科技论坛 | 新常态下的腐蚀与防护

2017-10-26 14:44:30 作者：尹长春吴富丰陶绪泉来源：《腐蚀防护之友》分享至：

腐蚀与防护科学是一门既古老又新兴的科学。在地球上，腐蚀时刻都在发生，凡是使用材料的地方都存在着不同程度和不同形式的腐蚀，腐蚀带来的破坏和经济损失十分惊人。有人把腐蚀比喻为金属的癌症，无焰的火灾，隐蔽的杀手。由于腐蚀引发的危害和经济损失几乎遍及所有行业。腐蚀不仅造成材料的损耗，还会造成环境危害，甚至酿成重大的灾难性事故。腐蚀不仅影响经济的可持续性发展，而且严重威胁人类的生活和安全。

进入 21 世纪，由于科学技术的飞速发展，今天的腐蚀与防护科学已是研究和保护人类物质文明赖以建立和发展的基础设施的一门以化学为中心多学科交叉的科学。它与材料科学、环境科学、海洋科学、安全科学、信息科学、空间科学、核科学，生命科学等多种朝阳科学有密切的联系。因此是一门新兴的边缘科学，也是一个充满活力的新兴的朝阳产业。腐蚀与防护问题由于已涉及国家经济发展和国防建设的全局，所以具有跨学科、跨部门、跨行业的特点。

我国在经历半个多世纪的经济建设之后，尤其是改革开放以来，经济建设取得了举世瞩目的成就，但同时基础科学技术的发展带来层出不穷的新材料，而材料的腐蚀包括老化和衰变。不论是金属的还是非金属的，也不论是黑色金属还是有色金属，合金材料或是复合材料，还是人工合成材料都存在腐饰与防护问题。同样的材料面对不同的环境时，又会发生不同的变化。随着自然环境的日益变化和人类向极端自然环境进军而发生了超自然的变化，从而导致腐蚀的加剧，如太空、深海、湿热的海洋环境、电磁环境已成为新常态。自然环境的腐蚀呈现是动态的，随机的、多变的、突发性及复杂性，在这些新环境下，传统材料将加速腐蚀或老化，新材料也面临着多种新的腐蚀状况。原有的传统观念来看腐蚀已经不符合今天腐蚀与防护的要求了。需要发现新问题，才能适应今天的新常态。可见，腐蚀与防护领域已成专家关注的焦点。为此本文笔者希望与同行交流和讨论，在新常态下，腐蚀与防护工作在以下几个方面已面临着新的挑战，应有新的认识，才能实现新的跨越。

1、自然环境的腐蚀是热点也是难点

腐蚀按使用环境可分为自然环境腐蚀（大气、土壤、水及微生物等）和环境腐蚀（工业环境的酸性、碱性、盐类、熔盐、液态金属及工业用水等）。自然环境对材料和制品的腐蚀，由于腐蚀速度比较缓慢而隐蔽，自然又有自催化性以及影响因素的复杂性，往往被人们所忽视，近些年不少国内外的重大灾难性事故几乎都与自然环境腐蚀有关，因此在新的形势下，进一步认识和研究自然环境腐蚀的规律就更有必要了。这类的腐蚀问题，一般具有以下特点：

1.1 自然环境腐蚀与环境腐蚀相比来说，量大面广，十分普遍。建筑、交通、机械乃至军事系统所面临的腐蚀，主要是自然环境腐蚀。能源与化工系统的设备、装置以及管道的外腐蚀均属于自然环境腐蚀。国民经济的所有部门都存在自然环境腐蚀，人们的生活也离不开自然环境腐蚀的影响。内腐蚀属于工业环境腐蚀，是在各种苛刻的单一介质中的化学腐蚀。

1.2 自然环境腐蚀在总损失中所占的比例最大。材料在大气中的损失占总损失的 50% 以上，土壤腐蚀约占总量的 20%，水中环境腐蚀占 10%。因此材料的自然环境腐蚀占总损失的80% 以上。

