海洋工程重防腐技术一览

2018-04-04 10:28:04 作者：聂薇,姚晓红,卢本才来源：《造船技术》分享至：

　　聂　薇，姚晓红，卢本才

　　（武昌船舶重工集团有限公司，湖北武汉４３００６０）

　　０　引言

　　随着科学技术的进步和人类对海洋资源认知水平的不断提高，海洋石油、海底矿业、海洋化工、海洋养殖、海洋能源等海洋产业的开发已从浅海走向深海，甚至超深海。从２０世纪６０年代起，海洋工程技术领域不断发展，海上大型工程的设计使用年限均长达几十年。由于海洋工程钢结构长期固定于海中，恶劣的海洋环境所造成的严重腐蚀直接影响到钢结构物的使用安全，且海上涂层的修补十分困难，常规防腐方法已无法保证海上钢结构物长期的使用寿命。重防腐概念由此问世，重防腐是对被保护体施加一定的保护措施，使其达到较长使用年限的防腐蚀技术，对海上结构物的腐蚀控制具有重要作用。

　　１　海洋结构物的腐蚀规律及环境特性

　　海洋钢结构物处于阳光暴晒、盐雾、波浪冲击、海生物侵蚀等复杂环境所构成的海水体系中。在不同的海洋环境下，腐蚀行为和腐蚀特点存在着较大的差异，只有对钢结构物的腐蚀区域进行明确的分析界定才能针对性地提出相应的保护措施。海洋腐蚀环境理论上可分为大气区、飞溅区、潮差区、全浸区以及泥土区５大区域。由于海水的运动变化，很难准确划分出飞溅区与潮差区的界定范围，因此在工程实际应用中则分为了大气区、干湿交替区、海水海泥区［１－２］３大区域。

　　海洋大气区腐蚀较轻，其主要受到海盐微粒的影响和陆地大气的共同作用，容易在死角等处产生局部腐蚀。

　　干湿交替区分为潮差区和飞溅区。潮差区由于海水受到潮汐的作用，其腐蚀相对较轻。飞溅区由于经常形成潮湿表面，长期受到阳光强辐射，且供氧充足，腐蚀环境最为苛刻，腐蚀速率一般为０。３～０。５ｍｍ／ａ，最高可达１ｍｍ／ａ，约是全浸区的３～１０倍。

　　海水全浸区是指干湿交替区向下包括在泥土中的部分，可分为浅海区、深海区以及泥土区。海水的腐蚀性主要受溶解氧、温度、盐度、酸碱度以及生物因素的影响，因此浅海腐蚀速率大于海洋大气区，但深海区氧含量往往比海水表层及大气区低得多，水温接近于零度，腐蚀较轻。海底泥土区同样受海水影响少，且温度低，只是在海流作用交界处有一定腐蚀，腐蚀要比海水中轻［３－５］。

　　２　海洋结构物腐蚀区域防腐方法

　　海洋结构物防腐蚀主要分为覆盖层保护和电化学保护。由于大气区部位不接触海水，飞溅区部位海水浸泡率较低，因此通过阴极保护对大气区和飞溅区钢结构实施保护存在着一定的局限性，因此覆盖层保护方法为其主要的防腐措施。对于至低潮位线下１ｍ区域的钢结构部位，由于长期浸泡在海水中且含氧量较高，一般采用覆盖层与电化学联合的方法进行保护。低潮位线下１ｍ至海底面的区域既可同时采用覆盖层与电化学联合保护法，也可单独使用电化学或是覆盖层保护法。海底泥土区仅使用电化学保护法即可。

