海洋工程防腐蚀材料及施工技术|工业腐蚀与防护

张作华

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[复制链接] 只看楼主倒序阅读楼主发表于: 08-05

海洋工程结构防腐蚀材料及施工技术

赛化云防腐蚀技术总监 51防腐蚀论坛资深版主

海洋工程结构长期暴露于高盐、高湿、强紫外线的极端环境中，其腐蚀防护面临陆地结构未曾遇到的复杂挑战。海水中的氯离子浓度高达19000 mg/L，具备极强的穿透能力，能破坏金属表面的钝化膜，引发并加速电化学腐蚀过程。潮汐作用导致的干湿交替循环使潮间带结构表面持续经历膨胀-收缩应力，涂层附着力显著下降，而退潮后的盐分析出结晶进一步破坏涂层与基体的界面结合。同时，海洋环境中的微生物与生物附着（如硫酸盐还原菌、藤壶）分泌腐蚀性代谢物，形成局部酸性环境和缝隙腐蚀，加速结构失效。

海洋工程按腐蚀环境可分为五个典型区域：大气区、飞溅区、潮差区、全浸区和海泥区。每个区域对应不同的腐蚀机理和防护要求。以海上风电高桩承台基础为例，其不同高程部位需采用差异化的防护方案：水位变动区（-3.5~0.2m）采用环氧玻璃鳞片涂料；全浸区（-31.0~-3.5m）选用改性环氧树脂漆；上部钢平台则使用改性环氧重防腐涂料+聚氨酯面漆组合，配套阴极保护实现25年以上的设计寿命。具体的海洋工程结构典型腐蚀环境特征与防护要求如下：

大气区：特征是盐雾沉积、紫外线辐射；腐蚀机理是电化学腐蚀+老化降解；防腐蚀要求为耐UV、抗盐雾。
飞溅区：特征是浪花飞沫、干湿交替；腐蚀机理是氧浓差电池+机械冲击；防腐蚀要求为耐磨、抗冲击。
潮差区：特征是周期性浸没/暴露；腐蚀机理宏电池效应+盐结晶；防腐蚀要求为抗干湿循环。
全浸区：特征是持续海水浸泡；腐蚀机理是电化学腐蚀+生物附着；防腐蚀要求为耐水、防生物。
海泥区：特征是沉积物覆盖、微生物；腐蚀机理是微生物腐蚀+缺氧环境；防腐蚀要求为抗微生物、耐酸碱。

海洋工程防腐蚀施工中，特别是“五区”腐蚀环境中应用最为广泛和经典的就是环氧类防腐蚀材料（配套优良的耐紫外线耐高盐面涂材料）。因为环氧树脂基涂料凭借其优异的附着力和耐化学介质性能，成为海工防腐的核心材料。其中环氧玻璃鳞片涂料通过平行叠压的玻璃薄片（厚度2-5μm）形成迷宫效应，大幅延长腐蚀介质渗透路径，从而满足海工结构长效的耐蚀要求。例如大连庄河海上风电项目中，该涂料应用于浪溅区和水位变动区，涂层厚度达400μm，配套聚氨酯面漆后总膜厚达880μm，有效抵抗海水侵蚀和机械磨损，其特殊配方使其能在水下继续固化，适应潮汐变化施工需求。

改性环氧树脂涂料则在双组份聚酰胺/胺固化体系中引入有机硅或氟碳改性，显著提升耐海水浸泡性能。全浸区应用表明，固化后形成的交联网络结构能有效阻隔Cl⁻渗透，具现场测试阻抗模值比常规环氧提升3个数量级。除了环氧类材料外，一些新型防腐蚀材料也进入海洋构件应用领域，如当下网红新材料聚天门冬氨酸酯聚脲涂料突破传统材料局限，实现“防腐+”多功能集成，不仅具备高保色性满足视觉警示需求，且施工周期缩短40%。例如聚天门冬氨酸酯聚脲涂料在象山港大桥桩基防护应用中表现优异。

