金 昊

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海上平臺(tái)最突出的兩個(gè)特點(diǎn)便是建造規(guī)模浩大以及長期所處于惡劣的海洋環(huán)境中，受不同海洋環(huán)境載荷的共同作用（主要來自大風(fēng)、浪涌、高溫、高濕、高鹽霧），對(duì)海上平臺(tái)各部位鋼結(jié)構(gòu)在投入使用的過程中不可避免地發(fā)生腐蝕，進(jìn)而為鋼結(jié)構(gòu)帶來安全隱患。由于海洋環(huán)境海上平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)一般是固定于海床之上，檢修起來十分困難。因此，海洋平臺(tái)在開始建造的時(shí)候，其防腐問題便是從業(yè)者必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。其中探究長效防腐策略、研發(fā)新的防腐技術(shù)和防腐材料等都對(duì)于海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)的防腐問題具有積極的促進(jìn)作用。

1 海洋環(huán)境主要腐蝕特點(diǎn)

和內(nèi)陸相比，海洋環(huán)境要更復(fù)雜。就服役環(huán)境來看，海洋環(huán)境包括大氣區(qū)、浪濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)以及底泥區(qū)，如圖1 所示。蝕區(qū)帶不同則腐蝕破壞過程也不同。例如浪花飛濺區(qū)屬于干濕交替的區(qū)域，氧氣供應(yīng)比較充分，腐蝕產(chǎn)物不具備保護(hù)作用，海水飛濺起來的飛沫會(huì)直接打在金屬表面，加重其腐蝕；潮差區(qū)在長尺度氧濃差電池的防護(hù)下，腐蝕程度最低；全浸區(qū)因?yàn)檠鯏U(kuò)散的限制因素，淺海區(qū)域比深海區(qū)域的腐蝕要嚴(yán)重；泥土區(qū)因?yàn)榻咏５祝泊嬖诰植扛g的現(xiàn)象。在這五個(gè)腐蝕區(qū)域中，浪花飛濺區(qū)腐蝕最為嚴(yán)重，雖然是外部環(huán)境和大氣區(qū)相似，但浪花飛濺區(qū)由于海浪飛濺，使得該區(qū)不論是鹽分，還是濕度都要大大高于大氣區(qū)，伴隨浪花的不斷拍打，然后自然干燥，使得該區(qū)域始終處于干濕循環(huán)的狀態(tài)，且此區(qū)域內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)表面氧氣豐富，這便為腐蝕提供了更加有利的條件。此外，浪花飛濺區(qū)還存在氣泡腐蝕現(xiàn)象、任意性腐蝕現(xiàn)象以及均勻腐蝕現(xiàn)象等。海浪的沖擊會(huì)產(chǎn)生許多氣泡，這些氣泡會(huì)嚴(yán)重腐蝕鋼結(jié)構(gòu)，加速其破損老化。海浪在沖擊的過程中也會(huì)帶來許多金屬物質(zhì)或者酸性物質(zhì)等，物質(zhì)種類不同則腐蝕程度也不相同，所以出現(xiàn)了任意性腐蝕的現(xiàn)象[1]。

圖1 海洋環(huán)境鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕區(qū)帶

2 海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)主要腐蝕類型

鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕形式多樣，按腐蝕原理及腐蝕方式，可以分為多種腐蝕類型。其中，根據(jù)鋼材和周邊環(huán)境之間的相互作用而產(chǎn)生的腐蝕來分類，鋼結(jié)構(gòu)腐蝕類型主要有化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩大類。所謂化學(xué)腐蝕即金屬與周圍介質(zhì)(主要是非電解質(zhì))直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的破壞現(xiàn)象，包括氣體腐蝕類型和有機(jī)介質(zhì)腐蝕類型。通常情況下，海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生化學(xué)腐蝕的概率極低。對(duì)于海洋環(huán)境而言，電化學(xué)腐蝕包括全面腐蝕類型和局部腐蝕類型兩種。其中，全面腐蝕主要指金屬整個(gè)表面均勻的腐蝕，相較其他鋼材料，低碳鋼更易被腐蝕。和局部腐蝕相比，全面腐蝕會(huì)降低金屬厚度，更容易檢測，也不會(huì)完全失效，可以通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M的方式計(jì)算出金屬腐蝕的速率，從而設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)材料的相關(guān)腐蝕裕量，使其達(dá)到預(yù)期的服役年限。而局部腐蝕的類型則更加多樣化：

