分段沒有處理到位，就會造成涂裝的質(zhì)量問題，常見的有流掛、漏涂、表面污染物、表面顆粒物及粉塵、針孔等。 尤其是連接密封的焊接部位，油漆容易開裂導致成片剝落；支撐板等死角部位，容易發(fā)生油漆的堆積或漏涂。

海上鹽霧重、海水溫差波動大、各區(qū)塊流速不等，伴隨著錨鏈和水面漂浮物的磨損，以及工作輔助船停靠的碰撞與摩擦，海生物的附著和侵蝕[6]，飛濺區(qū)的涂層很容易被損傷導致失效，在海上維修時表面處理噴砂與涂裝非常困難，幾乎無法實現(xiàn)，且隨著海洋環(huán)境保護意識的提升，大家普遍意識到涂料具有一定的污染性。 國內(nèi)深遠海漁業(yè)養(yǎng)殖裝備腐蝕防護措施主要使用涂料涂裝，所用的涂料也基本被國外公司所壟斷。 但是由于深遠海漁業(yè)養(yǎng)殖裝備一般要求最少20 a 的服役期限，且減少定期進塢維修的次數(shù)，常用的涂料等防腐蝕措施難以滿足要求。 因此，平臺飛濺區(qū)的防腐設計必須考慮長效、環(huán)保且方便修復的新型技術。

2.2 新型長效包覆防腐蝕技術

針對平臺浪花飛濺區(qū)環(huán)境的設施設備等腐蝕短板，中國科學院海洋研究所的侯保榮院士研發(fā)了復層礦脂長效包覆防腐蝕技術(PTC)，由具備銹層自修復成膜功能的防蝕膏、柔韌性防蝕纏帶、具有緩沖作用的密封層、纖維增強玻璃鋼復合材料制作的保護罩，以及支撐卡箍、擋板、螺栓、螺母等附屬部件組成(如圖2 所示)。

圖2 復層礦脂包覆防腐蝕技術的結構示意Fig.2 Structure diagram of Petrolatum Tape and Covering system

實驗室通過銹轉化深度、耐鹽霧性能測試，及稠度、鹽霧試驗、水膏置換試驗，對原材料組成及配比進行優(yōu)化，研發(fā)出防蝕材料的最佳配方，技術性能特征優(yōu)勢突出:

(1)表面處理的要求低 包覆防腐材料的核心防蝕膏中，含有銹轉化成分，可以直接與鐵銹反應，將鋼結構表面未處理盡的鐵銹轉化成保護性封閉層，起到除銹、防銹雙重作用，實現(xiàn)防腐施工低表面處理。

(2)附著力和致密性好 防蝕膏和防蝕帶具有優(yōu)良的黏著性，能夠強有力地黏附在鋼鐵表面，隔離腐蝕性介質(zhì)，對海水中的鋼鐵起到優(yōu)良的、長效的保護作用。 在溫度范圍為(－20±2) ℃范圍內(nèi)，對礦脂防蝕膏進行低溫附著性試驗，發(fā)現(xiàn)放置1 h 不剝落。 將礦脂防蝕帶在(23±2) ℃的試驗環(huán)境條件下放置24 h，裁取試樣后立即進行試驗，其剝離強度可以達到200 N/m。

(3)可以帶水施工 防蝕膏和防蝕帶含有不對稱結構的表面活性物質(zhì)，可以將金屬表面的水膜置換掉，吸附和捕集腐蝕性物質(zhì)，并將其封存于膠束之中，使之不與金屬接觸，從而起到防腐蝕作用。

(4)防老化、防機械撞擊 保護罩加固在防蝕帶外部，具有優(yōu)良的防老化、防機械撞擊的功能，能夠抵抗海邊晝夜溫差大、空氣濕度大、鹽分大的惡劣腐蝕環(huán)境，當平臺遭受浮冰及船舶靠泊的撞擊時能提供有效保護，形成完整的防護體系。

(5)工藝簡捷 涂覆防蝕膏和纏繞防蝕帶的操作，都無需等待固化，可連續(xù)施工。

復層礦脂長效包覆防腐材料能夠?qū)崿F(xiàn)養(yǎng)殖平臺全生命周期內(nèi)的腐蝕防護，防腐施工不停機，防腐壽命達到30 a。 目前，該技術已制定GB/T 32119－2015“海洋鋼構筑復層礦脂包覆防腐蝕技術”標準，在全球幾十個海洋工程上得到應用[7－9]，效果良好，得到了港口碼頭、海上風電、海洋平臺、橋梁公路行業(yè)的廣泛關注，被認為是最成熟的防腐技術之一。 比較有代表性的案例包括:

