鄭傳祥* 朱 軍 蘇小芳 閆春波 林 嬌

（1.浙江大學(xué) 2.江蘇南通藍(lán)島海洋工程有限公司 ）

1 海水防腐技術(shù)概述

在海洋風(fēng)電開發(fā)過程中，需要使用大量的鋼結(jié)構(gòu)承載基礎(chǔ)，這些結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期暴露在極其苛刻的海洋腐蝕環(huán)境中。鋼結(jié)構(gòu)在潮差浪濺區(qū)腐蝕最為嚴(yán)重，平均腐蝕速率約為0.3～0.5 mm/a，比其他區(qū)域高約3～10 倍。因此本文主要解決潮差浪濺區(qū)的防腐問題[1-5]。

現(xiàn)有海洋防腐技術(shù)可分為以下幾類。

（1）加厚鋼板

加厚鋼板增加了材料的腐蝕裕量，這種方法簡(jiǎn)單實(shí)用，但是對(duì)局部腐蝕防護(hù)效果不佳，鋼材浪費(fèi)嚴(yán)重，且增加了設(shè)備質(zhì)量，目前在大型海工結(jié)構(gòu)中已基本不使用[6]。

（2）表面處理

表面處理技術(shù)主要包括以下幾種：a）表面改性，通過物理或化學(xué)方法改變海工結(jié)構(gòu)表面的化學(xué)成分或組織結(jié)構(gòu)從而增強(qiáng)其耐腐蝕性能，可用于形狀復(fù)雜的構(gòu)件的防腐問題[7]；b）防腐涂料，該方法是目前應(yīng)用最廣泛、最實(shí)用的海洋防腐方法，其缺點(diǎn)是防腐涂層受溫度影響大，在復(fù)雜惡劣的潮差浪濺區(qū)，需要與其他防護(hù)技術(shù)結(jié)合形成聯(lián)合保護(hù)[8-10]；c）防污涂料，防止海洋生物附著和污損海洋工程結(jié)構(gòu)，從而保持海洋結(jié)構(gòu)表面的光潔[11-12]。

（3）包覆隔離

包覆隔離技術(shù)主要包括以下幾種：a） 混凝土包覆，這是一種較為陳舊卻有效的防腐方法，當(dāng)混凝土包覆層和陰極保護(hù)技術(shù)搭配使用時(shí)，能獲得更好的防護(hù)效果[13]；b）日本學(xué)者提出了局部包覆耐腐蝕的蒙乃爾合金、中間填充緩蝕油膏的方法，現(xiàn)已經(jīng)形成規(guī)模化應(yīng)用；c）我國(guó)侯保榮院士等[6]提出的海洋鋼結(jié)構(gòu)浪花飛濺區(qū)新型復(fù)層礦脂包覆技術(shù)（PTC），由礦脂防蝕膏、礦脂防蝕帶、密封緩沖層和防蝕保護(hù)罩4層緊密相連的保護(hù)層組成，有效防腐時(shí)間可達(dá)30 年以上[14]。

（4）耐腐蝕金屬

耐腐蝕金屬材料是通過調(diào)節(jié)金屬材料中化學(xué)元素的成分、微觀結(jié)構(gòu)及腐蝕膜性質(zhì)來降低金屬腐蝕速率，從而提高金屬耐腐蝕性能，耐海水鋼必須輔助其他防腐方法才能更好地達(dá)到防腐的目的[15]。

（5）化學(xué)防腐

化學(xué)防腐技術(shù)主要包括：a）陰極保護(hù)法，可分為外加電極的陰極保護(hù)和犧牲陽極的陰極保護(hù)兩種。前者主要用于保護(hù)小型的金屬結(jié)構(gòu)，后者主要用于保護(hù)大型金屬結(jié)構(gòu)[10]；b）將具有表面活性的化學(xué)物質(zhì)噴涂在海工結(jié)構(gòu)上進(jìn)行物理吸附及化學(xué)吸附，使之占據(jù)金屬表面的活性點(diǎn)，從而達(dá)到抑制腐蝕的作用[1]；c）使用緩蝕劑，緩蝕劑一般需與其他防腐方法聯(lián)合使用，常用于封閉場(chǎng)合，例如油井等[15]。

（6）交叉新技術(shù)