（1）點(diǎn)蝕，即在局部出現(xiàn)一個(gè)非常小的點(diǎn)蝕孔，又叫小孔腐蝕，使金屬表面比較粗糙。

（2）如果交變拉壓應(yīng)力同腐蝕介質(zhì)一起作用，此時(shí)產(chǎn)生的腐蝕便是腐蝕疲勞[2]。一般情況下，腐蝕疲勞主要發(fā)生在斜拉索、懸索和箱梁等部位。

（3）鋼材料在進(jìn)行冷加工以后會(huì)殘余部分拉應(yīng)力和受荷，便會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中以及應(yīng)力不均勻的現(xiàn)象，導(dǎo)致金屬晶格差產(chǎn)生變化，進(jìn)而出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕。金屬材料的應(yīng)力腐蝕一般在斷裂前并沒有明顯的預(yù)兆，因此一旦發(fā)生應(yīng)力腐蝕，便會(huì)給工程帶來極大的危害。

（4）電偶由多種金屬材料組合而成，如果有電解質(zhì)便會(huì)先腐蝕電位排序更加活潑的金屬。電偶腐蝕的速率受到環(huán)境介質(zhì)方面、介質(zhì)導(dǎo)電性能方面和陰陽極面積比方面的因素影響。

（5）縫隙腐蝕主要產(chǎn)生于金屬縫隙之中。如果金屬縫隙中有腐蝕電解液，便會(huì)發(fā)生縫隙腐蝕。其中，金屬材料的焊接點(diǎn)位、連接點(diǎn)位是最容易發(fā)生縫隙腐蝕的部位。

（6）鋼材料在經(jīng)過長期磨損以后，其鈍化膜會(huì)被破壞，此時(shí)裸露在外的金屬會(huì)在腐蝕介質(zhì)的作用下產(chǎn)生磨損腐蝕。

3 海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)主要防腐技術(shù)

3.1 金屬噴涂防護(hù)技術(shù)

金屬噴涂防護(hù)的方式非常多，如熱噴涂方式、冷噴涂方式和電弧噴涂方式等。利用金屬噴涂技術(shù)能夠?qū)︿摻Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)物理屏蔽，即便發(fā)生破損也能夠產(chǎn)生陰極保護(hù)，所以該技術(shù)在海洋全浸區(qū)得到廣泛應(yīng)用。海洋環(huán)境下噴鋅層越厚，其使用壽命通常也會(huì)隨之增加，相較鋁層，鍍鋅層要更厚才可以達(dá)到與之一樣的耐腐蝕年限。而且通過電弧噴涂鋁基涂層能夠有效解決電化學(xué)陰極保護(hù)實(shí)施難、有機(jī)漆老化快、貴金屬保護(hù)層高成本等問題。此外，鋁基涂料抗海水腐蝕方面的性能也比較好。如果未來此技術(shù)能夠結(jié)合抗生物污染的封孔涂層變可以有效解決水下設(shè)施的防腐問題。在我們國家的水利水電工程領(lǐng)域，基本上所有鋼結(jié)構(gòu)都采用了涂料進(jìn)行熱噴涂防腐，然而涂料雖然在很大程度上可以密封孔洞，但對(duì)于金屬涂層的孔洞卻無法達(dá)到完全密封的作用，使得基底部分仍會(huì)被腐蝕。現(xiàn)階段此技術(shù)在海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)防腐方面的應(yīng)用條件還十分苛刻，其中，鋁金屬噴涂技術(shù)則更難，關(guān)鍵部位無法完美噴涂，基于此，冷噴涂技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生，冷噴涂涂層具有無氧化和高純度的特征，因此具有很好的發(fā)展前景[3]。

3.2 有機(jī)復(fù)層包覆防腐技術(shù)

利用礦脂膠帶進(jìn)行包覆防腐的技術(shù)體系主要是將防腐膏、防腐蝕帶以及外防護(hù)劑進(jìn)行緊密相連而形成的保護(hù)層。這種防腐技術(shù)在港口碼頭、跨海橋梁、沿海電廠以及埋地管線等領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。其中，礦脂包覆技術(shù)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)表面處理要求比較低，能夠應(yīng)用于許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)之中，因此對(duì)浪花飛濺區(qū)域的防腐具有很好的效果。我國多為專家學(xué)者在此技術(shù)領(lǐng)域研發(fā)中取得卓越的成效，如候保榮研發(fā)的氧化聚合型包覆防腐技術(shù)便被廣泛應(yīng)用于海洋大氣區(qū)域內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)防腐。對(duì)于浪花飛濺區(qū)域內(nèi)暴露的鋼結(jié)構(gòu)，其研制的復(fù)層礦脂包覆技術(shù)也起到了很好的防腐效果。現(xiàn)階段，包覆技術(shù)在很多沿海國家應(yīng)用廣泛，并取得很好的防腐效果，其使用壽命也普遍在30 年以上。但是包覆防腐技術(shù)在現(xiàn)階段的應(yīng)用中也存在一定的缺陷，如施工工序較復(fù)雜、防銹油脂難制備、施工成本高等缺點(diǎn)?；诖?，優(yōu)化施工工序、研發(fā)更加簡單便捷的防銹油脂制備方法是目前包覆防腐技術(shù)的重點(diǎn)研究方向[4]。

