孫 欣, 郭福元, 劉富祥, 趙勇剛, 蔣全通, 翟曉凡, 侯保榮
(1.中國科學(xué)院海洋研究所海洋環(huán)境腐蝕與生物污損重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室國家海洋腐蝕防護(hù)工程技術(shù)研究中心,山東 青島 266071; 2.煙臺中集藍(lán)海洋科技有限公司, 山東 煙臺 264000)
深遠(yuǎn)海漁業(yè)養(yǎng)殖裝備具有高技術(shù)、高投入、高產(chǎn)出、高附加值、高風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn),同時(shí)也要求高安全性和高可靠性。 深遠(yuǎn)海漁業(yè)養(yǎng)殖裝備結(jié)構(gòu)主要采用金屬材料,長期處于海水、潮氣和鹽霧等惡劣環(huán)境中,飽受海水的沖刷和海生物的侵蝕,容易出現(xiàn)嚴(yán)重的化學(xué)和電化學(xué)腐蝕,會對設(shè)備的使用壽命造成嚴(yán)重的影響,更嚴(yán)重的會造成海損事故,給環(huán)境造成不可逆的大面積污染,導(dǎo)致海洋環(huán)境生態(tài)災(zāi)難。 海洋腐蝕不僅給海洋牧場平臺埋下嚴(yán)重的安全隱患,還會大幅縮短設(shè)備的檢修周期,增加維修費(fèi)用,延長停工停產(chǎn)時(shí)間,造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。 因此,在海洋這種強(qiáng)腐蝕環(huán)境中長期服役的平臺鋼結(jié)構(gòu)必須采取腐蝕防護(hù)措施。 但腐蝕防護(hù)可選擇的技術(shù)產(chǎn)品少,全生命周期內(nèi)的防腐成本高,節(jié)能環(huán)保政策法規(guī)壓力大,是目前海洋工程裝備行業(yè)腐蝕防護(hù)工作面臨的主要問題。
海洋平臺的服役環(huán)境極其復(fù)雜且惡劣,陽光暴曬、紫外線強(qiáng)烈、鹽霧籠罩、波浪沖刷、海生物附著、浮冰撞擊、船舶靠泊,甚至海水的流速、溫度的變化等因素,都會加速海洋平臺的腐蝕速率。 海水中含有高濃度的腐蝕介質(zhì),如NO3-、SO42-、Cu2+、Mg2+、Fe3+、H+、Cl-、溶解氧、OH-等,加上海水本身為弱堿性的電解質(zhì)溶液,給海洋平臺上的碳鋼營造了復(fù)雜的腐蝕環(huán)境。 同時(shí),以漁業(yè)養(yǎng)殖為主的牧場平臺,其服役范圍內(nèi)的海水長期處于養(yǎng)分富集的狀態(tài),而海水本身是具有生物活性的介質(zhì),含有大量的微生物,會導(dǎo)致鈍性金屬局部腐蝕的發(fā)生和發(fā)展,對于海洋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施具有很強(qiáng)的危害性。
圖1 為海洋各個腐蝕區(qū)帶腐蝕規(guī)律。 海洋環(huán)境可以分為海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、海水潮差區(qū)、海水全浸區(qū)和海底泥土區(qū)5 個不同的腐蝕區(qū)帶[1-3]。 其中,浪花飛濺區(qū)指海水平均高潮位以上海水浪花和海水泡沫飛濺能波及到的區(qū)帶。 我國沿海港灣內(nèi),浪花飛濺區(qū)的范圍可以確定為海水平均高潮線以上的2.5 m 至海水平均低潮線以下0.5 m 的區(qū)間。 浪花飛濺區(qū)是腐蝕最嚴(yán)重的部位,因?yàn)樵谶@個區(qū)域,鋼表面受到海水的周期性潤濕,經(jīng)常處于干濕交替狀態(tài),且氧供應(yīng)充分,加上陽光、風(fēng)吹和海水環(huán)境的協(xié)同作用導(dǎo)致發(fā)生最嚴(yán)重的腐蝕[2]。 一般情況下,鋼在海洋大氣中的平均腐蝕速度約為0.03 ~0.08 mm/a;而浪花飛濺區(qū)則為0.30 ~0.50 mm/a。 同一種鋼,在浪花飛濺區(qū)的腐蝕速度可比海水全浸區(qū)中高出3~10 倍。