海洋工程结构防腐蚀施工除了经典的环氧树脂材料及其改性材料，比较重要的防腐蚀材料和工业还有热喷涂金属涂层技术。此项材料和施工技术通过高温电弧将金属线材熔化、雾化后喷涂至基体表面，并涂覆有效的耐蚀涂层，形成致密的防护层。代表性四层合金树脂复合体系技术的尖端应用如：
第一层为100μm锌涂层（牺牲阳极保护）
第二层为100μm铝涂层（屏障防护+二次牺牲）
第三层为50μm环氧纳米涂料（封闭孔隙）
第四层为80μm聚氨酯面漆（耐候装饰）
该体系创新性地采用大功率二次雾化电弧喷涂技术，锌铝涂层粒子尺寸小于50μm，孔隙率低于1%，结合强度达15MPa以上。环氧层中纳米石英粉（5-15%）、钛白粉（5-15%）与钴镍超微细金属粉末（1-6%）的协同作用，赋予涂层自修复能力。通过对该涂层体系的实验室加速老化试验表明，该体系在模拟海洋环境下防护寿命可达50年，较传统涂层使用寿命延长2倍有余。

据资料刊载，海洋防腐蚀材料另一种材料---超疏水防护涂层是近年突破性技术。这种技术可以实现接触角159.6°、滚动角仅7.46°的超疏水表面。该涂层摩擦系数低至0.15，磨损率较裸钢下降两个数量级，腐蚀速率仅为0.00015 mm/y，50次摩擦循环后仍保持142°接触角，是浪溅区和潮汐区优异的耐磨损材料。再就是一种叫做pH响应型水凝胶涂料，则是海洋工程代表了智能防护材料的最新进展。这种防腐蚀材料防护机理就是当涂层破损导致局部pH变化时，缓蚀剂智能释放并在金属表面形成保护膜，修复微损伤。实验表明其对Q235碳钢的保护效率达到99.7%，300μm涂层在人工海水中浸泡180天后仍保持完整防护功能。因此pH响应型水凝胶涂料在海洋工程结构施工应用中具有较高的经济价值和广阔的发展前景。

通过以上海洋工程结构防腐蚀材料的特征和性能描述，防腐蚀施工技术工程师可以在施工中根据海洋工程结构所处的“五区”环境，有针对性的选择，笔者根据经验和实际施工应用总结和归纳如下：
环氧玻璃鳞片：干膜厚度400-500μm；优点是抗渗透、耐磨；适用区域为飞溅区、潮差区；使用寿命大约为25年。
改性环氧树脂：干膜厚度400μm；优点是耐水、抗阴极剥离；适用区域为全浸区；使用寿命大约为30年。
合金树脂复合：干膜厚度330μm；优点是三重防护、自修复；适用区域为全区域；使用寿命大约为50年。
超疏水涂层：干膜厚度50-100μm；优点是自清洁、低摩擦；适用区域为大气区、飞溅区；使用寿命需要从实验到实践的验证。
pH响应水凝胶：干膜厚度300-500μm；优点是自修复、智能缓释；适用区域为全浸区、潮差区；使用寿命大约为20年。

海洋工程结构防腐蚀涂层体系应用，必须保证其使用寿命的耐久性，才能实现海洋结构及设施的正常运行，充分降低结构及设施的综合维护成本提高经济效益。为满足其恶劣环境下涂层体系持续的发挥最佳的功能，除了有条件的选择防护涂层材料及其配套工艺，施工质量可以说是防护体系的基石，“三分材料七分施工”必不可少！好材料配套优良的施工质量，才能实现材料最佳最优的作用，保证防腐涂层长久的使用效果。

海洋工程结构表面处理质量直接决定涂层寿命的70%以上，特别是海洋工程钢结构表面处理要求达到达到以下规定的标准要求：
1.清洁度：喷砂除锈至Sa2.5级（ISO 8501-1）残留盐分≤20mg/m²
2.粗糙度：锚纹轮廓60-100μm（ISO 8503）保证机械咬合，提高涂层与金属表面的附着力。
3.时效性：金属表面喷砂除锈处理后4小时内完成首道涂装，防止二次返锈，也更适应金属最佳的能量活跃时间咬合力。
4.使用棱角钢砂在0.6-0.8MPa压力下处理表面，将处理后的表面与GB/T 8923标准照片比对；同时使用精密粗糙度仪多点测量，确保Rz值在合格区间。
5.喷砂除锈时相对湿度>85%或钢材温度低于露点3℃时，立即停止作业。

