海洋平臺鋼結構防腐技術探析

金 昊

中海石油（中國）有限公司深圳分公司 廣東深圳 518000

海上平臺最突出的兩個特點便是建造規模浩大以及長期所處于惡劣的海洋環境中，受不同海洋環境載荷的共同作用（主要來自大風、浪涌、高溫、高濕、高鹽霧），對海上平臺各部位鋼結構在投入使用的過程中不可避免地發生腐蝕，進而為鋼結構帶來安全隱患。由于海洋環境海上平臺鋼結構一般是固定于海床之上，檢修起來十分困難。因此，海洋平臺在開始建造的時候，其防腐問題便是從業者必須解決的關鍵技術問題。其中探究長效防腐策略、研發新的防腐技術和防腐材料等都對于海洋平臺鋼結構的防腐問題具有積極的促進作用。

1 海洋環境主要腐蝕特點

和內陸相比，海洋環境要更復雜。就服役環境來看，海洋環境包括大氣區、浪濺區、潮差區、全浸區以及底泥區，如圖1 所示。蝕區帶不同則腐蝕破壞過程也不同。例如浪花飛濺區屬于干濕交替的區域，氧氣供應比較充分，腐蝕產物不具備保護作用，海水飛濺起來的飛沫會直接打在金屬表面，加重其腐蝕；潮差區在長尺度氧濃差電池的防護下，腐蝕程度最低；全浸區因為氧擴散的限制因素，淺海區域比深海區域的腐蝕要嚴重；泥土區因為接近海底，也存在局部腐蝕的現象。在這五個腐蝕區域中，浪花飛濺區腐蝕最為嚴重，雖然是外部環境和大氣區相似，但浪花飛濺區由于海浪飛濺，使得該區不論是鹽分，還是濕度都要大大高于大氣區，伴隨浪花的不斷拍打，然后自然干燥，使得該區域始終處于干濕循環的狀態，且此區域內的鋼結構表面氧氣豐富，這便為腐蝕提供了更加有利的條件。此外，浪花飛濺區還存在氣泡腐蝕現象、任意性腐蝕現象以及均勻腐蝕現象等。海浪的沖擊會產生許多氣泡，這些氣泡會嚴重腐蝕鋼結構，加速其破損老化。海浪在沖擊的過程中也會帶來許多金屬物質或者酸性物質等，物質種類不同則腐蝕程度也不相同，所以出現了任意性腐蝕的現象[1]。

圖1 海洋環境鋼結構的腐蝕區帶

2 海洋平臺鋼結構主要腐蝕類型

鋼結構的腐蝕形式多樣，按腐蝕原理及腐蝕方式，可以分為多種腐蝕類型。其中，根據鋼材和周邊環境之間的相互作用而產生的腐蝕來分類，鋼結構腐蝕類型主要有化學腐蝕和電化學腐蝕兩大類。所謂化學腐蝕即金屬與周圍介質(主要是非電解質)直接發生化學反應而引起的破壞現象，包括氣體腐蝕類型和有機介質腐蝕類型。通常情況下，海洋平臺鋼結構發生化學腐蝕的概率極低。對于海洋環境而言，電化學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，全面腐蝕會降低金屬厚度，更容易檢測，也不會完全失效，可以通過實驗模擬的方式計算出金屬腐蝕的速率，從而設計出結構材料的相關腐蝕裕量，使其達到預期的服役年限。而局部腐蝕的類型則更加多樣化：

（1）點蝕，即在局部出現一個非常小的點蝕孔，又叫小孔腐蝕，使金屬表面比較粗糙。

（2）如果交變拉壓應力同腐蝕介質一起作用，此時產生的腐蝕便是腐蝕疲勞[2]。一般情況下，腐蝕疲勞主要發生在斜拉索、懸索和箱梁等部位。

（3）鋼材料在進行冷加工以后會殘余部分拉應力和受荷，便會出現應力集中以及應力不均勻的現象，導致金屬晶格差產生變化，進而出現應力腐蝕。金屬材料的應力腐蝕一般在斷裂前并沒有明顯的預兆，因此一旦發生應力腐蝕，便會給工程帶來極大的危害。