圖1 海洋各個腐蝕區(qū)帶腐蝕規(guī)律Fig.1 Corrosion law of various corrosion zones in ocean
海洋平臺鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕是悄無聲息地發(fā)生的,且在深遠(yuǎn)海服役的海洋平臺都處于持續(xù)工作狀態(tài),疲勞、凹坑、海水的拍打和漂浮物的撞擊是日常現(xiàn)象,一旦發(fā)生銹蝕將嚴(yán)重影響構(gòu)筑物強(qiáng)度,一旦發(fā)生事故必將造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[4,5]。 因此,正確分析和預(yù)判其在運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的腐蝕缺陷,科學(xué)做好海洋平臺構(gòu)件的防腐維護(hù),對于提高海洋平臺設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性、安全性具有極為重要的意義。
隨著我國新建海洋工程設(shè)施的增多以及已建海工設(shè)施維修高峰周期的到來,海洋浪花飛濺區(qū)的防腐問題得到了空前廣泛的關(guān)注。 為延長海洋鋼結(jié)構(gòu)物的使用壽命,對于浪花飛濺區(qū)的腐蝕必須采取有效防腐措施。 如不引起重視和得到解決,將會危及這些基礎(chǔ)設(shè)施的服役壽命,防護(hù)工作就顯得十分迫切。
海洋牧場的建設(shè)屬于新興模式,國內(nèi)的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范不健全,缺乏統(tǒng)一可執(zhí)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),常規(guī)的防腐方法單一,缺乏針對不同部位腐蝕特點(diǎn)采取針對性防腐措施的認(rèn)識。 海洋平臺想要實(shí)現(xiàn)在苛刻的腐蝕條件下長期服役的要求,必須使用高性能的防腐蝕技術(shù),特別是針對平臺浪花飛濺區(qū)設(shè)施腐蝕嚴(yán)重的短板,研發(fā)長效的防護(hù)體系至關(guān)重要。
目前海洋工程裝備行業(yè)中,海水全浸區(qū)和海底泥土區(qū)的防腐方法主要采用涂料+犧牲陽極電化學(xué)保護(hù),通過合適的表面處理方式和正確的施工工藝配合,構(gòu)成重防腐體系。 海洋大氣區(qū)的防腐主要采取傳統(tǒng)的涂刷涂料等手段,浪花飛濺區(qū)和海水潮差區(qū)主要采用包覆保護(hù)技術(shù)。
(1)陰極保護(hù) 海洋鋼鐵設(shè)施位于海水全浸區(qū)及海底泥土區(qū)位的防腐蝕對策通常采用陰極保護(hù)方法。在現(xiàn)行的海洋鋼鐵設(shè)施陰極保護(hù)施工中,常用的是鋁合金陽極犧牲陽極方式,參照NACE RP 0176 標(biāo)準(zhǔn)。 應(yīng)用了陰極保護(hù)的鋼材如果完全浸沒在海水里,就可以獲得近乎完全的防腐蝕率。 海洋潮差區(qū)位置需要的防腐蝕電流密度比海水全浸區(qū)多很多倍,陰極保護(hù)的效果也受鋼材在海水中浸泡時(shí)間影響,浸泡時(shí)間越長陰極保護(hù)效果越大,浸泡時(shí)間越短陰極保護(hù)效果越小。
