海洋腐蚀与防护前沿技术及国内外研究动态、发展趋势

海洋腐蚀与防护前沿技术及国内外研究动态、 发展趋势 海洋腐蚀的经济损失每年至少三千亿， 并大幅递增。海洋经济投 入越多，海洋防腐课题越迫切，所以，有人把海洋防腐材料纳入海洋 经济中的新兴产业和新材料，却很少反映到具体的报告和表述中。 腐 蚀问题首先是一个经济问题。腐蚀是一种悄悄进行的破坏，但它的破 坏力比地震、火灾、水灾、台风等自然灾害所造成损失更为严重。世 界各国对腐蚀工作都非常重视。据统计，每年因腐蚀所造成的经济损 失约占国民经济生产总值的2%-4% 1969年英国因腐蚀而造成的损失 为13.65亿英磅；美国2001年的腐蚀直接损失为国民生产总值的3.1%, 约合2760亿美元。这一调查结果当时震惊了全世界。据最新报道，我 国在能源、交通、建筑、机械、化工、基础建设、水利和军事设施等 典型的行业和企业，每年由于腐蚀所造成的损失可达 5000亿元以上， 约占GDP勺5%腐蚀所造成的经济损失除直接损失外还包括停工停 产、设备维修、产品降级、效率降低等一系列间接损失。

和上面说的相比，海洋腐蚀尤为严重。海洋环境腐蚀与防护研究 主要是研究钢铁材料在海洋环境中发生的一系列化学和电化学反应 而劣化的自然现象，其目的就是有效地防止腐蚀，降低腐蚀损失，提 高钢铁设施的使用效能。基于对腐蚀所造成的危害及损失的分析， 专 家将研究目标锁定在海洋环境腐蚀与防护研究上，开展了一系列研 究，并取得了一系列研究成果。他们认为：如果防护措施到位，至少 每年可以避免25- 30%的损失，也就是说每年至少可以减少损失1300 亿元。我国有1800公里的海岸线，有相当于我国陆地国土面积1/3的 海洋区域。海洋的开发利用在国民经济中占的比重越来越重要。 目前 已有100余座开采石油的钢桩平台屹立在海上，同时大量船舶及海底 输油管线为海上开采石油服务。目前已经探明，中国海上石油资源量 占全国石油总产量的1/4，仅渤海油田目前探明的总储量就超过 45亿 吨，而且我国在未来5年内，将投资500多亿元在渤海建设50个采油平 台，110 0 口生产井。由于钢铁材料韧性大、强度高、价格便宜，目前 这些构筑物大都用钢铁材料所制成，其严重腐蚀性必然直接威胁着这 些钢铁设施的安全，并将造成严重的经济损失，是一个必须十分重视 的研究课题。海洋环境是一个特定的极为复杂的腐蚀环境，海洋腐蚀 环境纵向可分为海洋大气区、浪花飞溅区、潮差区、海水全浸区、海 底沉积物区五个不同腐蚀区带，贯穿这些腐蚀区带的海上钢铁构造物 在不同的腐蚀区带具有不同的腐蚀特征， 不同钢材在不同海洋环境中 的腐蚀规律不同，即使同一种材料在海洋不同区带的腐蚀又存在着较 大差异，在海水-海气界面交换区和海水-海泥交换界面区有着严重的 腐蚀峰，研究界面区的腐蚀行为、腐蚀过程、锈层在腐蚀中的作用、 金属元素的影响等对研究金属腐蚀与海洋环境的相关性有着重要的 意义。目前， 我国在海洋油气田开发、港口建设、跨海大桥、海底 隧道、船舶工程和深海勘探等领域已建和在建大量的各种钢结构及钢 筋混凝土结构设施， 一旦发生灾害性腐蚀， 将会导致严重破坏和巨 大经济损失。而近海设施在海水中，除遭到海水的电化学腐蚀外，还 遭到海洋生物、微生物的行损。如果我们的研究和防护工作做得好， 其中2 5%-- 4 0 %的腐蚀损失是完全可以避免的。发展海洋腐蚀防护 技术，特别是钢铁设施关键部位的防腐蚀技术，对于降低重大灾害 性事故发生， 延长近海设施的使用寿命具有重大意义。