海洋浪溅区钢结构的腐蚀与防护研究进展

钢材种类多样，在海洋资源开发利用进程里被广泛运用，众多大型海洋构件属于钢结构。可是钢结构长时间处在海洋环境中极容易发生腐蚀，特别是在浪溅区，相关调查表明：钢结构于海洋浪溅区的腐蚀速率是最高的，是在大气区以及全浸区的数倍。所以，寻觅一种高效且适用于浪溅区的防腐举措对海洋钢结构的整体安全性以及使用寿命而言至关重要。

一、钢结构在浪溅区的腐蚀行为 1.1 浪溅区范围

1949年最早被Humble定义为海水平均高潮位以上，且海水浪花以及海水微粒飞溅能够波及到的区带的海洋浪溅区，后来日本防腐蚀专家渡道经试验发现，浪溅区处于海水平均高潮位以上0到1米的位置，而最大腐蚀处位于海水平均高潮位以上0.5米处。善一章指出，在港湾中钢铁构筑物腐蚀最严重的位置处于海水平均高潮位以上0.45到0.60米处。在我国，朱相荣以及黄桂桥等人，在不一样的海域，针对浪溅区范围，展开了试验测量，结果发觉，浪溅区大概处于海水平均高潮位往上0至上2.4米的地方。我国现在实行的行业规范JTS 153—3—2007《海港工程钢结构防腐蚀技术规范》，对海港工程钢结构的部位划分，做出了清晰明确的规定，比如表1所展示的那样。

1.2 钢结构在浪溅区的腐蚀机理

许多研究有过发现，海浪溅起的区域，相较于大气区域以及水下区域，其腐蚀状况更为严重不少，主要的缘由在于，它受到三个方面的综合影响，其一是以日光辐照以及干湿交替作为主要方面的大气因素，其二是以温度变化以及氯离子作为主要方面的海水因素，还有是以海浪以及波浪冲击作为主要方面的浪流因素。浪溅区处于海洋环境之中的表层位置，日照足够充足，一昼夜之间的温差比较大，干湿交替发生得颇为频繁。离子扩散速度受干燥与润湿时间比例影响极大，持续的时间愈发长，毛细作用愈发凸显，氯离子渗透速度愈大，浪溅区拥有充足含氧量与盐分，能够加速水膜生成，因为水膜的蒸发以及凝聚致使表面盐分浓缩进而引发点蚀。浪溅区设施除了承受环境物理化学状态的作用，还得经受海流和波浪冲击带来的冲刷作用以及附加荷载作用，容易出现腐蚀疲劳和应力腐蚀，加快腐蚀情况的发生。处在浪溅区域范围内的钢结构钢结构刷漆人工费，其腐蚀速度相当迅速，除了会受到外界环境因素的影响之外，还存在锈层所发挥的特殊作用，碳钢所形成的锈层相对比较疏松，存在较多的空隙以及裂缝，能够贮存空气与海水，侯保荣等人借助模拟浪溅区干湿交替的环境，发现在润湿过程之时锈层作为一种强氧化剂发挥作用，出现了从Fe3 +到Fe2 +的还原反应，而在干燥过程当中，由于空气发生氧化作用，锈层里面的Fe2 +又被氧化成为Fe3 +，经过多次干湿循环，锈层发生了氧化 还原 再氧化的循环反应，进而加速了腐蚀。朱相荣等人，通过对脱氧情况下带锈试片的极化曲线予以对比，又对未脱氧情况下带锈试片的极化曲线进行对比，进而发现，锈层的还原，起到了“去极化剂”的作用，能够加大阴极电流，其结果是加速腐蚀。

二、浪溅区钢结构腐蚀防护技术的应用现状

海洋钢结构的安全发挥良好效能，离不开具备经济实惠效果且切实可行的防护举措。因为浪溅区域当中存在易于腐蚀的特殊状况，不论国内还是国外，从来都没有停止过针对钢结构于浪溅区域实施防护办法的深入探究。历经长时间的研究之后发现，除了持续不断地改进钢结构的设计方案，添加合金元素之外，当前运用较为频繁的防护技术涵盖了重防腐蚀涂料进行保护、阴极保护、金属热喷涂保护、热浸镀层腐蚀保护以及包覆层保护等等。

2.1 重防腐蚀涂料保护

相较于常规防腐涂料，重防腐涂料适用范围更为广阔，保护期更为长久。当下常用的重防腐涂料包含无机富锌涂料、玻璃鳞片涂料、聚脲弹性体涂料等。依据美国航空航天局报告，水性无机富锌涂料的防腐蚀能力显著优于其他种类的富锌涂料。魏向阳经研究发觉：选用水性无机富锌涂料作为底漆，搭配使用高固体分复合树脂防腐涂料作为面漆，防腐性能更为卓越。该配套涂料体系的优越性目前已在大型钢架桥、海岸港口钢结构、大型军用船舶等领域获得实践验证。研究深入下去，水性无机富锌涂料的性能持续改善，近些年来被研发出来的水性无机富锌涂料，其模数达到了5.7，然而黏度仅仅在15到17 mPa·s之间。玻璃鳞片涂料主要是由无溶剂不饱和聚酯树脂以及玻璃鳞片构成的。由于玻璃鳞片涂料具备较好的保护屏障作用，所以其被日本沿海开发技术研究中心推荐用于海洋浪溅区 。李敏等人研制出一种涂料，这种涂料是高固含量厚浆型环氧玻璃鳞片涂料，经过测试有发现，其多项性能达到较高水准，这些性能包括耐盐雾性、耐人工海水性等，它能够有效提高海洋钢结构的使用寿命 。