(2)重防腐涂料保護(hù) 涂料在大氣區(qū)應(yīng)用較廣泛,但在浪花飛濺區(qū)的防護(hù)壽命短,防護(hù)效果差,對施工環(huán)境要求也很高,在施工中出現(xiàn)新銹蝕、烈日直射、雨霧天氣等情況下都不能進(jìn)行涂裝施工,涂裝作業(yè)必須在無大風(fēng)沙天氣下進(jìn)行,同時(shí)設(shè)備表面溫度不得低于露點(diǎn)3 ℃,相對濕度需要≤85%,環(huán)境溫度≥5 ℃,參照GB 8923-2011“涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級”、NACE TM 0404-2004“標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法—海上平臺大氣區(qū)和浪濺區(qū)新建防腐蝕用涂層體系評估”標(biāo)準(zhǔn)。 這些要求無形中增加了造船廠的施工步驟和工作時(shí)間,在造船旺季時(shí),會造成打砂房和噴漆房的工作量堆積。 一旦分段沒有處理到位,就會造成涂裝的質(zhì)量問題,常見的有流掛、漏涂、表面污染物、表面顆粒物及粉塵、針孔等。 尤其是連接密封的焊接部位,油漆容易開裂導(dǎo)致成片剝落;支撐板等死角部位,容易發(fā)生油漆的堆積或漏涂。
海上鹽霧重、海水溫差波動大、各區(qū)塊流速不等,伴隨著錨鏈和水面漂浮物的磨損,以及工作輔助船??康呐鲎才c摩擦,海生物的附著和侵蝕[6],飛濺區(qū)的涂層很容易被損傷導(dǎo)致失效,在海上維修時(shí)表面處理噴砂與涂裝非常困難,幾乎無法實(shí)現(xiàn),且隨著海洋環(huán)境保護(hù)意識的提升,大家普遍意識到涂料具有一定的污染性。 國內(nèi)深遠(yuǎn)海漁業(yè)養(yǎng)殖裝備腐蝕防護(hù)措施主要使用涂料涂裝,所用的涂料也基本被國外公司所壟斷。 但是由于深遠(yuǎn)海漁業(yè)養(yǎng)殖裝備一般要求最少20 a 的服役期限,且減少定期進(jìn)塢維修的次數(shù),常用的涂料等防腐蝕措施難以滿足要求。 因此,平臺飛濺區(qū)的防腐設(shè)計(jì)必須考慮長效、環(huán)保且方便修復(fù)的新型技術(shù)。
針對平臺浪花飛濺區(qū)環(huán)境的設(shè)施設(shè)備等腐蝕短板,中國科學(xué)院海洋研究所的侯保榮院士研發(fā)了復(fù)層礦脂長效包覆防腐蝕技術(shù)(PTC),由具備銹層自修復(fù)成膜功能的防蝕膏、柔韌性防蝕纏帶、具有緩沖作用的密封層、纖維增強(qiáng)玻璃鋼復(fù)合材料制作的保護(hù)罩,以及支撐卡箍、擋板、螺栓、螺母等附屬部件組成(如圖2 所示)。
圖2 復(fù)層礦脂包覆防腐蝕技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure diagram of Petrolatum Tape and Covering system
實(shí)驗(yàn)室通過銹轉(zhuǎn)化深度、耐鹽霧性能測試,及稠度、鹽霧試驗(yàn)、水膏置換試驗(yàn),對原材料組成及配比進(jìn)行優(yōu)化,研發(fā)出防蝕材料的最佳配方,技術(shù)性能特征優(yōu)勢突出:
(1)表面處理的要求低 包覆防腐材料的核心防蝕膏中,含有銹轉(zhuǎn)化成分,可以直接與鐵銹反應(yīng),將鋼結(jié)構(gòu)表面未處理盡的鐵銹轉(zhuǎn)化成保護(hù)性封閉層,起到除銹、防銹雙重作用,實(shí)現(xiàn)防腐施工低表面處理。