　　阴极保护主要有牺牲阳极和外加电流保护两种。对于腐蚀严重的区域，很少单独使用覆盖层保护，通常需要将阴极保护与涂层保护相结合来保证可以长期防腐蚀。覆盖层保护的方法根据材料的不同分为金属封闭层和非金属封闭层，目前比较成熟的重防腐覆盖层保护方法包含有热喷涂防腐技术、重防腐涂料涂层、多层防护系统、锌加防腐技术等［６］。另外，除了阴极保护和覆盖层保护方法外，发达国家研究出的耐海水腐蚀钢，通过钢体自身的耐腐蚀性能结合外表面的防腐保护层，可显着提高钢结构物的使用寿命。下文将针对各类重防腐技术展开具体介绍与分析。

　　３　海洋重防腐技术及应用

　　３.１　金属热喷涂保护

　　热喷涂技术是一项成熟的重防腐技术，在国内外海洋工程钢结构应用上已有许多成功的实例［７－９］。金属热喷锌铝及其合金涂层以机械镶嵌和微冶金方式与基体金属相结合，热喷涂涂层于钢构件的表面在施工后形成了非常牢固的涂层结合力（经测试最大可以达到１０ＭＰａ以上）。当金属热喷涂层受到破坏时，锌铝涂层可作为牺牲阳极继续保护钢体表面。试验和实例表明，２００μｍ厚热喷铝涂层的防腐年限可长达３０年。典型的重防腐区域热喷涂涂层体系为热喷铝涂层２００～２５０μｍ＋３０μｍ稀释的封闭漆（环氧）。

　　目前，国内热喷铝涂层较大的应用工程是由巴西石油公司Ｐｅｔｒｏｂｒａｓ设计，武昌船舶重工有限责任公司负责建造的３０年免维护深海水下浮体。浮体内部钢表面均为热喷铝涂层，涂层厚度为２２５～４００μｍ，施工总面积达１００　０００ｍ２。不同于外部区域热喷涂施工，浮体内部均为压载舱，作业空间封闭、施工面积大、结构面复杂等问题给热喷涂施工带来巨大挑战。在封闭空间进行热喷铝施工，容易产生粉尘堆积，且施工环境温度高，不仅无法保障施工人员的健康以及生产的连续性，并且粉尘沉积到未施工钢板表面，还会影响到涂层附着力。另外，喷枪比一般涂料喷枪体积大，存在操作不便、狭窄区域容易产生施工死角及涂层膜厚不均的问题。为了保障热喷涂施工效率，在封闭空间内进行热喷铝施工必须对环境温湿度控制、施工安全、通风设备运行情况、生产人员管理等方面进行严格把关。从生产效益出发，考虑到热喷涂施工成本较高，热喷涂技术更适用于海洋防腐钢结构外部区域或钢构件的防腐防护。

　　３.２　重防腐涂层防护

　　３.２.１　常用重防腐涂料

　　根据ＩＳＯ　１２９４４－５规定，在大气环境中预期防腐年限大于１５年的涂层厚度应为２８０～４００μｍ，在浸泡或掩埋环境中预期防腐年限大于１５年的涂层厚度应为４８０～１　０００μｍ。重防腐涂层需在苛刻腐蚀环境中对被保护体达到较长时间的防护。随着海洋工程的使用寿命不断被延长，漆膜厚度也不断被增加，总干膜厚度由３００μｍ提高到１ｍｍ，甚至更厚。漆膜的性能与成膜厚度取决于采用的树脂，环氧树脂具有优良的附着力、成膜性能以及低缩率，能同多种树脂、填料和助剂混溶配制成多种重防腐涂料，因此环氧树脂涂料是目前海洋工程防腐中最主要的涂料。

　　对于飞溅区的重防腐涂层而言，该区域长期经受海浪的拍打和生产作业中外物的碰撞，１～２年就需要进行维护。然而在水下进行涂层修复难以保证施工质量，达不到预期效果，因此飞溅区的涂层还应具有较强的抗冲击能力。飞溅区较常用的重防腐涂层主要为高强度环氧涂层或是厚膜型环氧玻璃鳞片涂层。厚膜型环氧玻璃鳞片涂料是在环氧树脂内增加玻璃鳞片或玻璃丝，玻璃鳞片的添加可增强涂层的屏蔽性能和机械强度，使涂料具有抗渗透力强、涂层收缩率低、抗热冲击性能优异等特点，局限性在于漆膜较硬难以修复，施工时要求一次性成膜。