涂装及涂料要求还需要符合以下要求：
1.人工及机械涂装必须面面俱到不得遗漏，厚薄均匀一致，美观无涂层缺陷，如气泡，针眼，皱皮等，金属热喷涂必须符合其施工技术标准。
2.温度范围，5-40℃（环氧树脂）；10-35℃（聚氨酯）。湿度控制，≤85%（常规涂料）；≤80%（潮固化型）。膜厚管理，多层涂装时，每道间隔需达到表干状态，最长不超过最大重涂间隔（通常24-48小时）。超时需进行拉毛打磨处理，增加表面粗糙度。
3.双组份涂料混合须精确计量。甲乙组分混合后熟化10分钟，并在适用期内用完。
4.养护与固化。涂层实干前需严格防护，养护时间≥5天（环氧体系）；≥7天（厚浆型），养护期结束后才能投入使用。养护期间避免暴晒、淋雨、油污接触及摩擦、撞击、践踏损伤等。
5.特别需要注意的是，涂层在不同温度下的完全固化时间差异显著。以改性环氧为例： 5℃固化时间≥14天25℃固化时间7天35℃固化时间3天。未充分固化的钢结构吊装将导致涂层粘连破坏，损失防护性能。吊装时采用专用吊具+尼龙吊带组合，接触点额外增加橡胶护舷，有效避免涂层损伤。

海洋工程结构涂层质量检验是涂层长效防护的最终保障，必须满足以下要求：
涂层养护完成后需进行三重检测。外观必须均匀平整，无漏涂、起泡、开裂、针孔。厚度以每10m²取3个测量点，每点测3次取均值，85%以上测点≥设计厚度，最小值≥85%设计值。附着力测试使用拉拔法测得数值≥8MPa（GB/T 5210）。阴极剥离试验，检测15天后剥离半径≤8mm（ISO 15711）。

海洋工程结构防腐蚀涂层体系无论从材料选择，还是施工质量都必须从每一道工序严格控制，确保海洋结构及设施正常运行和低频率维护，因为海上结构及设施维护成本高昂而且操作艰难，极具不可控性。据不完全统计统计，海上平台停机损失每天高达50万元人民币，按照传统修复工艺需船舶配合，人工搭架、喷砂，涂装，效率低，费用高。为解决海洋维护困难，防腐蚀施工技术人员经过多年的实践经验，提出海洋工程结构及设施维修不如岸上质量严格控制的理念；另外对需要海洋工程结构及设施远海防腐蚀维修翻新提出了一些好的施工创新方案，如水下施工采用无溶剂环氧膏体，矿脂包覆系统，无人机检测及智能化作业等。

随着我国海洋经济的快速发展，海洋工程结构防腐材料及施工技术也突飞猛进，腐蚀监测-预警-防护一体化是未来趋势。新材料，新工艺，智能响应型涂层成为海洋工程结构防护的研究热点，pH响应型水凝胶涂料，微胶囊技术（当涂层受损时微胶囊破裂释放内容物，3小时内实现自修复），超疏水与仿生防护（仿生防污技术从鲨鱼皮结构获得灵感，微肋条结构+硅聚合物表面使藤壶附着强度下降80%，结合酶基生物防污剂（葡萄糖氧化酶），实现无毒性防污），纳米复合涂料技术，石墨烯改性环氧（使耐盐水浸泡时间较常规涂层提升4倍），PVA纤维增强混凝土等前沿海洋工程结构及设施防护技术如雨后春笋，有效的解决了海洋恶劣环境下结构及设施腐蚀难题。

海洋工程结构防腐蚀技术正经历从被动防护到主动防御，从单一材料到系统集成，从定期维护到能监控的深刻变革。未来方向将聚焦环保化（水性、无溶剂、粉末化、技术热喷涂等低VOC）、长效化（60年以上寿命）、智能化（自修复、可感知）及多功能集成（防腐-防污-结构健康监测一体化）领域。随着中国“海洋强国”战略推进与深远海开发的提速，创新最具前沿的防腐技术将成为保障重大工程安全运行、降低全生命周期成本的关键支撑。

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