(2)附著力和致密性好 防蝕膏和防蝕帶具有優(yōu)良的黏著性,能夠強(qiáng)有力地黏附在鋼鐵表面,隔離腐蝕性介質(zhì),對海水中的鋼鐵起到優(yōu)良的、長效的保護(hù)作用。 在溫度范圍為(-20±2) ℃范圍內(nèi),對礦脂防蝕膏進(jìn)行低溫附著性試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)放置1 h 不剝落。 將礦脂防蝕帶在(23±2) ℃的試驗(yàn)環(huán)境條件下放置24 h,裁取試樣后立即進(jìn)行試驗(yàn),其剝離強(qiáng)度可以達(dá)到200 N/m。
(3)可以帶水施工 防蝕膏和防蝕帶含有不對稱結(jié)構(gòu)的表面活性物質(zhì),可以將金屬表面的水膜置換掉,吸附和捕集腐蝕性物質(zhì),并將其封存于膠束之中,使之不與金屬接觸,從而起到防腐蝕作用。
(4)防老化、防機(jī)械撞擊 保護(hù)罩加固在防蝕帶外部,具有優(yōu)良的防老化、防機(jī)械撞擊的功能,能夠抵抗海邊晝夜溫差大、空氣濕度大、鹽分大的惡劣腐蝕環(huán)境,當(dāng)平臺遭受浮冰及船舶靠泊的撞擊時(shí)能提供有效保護(hù),形成完整的防護(hù)體系。
(5)工藝簡捷 涂覆防蝕膏和纏繞防蝕帶的操作,都無需等待固化,可連續(xù)施工。
復(fù)層礦脂長效包覆防腐材料能夠?qū)崿F(xiàn)養(yǎng)殖平臺全生命周期內(nèi)的腐蝕防護(hù),防腐施工不停機(jī),防腐壽命達(dá)到30 a。 目前,該技術(shù)已制定GB/T 32119-2015“海洋鋼構(gòu)筑復(fù)層礦脂包覆防腐蝕技術(shù)”標(biāo)準(zhǔn),在全球幾十個海洋工程上得到應(yīng)用[7-9],效果良好,得到了港口碼頭、海上風(fēng)電、海洋平臺、橋梁公路行業(yè)的廣泛關(guān)注,被認(rèn)為是最成熟的防腐技術(shù)之一。 比較有代表性的案例包括:
(1)青島港液體化工碼頭工程鋼樁腐蝕修復(fù)工程
2007 年針對液體化工碼頭鋼管樁進(jìn)行約500 m2的腐蝕修復(fù),于2016 年打開進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證,結(jié)果表明在海洋環(huán)境嚴(yán)酷的腐蝕條件下,PTC 包覆層9 a 后依然能夠保持完整性,起到良好的防護(hù)效果。 2021 年再次回訪,保護(hù)狀態(tài)依然完好。
(2)勝利油田平臺立管及導(dǎo)管架腐蝕修復(fù)工程勝利油田埕北22 單現(xiàn)役石油平臺基礎(chǔ)部分由導(dǎo)管架和樁兩部分組成,2005 年7 月調(diào)查發(fā)現(xiàn)該平臺潮差區(qū)和浪花飛濺區(qū)有明顯的大面積腐蝕且海生物附著嚴(yán)重,銹層厚度10 mm 左右,鋼鐵厚度最薄處只有4 mm。考慮到平臺的長期安全運(yùn)營,采用PTC 包覆技術(shù)進(jìn)行修復(fù)處理,有效解決了浪花飛濺區(qū)腐蝕最嚴(yán)重的難題,得到了業(yè)主的高度評價(jià)。
經(jīng)海004 號深遠(yuǎn)海智能化坐底式漁業(yè)養(yǎng)殖網(wǎng)箱平臺系經(jīng)海百箱計(jì)劃之一,約7×104m3水體容積,能實(shí)現(xiàn)深遠(yuǎn)海魚類養(yǎng)殖功能,并配備生活、機(jī)械平臺。
2021 年在建造時(shí),經(jīng)海漁業(yè)公司意識到腐蝕防護(hù)的重要性,經(jīng)過在國內(nèi)外調(diào)研考察,選擇中國科學(xué)院海洋研究所進(jìn)行技術(shù)合作,并采用復(fù)層礦脂包覆防腐蝕技術(shù)(PTC)對飛濺區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù),在船廠制作分段期間,就對飛濺區(qū)的各分段進(jìn)行包覆,合攏后直接下水拖航,開創(chuàng)了國內(nèi)首個新建平臺的全壽命周期長效防腐的典型案例。