交叉新技術(shù)主要包括：a）監(jiān)測(cè)與檢測(cè)是掌握腐蝕狀態(tài)的關(guān)鍵手段，也是壽命評(píng)估的基礎(chǔ)，與其他防腐方法組合使用效果很好[16]；b）結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)估，通過積累各種服役條件下的材料環(huán)境性能數(shù)據(jù)、結(jié)合監(jiān)測(cè)與檢測(cè)技術(shù)、提出壽命估算模型，對(duì)工程結(jié)構(gòu)開展安全評(píng)價(jià)、可靠性分析、壽命評(píng)估[17]。

2 復(fù)合材料包覆隔離新技術(shù)

對(duì)海洋承載結(jié)構(gòu)耐腐蝕技術(shù)分析后可知，現(xiàn)代防腐技術(shù)已經(jīng)不再采用單一技術(shù)進(jìn)行防腐，而是根據(jù)海洋結(jié)構(gòu)的使用壽命要求和成本經(jīng)濟(jì)學(xué)要求進(jìn)行多學(xué)科綜合防腐?，F(xiàn)有的金屬包覆隔離技術(shù)耐腐蝕效果好，但是成本較高，制約了其適用性，因此利用新型檢測(cè)技術(shù)和低成本的包覆隔離材料，使該技術(shù)保持優(yōu)點(diǎn)，降低成本，提高適用性。

2.1 復(fù)合材料包覆隔離技術(shù)的原理

在整個(gè)海洋承載基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的防腐設(shè)計(jì)中，該防腐新技術(shù)改進(jìn)了現(xiàn)有防腐技術(shù)的短板，提高了整個(gè)結(jié)構(gòu)的使用壽命，且采用新型復(fù)合材料降低了成本。

該結(jié)構(gòu)以復(fù)合材料包覆防腐為主，防腐涂層為輔，首層防腐層由防腐漆、防腐油脂或其他耐海水防腐材料組成，復(fù)合材料包覆隔離層由纖維和樹脂組成；纖維一般采用碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維或者其他耐海水腐蝕的纖維，樹脂則采用環(huán)氧樹脂或者其他耐海水腐蝕的熱固性樹脂。先將復(fù)合材料隔離層粘貼在首層防腐層上，再以預(yù)拉應(yīng)力拉緊纖維，使其緊貼在海工鋼結(jié)構(gòu)的外表面，固化后與海工鋼結(jié)構(gòu)的外表面形成緊密的密封面，從而隔離海水。表面保護(hù)層材料采用環(huán)氧樹脂涂層或者其他耐海水沖刷的油漆。為了提高可靠性，該技術(shù)設(shè)置了海水滲透檢測(cè)裝置監(jiān)控包覆隔離防腐層的泄漏情況，為后期檢測(cè)維護(hù)提供保障。在后期監(jiān)測(cè)維護(hù)過程中，當(dāng)海水飛濺區(qū)部位復(fù)合材料包覆層破損，或者密封失效時(shí)，環(huán)形滲水溝槽被海水滲透，海水積液接通2 個(gè)對(duì)應(yīng)的傳感器，使電路，形成閉合回路，信號(hào)燈亮起發(fā)出故障警示，而根據(jù)感應(yīng)器報(bào)警位置可以確定復(fù)合材料覆蓋層發(fā)生破損的精確部位，從而實(shí)現(xiàn)定位監(jiān)測(cè)和修復(fù)功能。該技術(shù)的工作原理如圖1 所示[18-19]。

圖1 防腐實(shí)時(shí)監(jiān)控原理圖

2.2 復(fù)合材料包覆隔離的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 中A-A 為包覆隔離結(jié)構(gòu)的局部放大圖，海洋工程鋼結(jié)構(gòu)的外側(cè)依次涂附首層防腐層、預(yù)應(yīng)力纏繞的復(fù)合材料包覆隔離層和表面保護(hù)層；防腐結(jié)構(gòu)在海水飛濺區(qū)部位具有環(huán)形滲水溝槽，環(huán)形滲水溝槽被復(fù)合材料包覆隔離層包覆后形成密閉的空間，在密閉的環(huán)形滲水溝槽內(nèi)設(shè)置1 對(duì)或以上對(duì)稱布置的海水滲漏檢測(cè)裝置，該裝置的導(dǎo)線從復(fù)合材料包覆隔離層與首層防腐層之間的兩端引出，海水滲漏檢測(cè)裝置的信號(hào)通過滲水檢測(cè)裝置的導(dǎo)線、電源提供給顯示燈，構(gòu)成1 個(gè)檢測(cè)回路。顯示燈、其他電流信號(hào)或者電壓信號(hào)可以傳輸?shù)礁嗟男盘?hào)終端并顯示。環(huán)形滲水溝槽的深度不超過2 mm，寬度不超過20 mm，正常情況下環(huán)形滲水溝槽與海水是隔開的，復(fù)合材料層包覆隔離層中的纖維預(yù)應(yīng)力拉緊貼合在海洋工程鋼結(jié)構(gòu)形成密封結(jié)構(gòu)。