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

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

（6）鋼材料在經過長期磨損以后，其鈍化膜會被破壞，此時裸露在外的金屬會在腐蝕介質的作用下產生磨損腐蝕。

3 海洋平臺鋼結構主要防腐技術

3.1 金屬噴涂防護技術

金屬噴涂防護的方式非常多，如熱噴涂方式、冷噴涂方式和電弧噴涂方式等。利用金屬噴涂技術能夠對鋼結構實現物理屏蔽，即便發生破損也能夠產生陰極保護，所以該技術在海洋全浸區得到廣泛應用。海洋環境下噴鋅層越厚，其使用壽命通常也會隨之增加，相較鋁層，鍍鋅層要更厚才可以達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陰極保護實施難、有機漆老化快、貴金屬保護層高成本等問題。此外，鋁基涂料抗海水腐蝕方面的性能也比較好。如果未來此技術能夠結合抗生物污染的封孔涂層變可以有效解決水下設施的防腐問題。在我們國家的水利水電工程領域，基本上所有鋼結構都采用了涂料進行熱噴涂防腐，然而涂料雖然在很大程度上可以密封孔洞，但對于金屬涂層的孔洞卻無法達到完全密封的作用，使得基底部分仍會被腐蝕?，F階段此技術在海洋平臺鋼結構防腐方面的應用條件還十分苛刻，其中，鋁金屬噴涂技術則更難，關鍵部位無法完美噴涂，基于此，冷噴涂技術便應運而生，冷噴涂涂層具有無氧化和高純度的特征，因此具有很好的發展前景[3]。

3.2 有機復層包覆防腐技術

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

3.3 陰極防護技術

陰極保護防腐技術主要應用于海水全浸區域內鋼結構的防腐。目前，我國海洋平臺鋼結構防護措施中主要采用鋁陽極保護技術以及外加電流陰極保護技術。在陰極保護技術中最常用的是鎂陽極技術、鋅陽極技術和鋁陽極技術。其中，對于鋼材而言，由于鎂陽極保護技術的驅動電壓相對比較大，因此常用于土壤介質防護中；相較鎂陽極的驅動電壓，鋅陽極更低，但其電流效率卻更高，因此土壤介質和水介質中均可應用；鋁陽極則重點應用于船舶建設領域、海洋工程領域和港口建設領域等，其缺點便是易被污損而導致失效。然而這些結論均是依靠經驗而得出的估計結論，無法確保材料選擇的合理性和用量的準確性?；诖?，許多專家學者也積極研發相關技術設備，并取得很大的實效性。如郭宇便自主研發了一種陰極保護電位數值方面的仿真軟件，仿真結果采用多樣化的輸出形式，可以針對多種類型的陰極保護方式實施數值仿真，操作方便，因此得到廣泛應用。對于海洋平臺鋼結構工程而言，在實際建設過程中，會大量消耗鋁，針對此問題，高聰等研究人員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，有效節約了能源和材料。

3.4 鋅加防護技術

鋅加保護技術在防腐保護中具有經濟性和便捷性優點。鋅加保護技術是采用陰極飽和保護和屏蔽保護的共同作用實現對海洋平臺鋼結構的防腐保護。其中，鍍鋅層的鋅含量超過95%，實物中鋅粉純度接近100%。除此以外，新舊鋅加涂層能夠完美融合，形成一個整體，因此更便于維修。相較其他類型的有機涂料，鋅加保護技術在陰極保護方面的能力要更加突出，因此常用于基材底層的保護。相較海洋飛濺區，大氣區的結構腐蝕程度更嚴重，在全浸區通常采用陰極保護方式或陰極保護結合涂料保護的方式，一般不會單獨使用涂料保護的防腐方法，這主要受到許多防銹涂料和防污染涂料使用年限所限制，無法滿足海洋平臺在保護期限方面的要求。而陰極保護結合涂料保護的防腐策略能夠有效彌補這一缺陷，實現海洋平臺鋼結構長效防護的目的[5]。

4 結語

伴隨海洋產業的不斷發展，海洋平臺鋼結構的防腐問題也成為其發展研究的核心課題，有效提升海洋平臺鋼結構的抗腐蝕能力、降低海洋腐蝕介質對鋼結構產生的腐蝕作用，對增強鋼結構的耐久性具有重要的意義?；诖?，對海洋平臺鋼結構防腐技術的研究也刻不容緩，是推動海洋事業可持續發展的重要保障。