3.2.1 前期準(zhǔn)備
收集海洋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施及其海域環(huán)境具體設(shè)計(jì)圖紙和水文等資料。 設(shè)計(jì)施工方案,繪制施工圖紙,準(zhǔn)備施工材料、確定施工范圍。 根據(jù)鋼樁尺寸、數(shù)量和顏色等要求預(yù)制玻璃鋼防蝕保護(hù)罩。
3.2.2 搭設(shè)施工平臺
施工前根據(jù)包覆分段的高度、長度、寬度,設(shè)計(jì)搭建施工平臺。 搭設(shè)時(shí),腳手架不要緊貼在塔筒上,需留出施工空間。
3.2.3 表面處理
為保證防蝕膏的礦脂能與鋼材表面充分結(jié)合,達(dá)到最佳的保護(hù)效果,必須進(jìn)行鋼材表面處理。 除銹等級應(yīng)達(dá)到GB/T 8923.1-2011 和GB/T 8923.2-2008 中規(guī)定的St2 級。 施工區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)表面處理要求無明顯鼓泡和浮銹,表面突出物不應(yīng)有銳角,一般不高于5 mm,特別注意節(jié)點(diǎn)處的除銹要保證質(zhì)量,不需噴砂、動火,不宜采用噴砂處理的地方可使用手工除銹,不需涂覆底漆,盡量減少污染。
3.2.4 涂抹防蝕膏
將礦脂防蝕膏均勻涂抹在鋼管樁表面,不能漏涂。對于新建結(jié)構(gòu)的鋼管樁,表面相對光滑,沒有嚴(yán)重的腐蝕破損情況,防蝕膏用量約260 ~400 g/m2。 鋼樁表面的坑凹和縫隙處應(yīng)用防蝕膏填滿抹平,突出物的表面也應(yīng)涂抹一層防蝕膏,使礦脂在鋼結(jié)構(gòu)表面成一層均勻分布的完整保護(hù)膜,厚度應(yīng)達(dá)到180~250 μm。
3.2.5 纏繞防蝕帶
在涂刷防蝕膏位置上纏繞防蝕帶。 起始處纏繞2層,然后依次搭接55%,保證各處至少纏繞2 層。 每卷防蝕帶交接處的頭尾重疊。 包覆高度高、鋼樁直徑大的情況下,在纏繞時(shí),應(yīng)用手拉緊、鋪平防蝕帶,不要有氣泡、褶皺、疏松情況。 對于不規(guī)則鋼鐵構(gòu)筑物,先將礦脂防蝕帶剪成合適的長度,將其逐段纏貼在不規(guī)則處,并保證各處至少有2 層。 礦脂防蝕帶施工完畢后,礦脂防蝕膏和礦脂防蝕帶總厚度不應(yīng)小于2 mm。
3.2.6 預(yù)制外殼安裝
對于樁腿、中環(huán)、斜撐等規(guī)則平整的部分,根據(jù)圖紙尺寸提前制作好防蝕保護(hù)罩,在包覆防蝕帶后,即可現(xiàn)場安裝。
(1)先測量尺寸,切割適當(dāng)高度的密封緩沖層,粘貼在防蝕保護(hù)罩的內(nèi)側(cè),緩沖層上部應(yīng)比保護(hù)罩短5 ~10 mm。
(2)安裝時(shí)只需把多片外殼通過法蘭結(jié)構(gòu)連接。對準(zhǔn)連接法蘭的螺絲洞口,經(jīng)檢查位置正確后,上緊316L 不銹鋼螺栓,隔天用專用扳手再次擰緊螺栓,7 d后再次檢查螺栓以防松動。
(3)法蘭的對接縫處,安裝玻璃鋼擋板,防止水分等腐蝕因子進(jìn)入。
3.2.7 現(xiàn)場制作玻璃鋼外殼
樁腿與爬梯的焊點(diǎn)、豎撐和斜撐的連接處、中環(huán)與樁腿的交叉點(diǎn)等不規(guī)則結(jié)構(gòu)區(qū)域,需要現(xiàn)場制作玻璃鋼外殼。 現(xiàn)場制作的外殼由多層短切氈、玻璃纖維布、樹脂和膠衣等多種材料有序組合而成。
(1)制作時(shí)先測量包覆尺寸,剪切相等高度的材料。
(2)根據(jù)結(jié)構(gòu)形狀、防護(hù)性能要求,設(shè)計(jì)包覆的層數(shù)。