黄微波教授挑选纯聚脲当作重防腐涂料的关键原材料，运用FTIR（红外光谱）、DSC（差示扫描量热法）等办法，剖析纯聚脲在人工模拟海洋环境、自然曝晒、紫外线人工加速老化环境里的力学性能、光泽度以及分子结构的改变，结果表明：相较于普通防腐涂层，它的耐蚀性能更为出色，能够适应相对严酷的腐蚀环境条件。近年来，这项技术在国内外被广泛接纳运用，美国把它用以圣马特跨海大桥、各类舰船、海洋平台等工程范围；与此同时，我国也成功把它应用于青岛海湾大桥承台、超大型海岸沉箱装置防腐工程等方面。工程实践应用显示，聚脲防腐涂层依靠其优良的防腐性能、耐老化表现以及耐冲刷性能，使得它得以应用于浪溅区钢结构的防护领域 。

2.2 阴极保护

因为钢结构于浪溅区的海水浸泡程度过低，无法形成有效的电流回路，所以普通的阴极保护对浪溅区域的钢结构防护存在一定的局限性。针对这种状况，美国在处于周期性间浸渍部位的钢结构物表面布满锯屑、膨润土这类吸水物质，或者将石膏、膨润土和硫酸钠的混合物包裹在被保护的钢结构表面，接着在里面埋设牺牲阳极，从而让钢结构作为阴极获得充分保护。相对于上述提及的方法，我国黄彦良提出了一种防护方法，这种方法更为简单，那就是在钢结构表面引入一层电解质膜，以此来提供阴极保护电流。目前在工程实践当中，对于处于浪溅区的钢结构而言，通常的做法是将阴极保护和涂层保护联合起来使用，在两者协同发挥作用的情况下达到较好的防护效果。范卫国等人在杭州湾某化工泊位改造工程里，在钢管桩表面采用重防腐涂料进行保护的同时选用了A2I-C型铝合金阳极，最终取得了较好的防腐效果。

2.3 金属热喷涂保护

有一种技术叫金属热喷涂保护技术，它是把金属材料加热到熔融或者半熔融状态，然后高速喷射到基体表面，进而在表面形成保护涂层。在海洋防护当中，常常会用到热喷涂锌、铝或者它们的合金涂层等。热喷涂锌涂层使用时间是最早的，然而它的耐久性不行，没办法提供长时间的保护。相对而言，热喷涂铝涂层有较好的耐久性以及抗冲蚀能力，更适用于浪溅区。早在1984年，Hutton公司把热喷涂铝涂层运用到海洋平台工程中了，使得浪溅区获得保护，没出现腐蚀情况，进而表明该涂层防护效果不错。美国海洋土木工程实验室曾用试样悬吊的办法对喷铝试样做了长达10 a的腐蚀试验，结果发觉钢桩基本得到良好的保护。王真经由对纯铝涂层耐蚀性的研究发觉，纯铝涂层的腐蚀速率会跟着时间的延长渐渐变缓，对基体能够起到长期的保护作用。周学杰等人针对喷锌涂层、喷铝涂层以及喷锌 - 铝涂层展开了对比研究，实海暴露试验所呈现的结果显示，在浪溅区域，喷锌 - 铝合金涂层具备着最为出色的防蚀效果，涂层出现的变化也是最小的，铝涂层的防蚀效果次之，存在局部脱落的情况，锌涂层的防蚀效果最差，有着密布的锈点。我国胜利油田曾经在部分导管架上喷涂了锌 - 铝复合涂层，实际投入使用后所得到的结果表明，该涂层的防腐蚀效果极为显著。

2.4 热浸镀层腐蚀防护技术

浪溅区腐蚀防护里常用的另外一种法子是热浸镀层，此方法是先对钢材表面做清洗处理，接着浸入熔融金属从而得到金属镀层。李焰等曾把热浸镀锌、锌 - 铝 - 稀土以及锌 - 铝 - 硅镀层钢板置于青岛浪溅区，经对其开展腐蚀质量损失测试以及显微结构分析发觉，这3种镀层试样于浪溅区的腐蚀速度均比在潮差区和全浸区的腐蚀速度低，其中锌 - 铝 - 硅镀层在浪溅区抗蚀性能最优，锌 - 铝 - 稀土次之，二者皆比热浸镀锌层好。竹原浩二等人，也曾把热浸镀锌 - 铝合金镀层钢置于海边，其结果明确显示：这种双镀层它对于耐腐蚀方面的性能，显著地要比传统的锌镀层更加优良。