　　目前英国的ＩＰ，丹麦的Ｈｅｍｐｅｌ，挪威的Ｊｏｔｕｎ等几家大公司推出的长效防腐涂料产品占据了我国海洋防腐涂料的主要市场。主流产品有：Ｈｅｍｐｅｌ公司的超强度环氧漆４５７５１，超强度环氧漆３５８７０；ＩＰ公司的Ｉｎｔｅｔｚｏｎｅ　９５４改性环氧树脂漆，Ｉｎｔｅｒｚｏｎｅ５０５玻璃鳞片环氧树脂漆，Ｉｎｔｅｒｚｏｎｅ　４８５超高膜厚环氧树脂漆；Ｊｏｔｕｎ公司的Ｊｏｔａｍａｓｔｉｃ８７ＧＦ改性耐磨环氧玻璃鳞片漆，Ｍａｒａｔｈｏｎ　ＩＱ　ＧＦ环氧玻璃鳞片增强漆，Ｍａｒａｔｈｏｎ　ＸＨＢ厚浆型环氧玻璃鳞片漆，Ｍａｔａｔｈｏｎ耐磨环氧玻璃鳞片漆以及Ｂａｌｔｏｆｌａｋｅ系列玻璃鳞片聚酯漆等。上述产品中Ｉｎｔｅｒｚｏｎｅ　４８５一次成膜可达１～３ｍｍ，Ｍａｒａｔｈｏｎ　ＸＨＢ与Ｍａｔａｔｈｏｎ标准膜厚度达６００μｍ。

　　在众多的重防腐涂料产品中，Ｊｏｔｕｎ公司的Ｂａｌｔｏｆｌａｋｅ系列聚酯漆不同于其它含玻璃鳞片环氧漆，是一种快速固化型耐磨聚酯玻璃鳞片厚浆涂料，防腐效果可达３０年以上免维护。该产品在挪威Ｅｋｏｆｉｓｋ油田钻井平台桩腿飞溅区已有３０年工程应用先例，适用于离岸海洋工程大型钢铁结构物，流体物资（油、气、水）运输的海底管道、建筑外墙以及桥梁的飞溅区或是无法进行涂层维护的区域。玻璃鳞片聚酯漆与玻璃鳞片环氧漆相比具有适用领域广、玻璃鳞片含量高、涂层力学性能优异、防腐年限长久等优点。其与热喷锌铝涂层相比，具有成本低、可修补、表面处理要求低、对施工设备与施工人员无特殊要求等优点。近年来在国外使用该类涂料进行长效防腐防护的大型工程有：１９９２年法国ＧＤＦ液化天然气接收站；１９９７年新加坡Ｎｏｒｎｅ　ＦＰＳＯ；２００７年Ｐａｍｐａ　Ｍｅｌｃｈｏｒｉｔａ天然液化气厂（设计使用年限为３０年）；２０１０年英国Ｓｈｅｒｉｎｇｈａｍ　Ｓｈｏａｌ海上风电场等。