海洋环境可 以分为海洋大气区、浪花飞溅区、海水潮差区、海水全浸区和海底泥 土区五个腐蚀区带。我国从上世纪 7O年代起开展了钢铁设施在海 洋环境不同腐蚀区带的腐蚀规律研究，并发明了电连接模拟海洋腐蚀 试验装置与方法， 建立了海洋环境腐蚀模拟装置。国内外长期的海 洋腐蚀研究结果表明， 钢结构设施在海洋环境不同腐蚀区带其腐蚀 速度有明显差别，其中，浪花飞溅区是钢结构设施腐蚀最为严重的区 域。主要的原因是，在浪花飞溅区，钢表面受到海水的周期性润湿， 处于干湿交替状态，氧供应充分；加之阳光、风吹和海水环境等协同 作用导致发生最严重的腐蚀。一般情况下，钢在海洋大气中的平均腐 蚀速率约为0.03-0.08mm/ a ;而浪花飞溅区为0.3-0.5 mm / a。 同一种钢，在浪花飞溅区的腐蚀速度可比海水全浸区中高出 3〜1 o倍。有关实验和调查结果表明，长期在外海暴露的长尺试件， 浪 花飞溅区的腐蚀速率最高可达I mm /a以上，而在低潮位以下 一0 . 3 m全浸区的腐蚀速度仅为0.1—O. 3 mm /a。 由此可见，钢结构设施在浪花飞溅区部位的腐蚀十分严重。一旦在 这个区域发生严重的局部腐蚀破坏， 会使整座钢结构设施大大降低 承载力，缩短使用寿命，影响安全生产，甚至导致设施提前报废。 当前，国内对于海洋钢铁设施大气区通常采用涂料保护， 海水全浸区 主要采用电化学保护，并且取得了较好的保护效果。而在浪花飞溅区， 通常使用的涂料，在海水冲击下容易发生鼓泡和剥落， 局部腐蚀十分 严重。。因此，发展长期有效的浪花飞溅区防腐蚀技术对保护海洋钢 结构设施的安全运行具有极其重要的经济价值和社会意义。 针对目 前浪花飞溅区腐蚀严重这一现状，中科院海洋研究所与有关科研单位 合作，联合研究开发了浪花飞溅区的新型包覆防蚀 (PTC)技术。PTC 技术采用了优良的缓蚀剂成分并采用了能隔绝氧气的密封技术。 新型包覆防蚀系统由四层紧密相连的保护层组成， 聚乙烯泡沫和玻璃钢或者增强玻璃钢防蚀保护罩。 为防腐蚀保护材料涂抹、缠绕在钢铁设施表面上； 钢或者增强玻璃钢防蚀保护罩作为外防护层包覆在钢铁设施外表面。 PTC技术中防蚀膏和防蚀带添加有抗腐蚀材料，具有优良的保护性、 粘附性、与水和空气隔绝性，并且长期不会变质，可强力地粘附在钢 铁设施表面达到长效的防腐蚀效果。 另外，用一个坚硬的固体玻璃钢 保护罩保护防蚀带，可达到更好的保护效果。实践证明， PTC是浪花 飞溅区最具发展前景的钢铁设施保护技术。具有如下特点：防腐蚀效 果

PTC 即防蚀膏、防蚀带、 防蚀膏和防蚀带作 聚乙烯泡沫和玻璃 优异，有效防护效果达30年以上；施工方便，表面处理简单，可带 水作业；可适用于任何形状结构物；具有良好密闭性和抗冲击性能， 质量轻，对结构物几乎无附加载荷；绿色环保，无毒无污染。目前， 港口码头的防蚀普遍采用复盖层与阴极保护联台的方法， 也可将两者 分开.复盖层保护钢桩平均低潮位线以上部位， 而阴极保护用于保护 水下部位。就阴极保护而言，以前采用外加电流系统为多，从 20世 纪80年代以来采用铝台金牺牲阳极保护的港口码头数量日益增多。 究 竞选用何种阴极保护方法，主要受以下几方面因素制约： （1）保护系 统的可靠性；（2）相邻结构的影响；（.3）保护电流需要量；（4）被保 护结构的复杂性；（5）结构设计使用寿命；（5）被保护结构所处的环境 条件等。 