(1)青島港液體化工碼頭工程鋼樁腐蝕修復工程

2007 年針對液體化工碼頭鋼管樁進行約500 m2的腐蝕修復，于2016 年打開進行實地驗證，結果表明在海洋環(huán)境嚴酷的腐蝕條件下，PTC 包覆層9 a 后依然能夠保持完整性，起到良好的防護效果。 2021 年再次回訪，保護狀態(tài)依然完好。

(2)勝利油田平臺立管及導管架腐蝕修復工程勝利油田埕北22 單現(xiàn)役石油平臺基礎部分由導管架和樁兩部分組成，2005 年7 月調(diào)查發(fā)現(xiàn)該平臺潮差區(qū)和浪花飛濺區(qū)有明顯的大面積腐蝕且海生物附著嚴重，銹層厚度10 mm 左右，鋼鐵厚度最薄處只有4 mm?？紤]到平臺的長期安全運營，采用PTC 包覆技術進行修復處理，有效解決了浪花飛濺區(qū)腐蝕最嚴重的難題，得到了業(yè)主的高度評價。

3 深遠海養(yǎng)殖平臺的包覆應用

3.1 工程概況

經(jīng)海004 號深遠海智能化坐底式漁業(yè)養(yǎng)殖網(wǎng)箱平臺系經(jīng)海百箱計劃之一，約7×104m3水體容積，能實現(xiàn)深遠海魚類養(yǎng)殖功能，并配備生活、機械平臺。

2021 年在建造時，經(jīng)海漁業(yè)公司意識到腐蝕防護的重要性，經(jīng)過在國內(nèi)外調(diào)研考察，選擇中國科學院海洋研究所進行技術合作，并采用復層礦脂包覆防腐蝕技術(PTC)對飛濺區(qū)的鋼結構進行保護，在船廠制作分段期間，就對飛濺區(qū)的各分段進行包覆，合攏后直接下水拖航，開創(chuàng)了國內(nèi)首個新建平臺的全壽命周期長效防腐的典型案例。

3.2 包覆防腐施工

3.2.1 前期準備

收集海洋鋼結構設施及其海域環(huán)境具體設計圖紙和水文等資料。 設計施工方案，繪制施工圖紙，準備施工材料、確定施工范圍。 根據(jù)鋼樁尺寸、數(shù)量和顏色等要求預制玻璃鋼防蝕保護罩。

3.2.2 搭設施工平臺

施工前根據(jù)包覆分段的高度、長度、寬度，設計搭建施工平臺。 搭設時，腳手架不要緊貼在塔筒上，需留出施工空間。

3.2.3 表面處理

為保證防蝕膏的礦脂能與鋼材表面充分結合，達到最佳的保護效果，必須進行鋼材表面處理。 除銹等級應達到GB/T 8923.1－2011 和GB/T 8923.2－2008 中規(guī)定的St2 級。 施工區(qū)域鋼結構表面處理要求無明顯鼓泡和浮銹，表面突出物不應有銳角，一般不高于5 mm，特別注意節(jié)點處的除銹要保證質(zhì)量，不需噴砂、動火，不宜采用噴砂處理的地方可使用手工除銹，不需涂覆底漆，盡量減少污染。

3.2.4 涂抹防蝕膏

將礦脂防蝕膏均勻涂抹在鋼管樁表面，不能漏涂。對于新建結構的鋼管樁，表面相對光滑，沒有嚴重的腐蝕破損情況，防蝕膏用量約260 ～400 g/m2。 鋼樁表面的坑凹和縫隙處應用防蝕膏填滿抹平，突出物的表面也應涂抹一層防蝕膏，使礦脂在鋼結構表面成一層均勻分布的完整保護膜，厚度應達到180～250 μm。

3.2.5 纏繞防蝕帶

在涂刷防蝕膏位置上纏繞防蝕帶。 起始處纏繞2層，然后依次搭接55%，保證各處至少纏繞2 層。 每卷防蝕帶交接處的頭尾重疊。 包覆高度高、鋼樁直徑大的情況下，在纏繞時，應用手拉緊、鋪平防蝕帶，不要有氣泡、褶皺、疏松情況。 對于不規(guī)則鋼鐵構筑物，先將礦脂防蝕帶剪成合適的長度，將其逐段纏貼在不規(guī)則處，并保證各處至少有2 層。 礦脂防蝕帶施工完畢后，礦脂防蝕膏和礦脂防蝕帶總厚度不應小于2 mm。