1.3 不同自然环境所造成的腐蚀差异很大。材料在海洋大气环境中的腐蚀率要远超过陆地大气环境。

1.4 改革开放以来，我国乡镇企业发展很快，能源结构中绝大多数企业都是用燃煤作为主要能源，致使大气环境中硫氧化物的浓度升高，酸沉降物大量增加，造成酸雨污染，酸雨污染区材料的腐蚀率迅速增大。环境污染不仅使材料的适应性大大降低，也直接影响设备、装置和建筑物的使用寿命，甚至酿成腐蚀事故，威胁人民的生命安全。

1.5 自然环境腐蚀影响因素多，相互作用复杂，其所造成腐蚀破坏事故往往是自然环境中化学、物理以及生物等多种因素综合作用的结果。

世界上工业发达国家已经证明，基础设施投入的高峰期往往就是几十年后腐蚀问题频繁出现的高峰时间。事实也证明，目前，刚进入 21 世纪的十几年间，世界各地，尤其是我国就屡屡发生由于腐蚀而酿成触目惊心的恶性事故，不仅造成重大的经济损失，导致环境污染，还危及了人民生命的安全。特别是前些年粗放式的经济增长方式，在一些领域存在着高消费、高污染、高投入、低产出的经济模式，如果任凭这种状态存在，我国的资源和环境将不堪重负，经济可持续发展难以为继。今天腐蚀与防护产业面临的新常态是：在资源和受制约的条件下，如何可持续发展？

腐蚀与防护产业的基本功能就是节约资源和提高资源的利用率，提高材料加工项目的寿命和安全，减少环境污染，应成为国民经济健康和可持续发展的重要产业之一，为落实建设资源节约型和环境友好型社会做贡献。

2、杂散电流

进入 21 世纪，我国现代化建设进入了新常态，西部大开发战略组织实施，特大型跨世纪工程一个个上马，大规模基础设施建设掀起了新高潮。尤其是我国高铁时代的到来，它的发展前景对世界经济和中国国防战略具有十分深远的影响。由于电气化铁路以接地为回路的输电系统等客观存在，不可避免地产生杂散电流，使埋地管道因杂散电流而产生腐蚀，属于电化学腐蚀。当金属（Fe）周围的介质是酸性电解质或是碱性电解质时，发生的分别是析氢腐蚀和吸氧腐蚀。这种流散于大地中的电流对埋地金属的腐蚀也称为杂散电流腐蚀，也叫干扰腐蚀，是一种动态的干扰源。杂散电流的产生原因很多，也很复杂，容易受到外界环境因素的影响，如电位梯度、电流泄露等均能引起埋地金属管线遭受电化学腐蚀。

杂散电流腐蚀具有强度高、危害大、不同于自然腐蚀，其腐蚀量与杂散电流成正比，在杂散电流的作用下，腐蚀集中于局部位置，往往集中于防腐层的缺陷部分，经几个月即可发生腐蚀穿孔。可见，杂散电流的腐蚀强度是一般腐蚀不能与之相比的。它的作用很广，其影响可达几千米以上。它的发生又常常是随机而变，其电流方向和电流强度都随外界电力设施的负载情况、轨道的连接与绝缘状况、管道的绝缘状况而变化。因此，也常将杂散电流的干扰称之为动态干扰。一般情况下，走行轨对地绝缘水平越好，则杂散电流越小，最好对地绝缘，保持牵引回流通路顺畅。特别是在接触不良处产生电火花而造成各类事故，设置对人身安全构成威胁。在今天的新常态下，高铁、地铁等也成为安防领域内的一个重要研究课题。