从保护系统的可靠性、对相邻结构的影响、被保护结构的复杂 性等因素来看，应首选牺牲阳极系统；从保护电流需要量来看，需要 较大保护电流的大型码头应采用外加电流系统， 而只需较小保护电流 的小型和中型码头宜采用牺牲阳极系统 阴极保护系统在被保护结构 设计使用寿命期间应能正常工作，因此对于要求工作 30a以上的钢结 构码头来说，最好采用外加电流系统或混合系统 另外，在淡水或海 淡水交替条件下码头保护主要采用外加电流系统。 近年来，对大型港口码头愈来愈多地采用牺牲阳极和外加电流的 共同作用来实施保护 先主要利用外加电流系统提供的初始大电流使 码头迅速极化到保护电位范围，然后停止或减小外加电流，主要利用 铝台金牺牲阳极向码头提供较小的维持电流，充分发挥牺牲阳极安 全、可靠、无需管理的优点使其长期运行。这种混合系统既提高了保 护效果，又减小了牺牲阳极的用量。目前也有部分港口设施采用双阳 极-（dua In ode）或复合阳极“一（Com po site an ode）对大型结构物 进行阴极保护。职阳极实际上是一个阳极组，在一根阳极固定架上固 定有镁阳极和铝阳极，在结构极化初期.镁阳极输出高电流，使其迅 速极化，待镁阳极消耗掉后，铝阳极输出的电流维持结构的保护电位 复合阳极则是在铝合金或锌合金阳极上铸造包覆一定厚度的镁合金 阳极，这样也能起到与双阳极同样的作用 据估算，采用上述起始大 电流方法，可减少阳极用量30 %以上。 专家课题组结合海洋工程实践，针对海洋腐蚀的分区特点做了 海洋平台导管架钢桩实物试验和海水管道的工程应用，通过室内和外 海试验，电化学测试等腐蚀筛选试验，并对腐蚀机理进行探索研究， 最后从工艺、材料（合金线材）及现场应用和工程项目考核（如船舶, 钻井平台等），得出在海上各种区域环境条件下的金属与有机复合覆 盖层的最佳方案，并广泛应用于海上工程，为海洋钢铁设施防护开辟 一条新路径。该技术综合了有机涂层和阴极保护两种防腐措施的优 点，大大延长了海洋钢铁构造物的服役寿命，是一种新型的海洋防腐 技术，研究总体上达到国际先进水平。牺牲阳极可以非常有效地防止 处于海水中的钢铁构筑物（如船舶、浮标、钢桩码头、石油平台）遭 受腐蚀。它具有使用简单，不需要外界电源及设备，不需要日常的管 理和经常性的维护等优点，已越来越多广泛地被采用。以前我国船舶 上主要采用锌阳极，近年来国内也相继开发了铝阳极。与锌阳极相比， 铝阳极具有重量轻、单位重量放电量大（约为 Zn的3倍）、阳极电位 负、资源丰富、价格便宜等优点，因此用铝阳极取代替锌阳极，具有 很大的经济效益。自1975年以来，他们开展了铝阳极的研究工作，曾 研制了 AI-Zn-ln-Cd系阳极。考虑到Cd的毒性及对环境造成污染的 问题，又进行了不含Cd的其他新型阳极的研究。研制的“ PM-1型和 PM-2型腐蚀状态自动跟踪扫描系统”，为阴极保护的参数设计提供了 重要的依据，作为一种新型的海洋腐蚀监测技术， 已被广泛地应用在 船舶、浮标、钢桩码头、石油平台的腐蚀防护。目前已在胜利油田 CB11B平台井组和CB251B井组现场应用，并正在向该海域其它平台 推广。针对沿海城市许多工厂的热交换器大多采用海水冷却， 冷凝塔 腐蚀严重的现状，他们在国内首次采用了牺牲阳极和牺牲阴极保护技 术对海上浮标、钢浮筏、海水管道进行了成功的保护，并对牺牲阳极 输出电流公式进 了修正。外加电流混合阴极保护技术，使保护率达 90%以上,大大延长了冷凝塔的服役寿命。