　　３.２.２　聚氨酯重防腐涂料

　　１００％固含量结构性聚氨酯涂料是由多异氰酸酯与多元醇两组分混合形成聚氨酯涂层，一次成膜厚度可达１ｍｍ。涂料反应过程是快速、放热的高分子聚合过程，因而特别适合冬季和快速防腐施工作业，应用环境适应性强，且涂料不含溶剂，具有安全环保、附着力超强、耐磨性强、施工性能良好、耐腐蚀寿命长（可达５０年）等优点。１００％固含量无溶剂聚氨酯防腐涂料可用于储罐内外、船舶、海洋石油平台及钢铁结构物的防腐，防腐年限可长达几十年之久。在２００３年和２００７年，美国海军专门撰文介绍了无溶剂结构性聚氨酯重防腐涂料与涂层技术应用于海军军舰的实例，将无溶剂结构性聚氨酯涂料与涂层技术为主的快速固化重防腐技术作为美国海军装备保护技术最成功的案例，同时还对弹性聚氨酯与聚脲涂料技术进行了对比试验，认为弹性聚氨酯与聚脲涂料远不能达到无溶剂结构性聚氨酯重防腐涂料所具备的优秀防腐性能。弹性聚氨酯涂层或聚脲弹性体涂层分子间呈线性结构，具有交联度低、涂层耐冲击性佳、韧性高的优点，但附着力、耐化学腐蚀及抗阴极剥离性能相对较差。刚性与结构性聚氨酯涂层的化学附着力非常好，分子间彼此高度交联，耐化学腐蚀性能优良，是金属防腐的最佳选择。在国外，聚氨酯重防腐涂料已经被使用在美国最大的风力塔工程Ｂｌｕｅ　Ｃａｎｙｏｎ　Ｏｋｌａｈｏｍａ，美国加利福尼亚圣迭戈嘉年华岛管道防腐工程（预期寿命１１１年），美国华盛顿Ｇｒａｎｄ　Ｃｏｕｌｅｅ大坝，旧金山圣马特奥大桥等工程和建筑中，目前运行正常。鉴于１００％固含量结构性聚氨酯涂料出色的防腐效果，可应用于海洋工程钢结构物耐腐蚀性能要求较高的区域，如液舱、管道等区域［１０］。

　　３.２.３　氟碳重防腐涂料

　　氟碳涂料是在氟树脂基础上进行改性加工而成的一种新型高耐久涂层材料。由于氟树脂中Ｃ－Ｆ键分子健能超强，使氟碳涂料具有极高的稳定性，其耐候性、耐蚀性、耐磨性以及耐污性等方面较丙烯酸类、聚酯类面漆有着明显优势。在苛刻的海洋腐蚀环境下，氟碳树脂面漆可于户外暴露２０年以上仍保持涂层外观的完美如初，是海洋工程钢结构长效防腐面漆的最佳选择。除此之外，氟碳涂料的耐酸、耐碱、耐化学品腐蚀性能也优于其它涂层，可用于接触强腐蚀介质的液舱。

　　３.３　防腐套包缚技术

　　早期出现的防腐套包缚技术有包覆金属或合金护套以及包覆混凝土或玻璃钢两种防蚀方法。两者对于海洋平台桩腿、码头钢管桩飞溅区域的钢结构均具有良好保护效果。但包覆金属或合金护套技术存在着价格昂贵、易形成电偶腐蚀、抗冲击性能差、接触腐蚀以及施工困难等缺点。包覆混凝土或玻璃钢技术密闭性较差，单用玻璃钢外罩一旦海水渗入将腐蚀混凝土从而缩短防护套的使用寿命。目前，复层矿脂包覆防腐技术被公认为最成熟的防腐套包覆技术，并在日本、英国等发达国家都有较为广泛地使用，使用寿命可达３０年以上。复层矿脂包覆防腐技术由矿脂防蚀膏、矿脂防蚀带、密封缓冲层和玻璃钢保护罩组成，矿脂防蚀膏以及矿脂防蚀带含有缓蚀成分，可减缓海水对被保护体表面的侵蚀，密封缓冲层和防蚀保护罩则具有密闭和抗冲击性能。该技术特点在于对基体表面处理要求低，达到ＩＳＯ　Ｓｔ２标准即可，施工方便、可带水作业、质量轻、对结构物无附加载重和压力、绿色环保。因此，其可作为飞溅区腐蚀防护修复技术，适用于各种海洋腐蚀环境下的管线保护，只是防腐套对于带有横支撑等结构的异型钢管桩防护存在一定的困难，仍有待进一步解决技术难题［１１］。