3、海洋经济的开发

21 世纪是海洋的世纪，是人类全面认识，资源开发利用和保护海洋的新世纪。海洋是资源的宝库，这些资源可供人类开发并将有力的推动世界经济的可持续发展。随着地球上陆地资源的逐渐枯竭以及人类不断拓展生存空间的需求，世界各国间的竞争重点也已从陆地转向海洋，海洋具有潜在的巨大经济利益和战略性的国防地位。海洋事业的发达程度是一个国家科技力量的综合体现，也是一个国家经济发展和国家地位的标志。今天，面对全球新一轮科技革命与产业革命的重大机遇和挑战，在经济发展新常态下新的趋势和新的特点，建设海洋强国为新支点的国家战略布局。海洋经济已成为我国经济新的增长点，在《国家中长期科学和技术发展规划纲要》（2006-2020）中，发展海洋经济已被划入重点领域的优先主题。海洋在经济新常态背景下，海洋经济发展逐步从规模速度型向质量效益型转变。

大力发展防腐技术，减少腐蚀损失，对于海洋经济发展具有重要意义。海洋工程防护材料特别是新的防腐材料作为拓展海洋空间、海洋资源的物质前提，是实现海洋科技创新，海洋可持续发展的基础和先导。由于海洋装备和海洋工程材料长期处于严酷的海洋环境下工作，工程材料是在含有多种盐分的强腐蚀介质中，除存在着电化学腐蚀损伤外，还有波浪、潮流等往复应力和冲击即物理的磨蚀失效以及海洋环境特色的损伤方式即生物的污损等问题。在多重载荷耦合下的严酷海洋环境下的加速腐蚀，涉及量之大，范围之广，影响因素复杂之多，已成为严重制约重大海洋工程技术和装备发展的技术瓶颈之一。比如涉及舰船、海洋平台、油气管线以及离岸建筑方面使用的高品质钢铁材料，钛合金，有色金属，复合材料等大量依赖进口，很多材料的关键应用技术落后，海洋使用材料标准不够完善，这些现状都严重制约了我国建设海洋强国的步伐。研发适合国情的新型、无毒的防腐新材料是最直接有效的防护方法之一，以保证海洋装备安全、可靠、长时间的使用是当前材料领域最重要的课题之一。由此可见，腐蚀与防护产业在建立特色的海洋防护学科中，承载着何等艰巨而光荣的任务。

4、创新求发展，科技惠民生

为适应 21 世纪海洋事业的发展以及环保事业的需求，研制开发的高分子重防腐新材料——有机岩[3] 。它是由多异氰酸酯和端氨基醚两个组分生成高聚物，通过专用设备输送到喷枪快速混合后射出，粘附在基体表面，瞬间形成一层致密防腐层结构。它集塑料、橡胶、涂料、玻璃钢多种功能于一体，突破了传统环保涂料的局限，无溶剂、无污染、环保型，绿色的施工技术。它将产品的优异性能和快速喷涂，瞬间固化的施工技术有机地结合起来，使其在工程应用中显示出极大的优越性。

鉴于高分子有机岩良好的防腐性能和施工方法，打破了以往环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯统领天下的局面。为施工界提供了一种先进实用的技术，可以完全和部分替代传统的聚氨酯、聚氨酯 / 聚脲、玻璃钢、氯化橡胶、氯磺化聚乙烯以及聚烯烃类化合物。在化工防腐，管道、建筑、舰船、水利、交通、机械等行业具有广阔的应用前景。尤其是海洋及各类海岸设施长期处于恶劣的海洋环境腐蚀之中，对配套的保护材料要求较高，传统的防腐涂料技术很难满足使用的要求。而高分子有机岩基于优越的附着力、耐阴极剥离性、耐大气老化、耐干湿交替等性能，以及快速固化的施工技术，可广泛应用于海洋钢桩、码头、防浪堤、栈桥、河海交界的闸门、海上石油平台及各类系泊设备。

4.1高分子有机岩的防腐特点

4.1.1 具有 100% 固体成分，应用时必须使用高压无气喷涂设备。

4.1.2 它是瞬间固化（凝胶时间约为 5-7 秒）且以一道多次喷涂达到设计膜厚，施工时不必喷涂底漆。

4.1.3 附着力：目前在工程上已被认为是涂层使用寿命的一个重要的指标，在国外金属腐及管道工程规范（AWWA C222）必须达到1000 psi（7Mpa）以上。涂层的附着力越大使用寿命年限越长，如涂层的附着力达到 1500 psi（10.5Mpa）时若涂层表面有损伤区域，有抑制腐蚀的能力。“有机岩”涂层依 ASTM D4541 检测为 10Mpa 以上（胶脱落）。