3.3 陰極防護(hù)技術(shù)

陰極保護(hù)防腐技術(shù)主要應(yīng)用于海水全浸區(qū)域內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)的防腐。目前，我國海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)措施中主要采用鋁陽極保護(hù)技術(shù)以及外加電流陰極保護(hù)技術(shù)。在陰極保護(hù)技術(shù)中最常用的是鎂陽極技術(shù)、鋅陽極技術(shù)和鋁陽極技術(shù)。其中，對(duì)于鋼材而言，由于鎂陽極保護(hù)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)電壓相對(duì)比較大，因此常用于土壤介質(zhì)防護(hù)中；相較鎂陽極的驅(qū)動(dòng)電壓，鋅陽極更低，但其電流效率卻更高，因此土壤介質(zhì)和水介質(zhì)中均可應(yīng)用；鋁陽極則重點(diǎn)應(yīng)用于船舶建設(shè)領(lǐng)域、海洋工程領(lǐng)域和港口建設(shè)領(lǐng)域等，其缺點(diǎn)便是易被污損而導(dǎo)致失效。然而這些結(jié)論均是依靠經(jīng)驗(yàn)而得出的估計(jì)結(jié)論，無法確保材料選擇的合理性和用量的準(zhǔn)確性。基于此，許多專家學(xué)者也積極研發(fā)相關(guān)技術(shù)設(shè)備，并取得很大的實(shí)效性。如郭宇便自主研發(fā)了一種陰極保護(hù)電位數(shù)值方面的仿真軟件，仿真結(jié)果采用多樣化的輸出形式，可以針對(duì)多種類型的陰極保護(hù)方式實(shí)施數(shù)值仿真，操作方便，因此得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)工程而言，在實(shí)際建設(shè)過程中，會(huì)大量消耗鋁，針對(duì)此問題，高聰?shù)妊芯咳藛T便通過長直翼型或者斜翼型陽極替換原來的方形陽極，如此，不僅可以滿足初始陽極在電流方面的需求，還能夠極大程度的減少陽極重量，有效節(jié)約了能源和材料。

3.4 鋅加防護(hù)技術(shù)

鋅加保護(hù)技術(shù)在防腐保護(hù)中具有經(jīng)濟(jì)性和便捷性優(yōu)點(diǎn)。鋅加保護(hù)技術(shù)是采用陰極飽和保護(hù)和屏蔽保護(hù)的共同作用實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)的防腐保護(hù)。其中，鍍鋅層的鋅含量超過95%，實(shí)物中鋅粉純度接近100%。除此以外，新舊鋅加涂層能夠完美融合，形成一個(gè)整體，因此更便于維修。相較其他類型的有機(jī)涂料，鋅加保護(hù)技術(shù)在陰極保護(hù)方面的能力要更加突出，因此常用于基材底層的保護(hù)。相較海洋飛濺區(qū)，大氣區(qū)的結(jié)構(gòu)腐蝕程度更嚴(yán)重，在全浸區(qū)通常采用陰極保護(hù)方式或陰極保護(hù)結(jié)合涂料保護(hù)的方式，一般不會(huì)單獨(dú)使用涂料保護(hù)的防腐方法，這主要受到許多防銹涂料和防污染涂料使用年限所限制，無法滿足海洋平臺(tái)在保護(hù)期限方面的要求。而陰極保護(hù)結(jié)合涂料保護(hù)的防腐策略能夠有效彌補(bǔ)這一缺陷，實(shí)現(xiàn)海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)長效防護(hù)的目的[5]。

4 結(jié)語

伴隨海洋產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)的防腐問題也成為其發(fā)展研究的核心課題，有效提升海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)的抗腐蝕能力、降低海洋腐蝕介質(zhì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的腐蝕作用，對(duì)增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的耐久性具有重要的意義?；诖?，對(duì)海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)的研究也刻不容緩，是推動(dòng)海洋事業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。