2.5 包覆层保护

有一种方法被叫包覆层保护，此方法通常是指，借助在基底材料的表面将耐蚀性能良好的金属或者非金属材料进行包覆。这样一来，就能让基底材料跟腐蚀介质彼此分隔开来。此举的目的在于达成控制腐蚀，以及延长钢结构使用寿命。当下在浪溅区时常会用到的有矿脂包覆技术，还有包覆金属或合金护套，另外还有包覆混凝土或其他护套等 。

（1） 矿脂包覆技术

一种防腐蚀技术叫矿脂包覆技术，它是要先在钢结构表面涂覆矿脂材料，这种矿脂材料具备良好黏着性、非水溶性、防水性、不挥发性、电绝缘性等特点，之后还要在外部包覆防护外罩 。矿脂包覆技术发源于1925年英国所发明的Denso矿脂防腐蚀系统，在20世纪70年代后期的时候，日本研发出了一种适用于码头栈桥以及其它外海钢结构浪溅区长期具备耐久性的防腐方法，也就是复层矿脂包覆防腐技术，简称为PTC，在此之后中国科学院海洋研究所成功开发了这项技术，并且联合日本成功地把PTC新型包覆技术运用到了我国胜利油田CB22单平台浪溅区的防腐上，收获了满意的成效。复层矿脂包覆技术，是由矿脂防蚀膏、矿脂防蚀带、密封缓冲层和防蚀保护罩，这四层保护层构建而成的。其中，矿脂防蚀膏乃是PTC技术的核心要点内容。其性能情形，决定了PTC技术的稳定性以及耐久性。钱备运用耐温流动性以及锥入度检测方式方法，联合中性盐雾以及电化学交流阻抗试验，针对矿脂防蚀膏的基础配方展开了测试以及优化工作。结果发现，其抗盐雾腐蚀性受到硬脂酸钙含量的影响较为显著。张坚彬等人借助盐雾试验以及电化学试验得出，防蚀膏具备良好的耐蚀性能，防蚀带同样具备良好的耐蚀性能，它们能够延长保护物的使用期限。PTC 技术可以广泛地适用于浪溅区钢结构的防护，以此来延长其使用期限。当前，这项技术已经成功地应用于我国港口码头、海洋石油平台以及海上风电基础结构等工程 。浙江龙驰防腐技术 有限公司在码头 靠近海洋平台一侧 选出三根钢管桩 做示范应用 ；在某滨海发电厂厂区内 钢结构关键部位的 防腐蚀施工项目 使用本该项技术 防护效果良好 。

（2） 包覆金属或合金护套

通常焊接在钢结构表面的是包覆合金护套。常被用作海洋浪溅区保护套的有目前的蒙乃尔合金、铜 - 镍合金以及不锈钢材料。生产研制 400 号蒙乃尔合金的是美国国际镍公司。据报道，曾被用作外海采油平台浪溅区护板的该合金护套，在连续使用 20 a 后依然保持完好，这表明其具有优异的耐蚀性能，可广泛应用于海洋钢结构在浪溅区的防护。铜镍合金护套有着价格较低的特点，具备高度耐蚀性、可塑性以及可焊性等优点，已广泛在国内外海上钢结构浪溅区防护工程中被应用。在英格兰莫克姆湾采气平台浪花飞溅区，该区域腐蚀环境严酷，铜镍合金护套长期应用的结果显示，其防腐效果不错。不锈蚀的钢质护套常常也会被用作浪涛飞溅区域的防护措施，并且这种护套不但能够轻易地进行焊接操作，而且还具备相对良好的抵抗腐蚀的性能以及力学方面的性能，所以就被众多各不相同的国家以及地区所采用，其中在美国有一座用于海洋开采石油的平台运用不锈钢护套针对浪溅区域实施保护行动，最终获得了令人满意的成效 。

（3） 包覆混凝土护套或其他护套

包覆混凝土这种方法，起源时间是比较早的，然而呢，因为它的防护效果是很不错的，所以一直到如今，有好多国家都还在使用。经过研究之后发现，当混凝土包覆层延伸到平均低潮位以下的时候，才能够达到最佳的腐蚀防护效果，并且呢，混凝土包覆层的厚度要是越大，那么它的防护寿命也就会越长。在浪溅区进行防护的时候，有的时候也会采用其他的护套，就比如说德国有采用过橡胶护套。美国Osmos公司海洋组，经过25年的研究发现：采用厚0.76毫米的聚氯乙烯带包扎钢管桩，所得到的防蚀效果是比较理想的。

三、结语

海洋环境腐蚀条件十分苛刻，浪溅区又因物理化学条件复杂，往往是全面腐蚀速率最高的区域，对海洋浪溅区腐蚀机理和防护措施展开研究，能为处于海洋环境中的钢结构进行设计与维护提供有效依据，尽管浪溅区腐蚀与防护研究已收获大量成果，然而浪溅区的防腐蚀技术现今仍属于研究的薄弱环节，有待进一步深入探究，研究防腐蚀效果更佳且成本更低的浪溅区防护技术，对保护海洋钢结构工程以及开发海洋资源具备重大的战略意义。

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