4.1.4 阴极剥离：涂层和内衬在切割下测量的模式，工程经验表明涂层和内衬有较好的耐阴极剥离性，才会有较长久的防蚀性。当使用有阴极保护系统的构造物时，涂层有损伤处格外有提升防蚀的能力。“有机岩”涂层依 ASTMG5 检测 60 天为 2mm 剥离半径。

4.1.5 介电强度：是考核电器绝缘的一个重要的指标是考虑外界电流出现高压渗入的情况，乃能保证电路对地的良好绝缘，电介质强度是不导电物质，在涂装领域有阴极保护设施都必须要有良好的电介质强度。这样阴极保护电位和电流不影响作为腐蚀保护的屏障能力。“有机岩”涂层依 ASTM D149 规范检测为 20.51KV/mm，为绝缘体。

4.1.6 表面阻抗、体积阻抗：是表征电介质或绝缘体材料电性能的一个重要数据。涂层也需耐阴极剥离。但涂层的表面阻抗、体积阻抗的强度检验值越大表示绝缘度高。“有机岩”依 ASTMD257 规范检测为 1.04×10 18 Ω-cm 已超出绝缘的阻抗率。

4.1.7 水吸收率、水蒸气渗透率：由于涂层的应用领域对于抗湿气的渗透很重要，如湿气增加会使涂层与金属间丧失附着力，降低电介强度。湿度不够会影响涂层与金属间缓蚀作用，而导致丧失附着力的持久性。“有机岩”涂层依ASTM E96规范检测为0.3023g/m 2 /hr，为透气不透水涂层。

4.1.8 弹性和柔韧性：场地用管线及大面积塔槽构建物的涂层弹性及柔韧性是重要的特性，因金属热胀冷缩及安装运输过程的相关操作，所以涂层都要有一定的弹性及耐磨性避免损伤。可依 ASTM D522 来评估。

4.2传统防腐涂层与高分子有机岩防腐涂层的特性比较

高分子有机岩是在聚氨酯及聚脲产品的基础上经改性，取其优点去其不足，其优异的材料性能及先工方法已引起国内的应用单位的认知和认可，该技术在我国投入大规模商业应用的时机也已成熟。作为一种新材料，还需要不断的完善和提高，尤其它的产业化进程也不会一帆风顺，目前，国家还缺少相应的防腐规范和标准，以及原材料的国产化等方面，还需进行大量的耐心，持久扎实的工作。我们相信，高分子有机岩防腐材料必将为我国国民经济和国防建设作出一定的贡献。

5、产学研协同创新是方向

腐蚀对经济建设的影响及人类生活的危害是极其严重的。腐蚀与防护是一项重大的系统工程，是关系国计民生的大问题。为保护地球资源，建立人类生存的美好家园，必须要大力发展腐蚀与防护产业。绿色、低碳和环保是腐蚀与防护产业的必经之路。创新和跨越，才能实现建设资源型、环境友好型社会和促进经济可持续性发展，为推动自主创新和建设新型国家的战略目标。基于腐蚀与防护产业的特点，它是属于工程技术领域一门多学科的交叉学科，单独依靠企业，研究所或者高校任何一方，都很难完整解决问题。为此，腐蚀与防护产业应建立产学研协同创新发展合作的新模式，主要是以市场为导向，以企业为主体，以高校和科研院所为技术依托，政府引导组织搭建服务平台来推动产学研协同创新全方位的发展。目的就是将科技和经济紧密结合，实现科技同产业无缝对接，从而使科技成果更好地转化为现实生产力，这是提高自主创新能力的必由之路。