　　３.４　锌加防腐保护技术

　　锌加保护是一种优质便捷的钢结构防腐保护方法。用于钢结构防腐蚀保护的锌加涂料是由电解锌粉、有机树脂和挥发性溶剂３部分配制而成的单组分产品。锌加干膜含９６％以上的纯锌，对钢材表面提供较好的阴极保护。当锌加涂层被氧化时，会在锌加涂层表面产生一层锌盐层来提供屏障保护，从而减缓锌的氧化，同时起到了阴极保护和屏蔽保护的作用，其耐腐蚀能力高于常规的富锌底漆与热镀锌涂层５～６倍，防腐蚀保护年限可达３０年。同时锌加保护还具备独特的重融性，新的锌加涂层与原有的锌加涂层可完全融合，便于维修补涂。经国内外海洋平台的实际使用证明，锌加保护涂层技术的防腐蚀性能十分优异［１２－１３］，因此可以用来替代传统热镀锌处理铁舾件，还可维修经热镀锌防腐处理的钢结构件。

　　３.５　耐海水腐蚀钢

　　耐海水腐蚀钢是一种通过添加微量合金元素及采用合理轧制工艺技术，保证钢材表面形成含有特定结构、具有离子选择特性的致密保护层，使钢材本身具有耐腐蚀性能、优良综合力学性能及使用性能的一类低合金高强度钢。其可应用于原油运输船、海洋平台、海底油气管线和大型跨海桥梁等领域。美国和日本早在２０世纪３０年代便开始了对耐海水腐蚀钢的研究，发展至今日本的Ｍａｒｉｌｏｙ系列低合金耐海水腐蚀钢［１４］表现较为突出。该腐蚀钢中铬、硅、铜等合金元素在腐蚀过程中通过形成盐膜或是以重富集形态直接作用于金属表面，减缓钢的腐蚀速率，从而具有良好的耐蚀性，使其在飞溅区的耐海水腐蚀性能强于普通碳素钢数倍。相比国外，我国对耐蚀钢的研究相对滞后，在充分认识添加Ｃｒ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ｐ等耐候性合金元素对低合金钢耐海水腐蚀性能影响的基础上，结合日本耐海水钢成分特点，开发出Ｃｒ－Ｃｕ－Ｍｏ系耐海水腐蚀钢种Ｑ３４５ＣＮＨＹ３，其具有优良的力学性能、焊接性能和耐海水腐蚀性能［１５］，能够满足海洋钢结构的制造要求。目前，日本在耐蚀钢领域处于技术垄断地位，在海洋工程产品中，应用的耐蚀钢主要依赖于向日本钢铁企业进口，成本昂贵。我国对海洋工程耐蚀钢的研究与发达国家有着较大的差距，存在着海洋工程用钢品种规格少、质量不稳定、使用寿命短、缺乏对耐蚀钢检测与第三方认证机构等共同平台、对焊缝焊材的耐蚀性问题未足够重视、未建立船用和海工装备耐蚀钢标准体系等一系列问题，尚不能实现耐海水腐蚀钢国产化生产。

　　４　结束语

　　随着海洋工程技术不断地发展，对海洋工程钢结构物的长效防腐蚀技术也提出了更高的要求。本文通过对重防腐涂料、金属热喷涂保护、防腐套包覆等常见的重防腐技术的性能以及应用现状进行论述，分析了各类防腐涂层的优缺点，探讨了重防腐技术在海洋工程钢结构物各区域中的应用，为同寿命涂层体系的设计提供了理论与实际依据。在设计长效防腐涂层配套的过程中，不仅需要我们熟悉常见的重防腐技术，还应更加大胆地引进最新的材料与技术，从海洋钢结构物的使用寿命，建造成本和环境效果等多方面评估防腐配套方案的可行性，最终从实际应用中总结经验，提高防腐蚀效果与质量，从而进一步推动重防腐技术的发展。

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责任编辑：王元

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