3.2.6 預制外殼安裝

對于樁腿、中環(huán)、斜撐等規(guī)則平整的部分，根據(jù)圖紙尺寸提前制作好防蝕保護罩，在包覆防蝕帶后，即可現(xiàn)場安裝。

(1)先測量尺寸，切割適當高度的密封緩沖層，粘貼在防蝕保護罩的內(nèi)側，緩沖層上部應比保護罩短5 ～10 mm。

(2)安裝時只需把多片外殼通過法蘭結構連接。對準連接法蘭的螺絲洞口，經(jīng)檢查位置正確后，上緊316L 不銹鋼螺栓，隔天用專用扳手再次擰緊螺栓，7 d后再次檢查螺栓以防松動。

(3)法蘭的對接縫處，安裝玻璃鋼擋板，防止水分等腐蝕因子進入。

3.2.7 現(xiàn)場制作玻璃鋼外殼

樁腿與爬梯的焊點、豎撐和斜撐的連接處、中環(huán)與樁腿的交叉點等不規(guī)則結構區(qū)域，需要現(xiàn)場制作玻璃鋼外殼。 現(xiàn)場制作的外殼由多層短切氈、玻璃纖維布、樹脂和膠衣等多種材料有序組合而成。

(1)制作時先測量包覆尺寸，剪切相等高度的材料。

(2)根據(jù)結構形狀、防護性能要求，設計包覆的層數(shù)。

(3)包覆每層工序時，要保證沒有氣泡產(chǎn)生。

(4)包覆時每層工序無需等待固化。

(5)最外層膠衣要做到平整，美觀。

(6)規(guī)則防蝕保護罩和不規(guī)則防蝕保護罩要做好銜接處理，對接部分應重疊50～100 mm。

3.2.8 分段合攏吊后局部制作保護罩

養(yǎng)殖平臺最終將十幾個不同尺寸和形狀的分段焊接合攏，并將多層吊裝拼接，處于飛濺區(qū)的焊接點需在吊裝合攏步驟完成后，再進行防腐處理。 主要包括以下2 個部分:

(1)在場地施工時，分段與馬腿的支撐點、分段吊運的吊點，要盡量避開防護罩安裝的區(qū)域，確實避不開的，需確定好支撐點和吊點位置，玻璃鋼防護罩安裝時預留出來，待合攏完成后再安裝。 裂縫大于5 mm 的防蝕保護罩，應采用相同材質(zhì)、相同厚度的玻璃鋼進行補口，現(xiàn)場糊制玻璃鋼與預制玻璃鋼的搭接部分，按照

3.2.7(6)所規(guī)定標準的進行施工。

(2)登船梯要整體焊接，焊接后，玻璃鋼防護罩無法安裝，需要在登船梯焊接前把防護罩安裝上，然后把登船梯與中環(huán)和斜撐接口切開，再焊接登船梯，因此切口需做好防火處理，焊接登船梯后，再進行防腐處理，并現(xiàn)場糊制登船梯接口處的玻璃鋼外殼。 補口處應使用與原防腐層結構相同的礦脂防蝕膏和礦脂防蝕帶進行修補，防蝕帶補貼寬度應至少超出損傷邊緣50 mm。

最終，對經(jīng)海004 號深遠海智能化養(yǎng)殖平臺的浪花飛濺區(qū)、海水潮差區(qū)逾1 700 m2的鋼結構進行復層礦脂包覆防腐施工，嚴格參照GB/T 32119－2015 對每個步驟進行檢測、評定，在保證平臺的按時交付、及時下水、安全運行的需求的同時，建立檔案管理制度，將施工資料、檢查記錄、事故記錄、維修記錄、年度總結等資料歸檔，并由專人管理，直至平臺服役結束。 期間每半年進行1 次巡檢，查看防蝕保護罩是否破損，螺栓是否完好等，力爭實現(xiàn)平臺全壽命期不進塢的長效防護目的。

3 結 語

海洋牧場建設是促進傳統(tǒng)漁業(yè)向現(xiàn)代漁業(yè)轉型升級的重要手段，也是落實探索海洋、經(jīng)略海洋戰(zhàn)略的重要舉措。 要想實現(xiàn)海洋資源的可持續(xù)發(fā)展，多功能、大型化的海洋平臺是必要設施；要想實現(xiàn)高質(zhì)量、生態(tài)化的發(fā)展，合理的防腐蝕措施必不可少。 綠色、長效、科學的防護措施，能大幅度降低平臺試用期的運維成本，有效避免拖航、維修造成的環(huán)境污染，從而實現(xiàn)經(jīng)濟的合理開發(fā)和穩(wěn)定增長，為我國早日邁入世界一流海洋工程裝備建造國家注入強勁動力。