在当前市场竞争日益激烈，技术创新层面的变化趋势明显，基础研究、应用研究和产品之间的关系越来越密切，而且互相之间的转换周期越来越短，产学研协同创新的合作日益重要，对于当今高科技的挑战和日益全球化的知识经济竞争无疑有着不可分割的联系。美国是实现产学研合作最早的国家，它的工业化和现代化的发展举世瞩目，可以说正是产学研协同创新合作的兴起带来国家的兴盛，科教兴国已成共识。美、英、德、日等发达国家产学研协同创新一体化建设皆是通过政府行为加以扶持和引导。这种协同创新模式已成为国际上产业发展和企业壮大的重要发展模式，在经济新常态背景下必将成为我国经济发展的重要动力。我国产学研不能走签合同走过场的老路，要由松散型合作转向一体化，实体化，由契约式合作走向利益共同体，为此要建立常态化产学研协同创新合作机制，产学研协同创新要真正融合到一起，成为一个有机的自主创新综合体。政府的引导和组织搭建服务平台是关键，政府应设计并出台一系列有效的法律法规，让产学研协同创新工作有章可循，有法可依，制定产学研联盟中各方的规范契约，建立金融互助机构等一整套的支持政策和创新机制，从而有效促进国家的高技术产业化进程推动国民经济发展。

教育应该如适应经济新常态，更好地服务经济社会发展，看一个学校水平有多高，得看高校培养的人才能不能够到了相关产业领域去很好发挥作用。产学研协同创新的合作是以科研为纽带，这不但提升高校教师的教学和科研水平，而且将学生的教学、教学实践、科研推广以及大学生生产实践活动融为一体，有利于学生知识结构和提高知识的应用能力、创新能力，实现理论和实践的结合，从而使大学生认识社会，体验社会，回报社会，有利于学生的全面发展，使高校成为科技企业的孵化器，从而提升了教育内涵质量。科技企业通过与高校的合作不但获得了人才，成果与技术的有力支撑，同时也提高了企业开发新产品的能力，促进了企业不断发展与市场份额的拓宽，合作成员之间达到资源共享、优势互补、提高产业或行业的竞争力，是实现超常规发展的重要手段。尤其对于海洋工程防腐的高新技术的快速成长具有重要意义。

新一轮科技革命和产业革命正在孕育兴起，产学研协同创新合作是当今世界各国科技创新的有效举措，已成为世界科技和经济发展的必然趋势。“产学研协同创新”如何深度融合？我们相信，随着我国科技和经济的不断发展，“产学研协同创新”的内涵也在不断丰富和发展，产学研协同创新合作的形式和内容都还有待充实完善。从今天来看，这个合作过程是动态的，各方在相互合作的过程中相互磨合，相互适应，在相互适应提升的同时，将创新升级到更高的层次，即提高我国自主创新能力，培养出更适应国家经济建设的创新人才，为建设创新型国家发挥应有的作用。

结束语

当今 21 世纪是高速、高效、多变、危机、充满着机遇和挑战的新常态。在新常态下需要有新的认识，才能迎接新的挑战，实现新的跨越。这个新常态，实质就是知识时代所需带来的变革，是技术上的革命，是产品的革命，更是一场观念的革命。世界经济的高速发展，科学技术日新月异的变化要求人们不断学习新知识，改变旧观念，创新求发展是新常态下的竞争力和动力，是实现可持续发展的根本。腐蚀对经济建设的影响及人类生活的危害是极其严重的，但腐蚀是可以防控的，腐蚀与防护是一个重大的系统工程，是关系国计民生的大问题。为了保护地球资源，建立人类生存的美好家园，腐蚀与防护产业必须走出一条绿色、低碳和环保的防腐之路，实现建设资源型、环境友好型社会和促进经济可持续性发展的目标。腐蚀与防护产业应在国民经济建设中成为齐放的百花中挺秀的一支，为人类的进步做出应有的贡献。

特别感谢：吕大成（天津欧普特科技发展有限公司天津 300384）对本文的支持和帮助。

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