(3)包覆每層工序時(shí),要保證沒有氣泡產(chǎn)生。
(4)包覆時(shí)每層工序無需等待固化。
(5)最外層膠衣要做到平整,美觀。
(6)規(guī)則防蝕保護(hù)罩和不規(guī)則防蝕保護(hù)罩要做好銜接處理,對接部分應(yīng)重疊50~100 mm。
3.2.8 分段合攏吊后局部制作保護(hù)罩
養(yǎng)殖平臺最終將十幾個不同尺寸和形狀的分段焊接合攏,并將多層吊裝拼接,處于飛濺區(qū)的焊接點(diǎn)需在吊裝合攏步驟完成后,再進(jìn)行防腐處理。 主要包括以下2 個部分:
(1)在場地施工時(shí),分段與馬腿的支撐點(diǎn)、分段吊運(yùn)的吊點(diǎn),要盡量避開防護(hù)罩安裝的區(qū)域,確實(shí)避不開的,需確定好支撐點(diǎn)和吊點(diǎn)位置,玻璃鋼防護(hù)罩安裝時(shí)預(yù)留出來,待合攏完成后再安裝。 裂縫大于5 mm 的防蝕保護(hù)罩,應(yīng)采用相同材質(zhì)、相同厚度的玻璃鋼進(jìn)行補(bǔ)口,現(xiàn)場糊制玻璃鋼與預(yù)制玻璃鋼的搭接部分,按照
3.2.7(6)所規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)行施工。
(2)登船梯要整體焊接,焊接后,玻璃鋼防護(hù)罩無法安裝,需要在登船梯焊接前把防護(hù)罩安裝上,然后把登船梯與中環(huán)和斜撐接口切開,再焊接登船梯,因此切口需做好防火處理,焊接登船梯后,再進(jìn)行防腐處理,并現(xiàn)場糊制登船梯接口處的玻璃鋼外殼。 補(bǔ)口處應(yīng)使用與原防腐層結(jié)構(gòu)相同的礦脂防蝕膏和礦脂防蝕帶進(jìn)行修補(bǔ),防蝕帶補(bǔ)貼寬度應(yīng)至少超出損傷邊緣50 mm。
最終,對經(jīng)海004 號深遠(yuǎn)海智能化養(yǎng)殖平臺的浪花飛濺區(qū)、海水潮差區(qū)逾1 700 m2的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)層礦脂包覆防腐施工,嚴(yán)格參照GB/T 32119-2015 對每個步驟進(jìn)行檢測、評定,在保證平臺的按時(shí)交付、及時(shí)下水、安全運(yùn)行的需求的同時(shí),建立檔案管理制度,將施工資料、檢查記錄、事故記錄、維修記錄、年度總結(jié)等資料歸檔,并由專人管理,直至平臺服役結(jié)束。 期間每半年進(jìn)行1 次巡檢,查看防蝕保護(hù)罩是否破損,螺栓是否完好等,力爭實(shí)現(xiàn)平臺全壽命期不進(jìn)塢的長效防護(hù)目的。
海洋牧場建設(shè)是促進(jìn)傳統(tǒng)漁業(yè)向現(xiàn)代漁業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要手段,也是落實(shí)探索海洋、經(jīng)略海洋戰(zhàn)略的重要舉措。 要想實(shí)現(xiàn)海洋資源的可持續(xù)發(fā)展,多功能、大型化的海洋平臺是必要設(shè)施;要想實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、生態(tài)化的發(fā)展,合理的防腐蝕措施必不可少。 綠色、長效、科學(xué)的防護(hù)措施,能大幅度降低平臺試用期的運(yùn)維成本,有效避免拖航、維修造成的環(huán)境污染,從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的合理開發(fā)和穩(wěn)定增長,為我國早日邁入世界一流海洋工程裝備建造國家注入強(qiáng)勁動力。