該新技術(shù)用纖維增強(qiáng)的樹脂復(fù)合材料將海水與鋼結(jié)構(gòu)徹底隔離，因此耐腐蝕壽命得到了大大提高。

2.3 復(fù)合材料包覆隔離技術(shù)的應(yīng)用

海洋風(fēng)電技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)發(fā)展了十多年，部分導(dǎo)管架平臺(tái)已達(dá)設(shè)計(jì)壽命，陽極消耗殆盡，如果平臺(tái)要繼續(xù)服役，就需要進(jìn)行更換或維修，二者均需要較高的維護(hù)成本。新的風(fēng)電利用要求承載基礎(chǔ)的導(dǎo)管架使用壽命為50 a，因此實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命服役期的新技術(shù)是當(dāng)前重點(diǎn)的課題[17]。

經(jīng)過長(zhǎng)期研究和工程應(yīng)用，提出了該新技術(shù)在長(zhǎng)壽面防腐中的應(yīng)用范例，該工程中海工鋼結(jié)構(gòu)為碳鋼鋼管，碳鋼鋼管在海水飛濺區(qū)加工深為1.5 mm，長(zhǎng)為15 mm 的環(huán)形滲水溝槽，外表面噴涂防銹漆，環(huán)形滲水溝槽內(nèi)設(shè)置陽極和陰極導(dǎo)電棒，位于環(huán)形滲水溝槽內(nèi)的部分不與任何物體接觸，另一端固定在復(fù)合材料隔離層內(nèi)并相互絕緣，只通過導(dǎo)線引出復(fù)合材料隔離層外，并與電源和顯示燈串聯(lián)成回路；復(fù)合材料包覆隔離層采用T300 碳纖維預(yù)浸料預(yù)應(yīng)力纏繞在碳鋼鋼管外，達(dá)到設(shè)定厚度后，外涂表面保護(hù)層，然后固化成型。當(dāng)海水侵入復(fù)合材料包覆隔離層以后，會(huì)在環(huán)形滲水溝槽內(nèi)積聚，由于海水中的離子可以導(dǎo)電，因此環(huán)形滲水溝槽內(nèi)的陽極和陰極導(dǎo)電棒電源被接通，顯示燈發(fā)光，適配器處的包覆隔離層已經(jīng)失效，需要及時(shí)處理。修復(fù)復(fù)合材料包覆隔離層是該技術(shù)的另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，將失效隔離層清除干凈，在潮汐位于低潮的時(shí)候?qū)B水傳感器埋在環(huán)形滲水溝槽內(nèi)，然后將預(yù)浸料碳纖維覆蓋于外面，達(dá)到設(shè)定厚度后接好導(dǎo)線，固化成型后即完成修復(fù)工作。復(fù)合材料包覆隔離防腐比一般防腐手段具有更長(zhǎng)的防腐壽命，可達(dá)30 a以上，而且維修、更換更方便。

3 結(jié)論

海工鋼結(jié)構(gòu)的海洋防腐主要可分為海洋大氣區(qū)、潮差浪濺區(qū)、海水浸沒區(qū)及海泥區(qū)防腐，其中潮差浪濺區(qū)防腐最為困難。防腐方法多種多樣，且各有優(yōu)缺點(diǎn)，但是沒有一種方法能夠徹底解決腐蝕問題，而是需要聯(lián)合使用多種防腐技術(shù)來達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間防腐的目的。本文提出了一種以防腐涂料結(jié)合復(fù)合材料包覆隔離的防腐技術(shù)，采用耐腐蝕復(fù)合材料作為包覆隔離材料，增強(qiáng)纖維預(yù)應(yīng)力纏繞在鋼結(jié)構(gòu)表面形成密閉的隔離層，同時(shí)設(shè)有海水泄漏監(jiān)控系統(tǒng)。該技術(shù)不僅具有包覆防腐的作用，還能夠?qū)Ψ栏瘜舆M(jìn)行實(shí)時(shí)定位監(jiān)測(cè)，方便維護(hù)和定位修補(bǔ)。與現(xiàn)有同類技術(shù)相比，該技術(shù)具有成本低、壽命長(zhǎng)、維護(hù)方便等特點(diǎn)。