海洋钢结构防腐涂料及其在天津港的应用

陆晓东，秦铁男

（1.天津港（集团）有限公司，天津 300456；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

进入21世纪，我国国民经济实力快速增长，沿海港口数量大幅上升，至2010年底，已拥有沿海亿吨大港15个，成为世界上拥有亿吨港口最多的国家，缔造了10 a打造15个亿吨大港的神话。尽管在2011年全球航运业的低迷困境下，我国港口货物吞吐量仍超过91亿t，同比增长12.3%，其中集装箱吞吐量为1.63亿TEU，增长11.8%。港口产业已经成为拉动我国沿海地区经济发展的重要支柱。

但海水是导电性很强的电解质溶液，又富含有氯化物和硫酸盐，是天然腐蚀剂中腐蚀性最强的介质之一，加上海面风浪的机械搅拌作用和强烈的自然对流，除特殊情况下均认为海水是被氧所饱和的，因此普通的钢铁材料在海洋环境下都会发生严重的腐蚀[1]。由于腐蚀的发生具有一定随机性，且以点蚀为主的局部腐蚀具有很强的隐蔽性，在常规的防腐检测中不易被发现，一旦发生安全隐患，对于钢桩码头、海洋平台钢构架、钢栈桥及港口机械设备等大型钢结构的安全运营无疑会造成巨大的影响，由此带来的经济损失也是无法估计的。因此，在当前大规模兴建港口工程的形势下，做好海洋环境下服役钢结构的防腐工作，做到防患于未然，具有重大的意义。

防腐涂料作为一种传统的海洋防腐技术，已被广泛地应用于海洋防腐领域，在海洋防腐领域扮演着重要的角色。在我国正处于低碳经济转型期的大背景下，海洋运输、港口工程、海洋新能源开发等行业的迅猛发展，也对海洋防腐涂料的环保化、高效化和经济化提出了更高的要求。但随着市场对海洋防腐涂料需求量的日益增大，海洋防腐涂料产业必将得到进一步发展，使其在产品种类、性能以及应用规模等方面都得到大幅提高。“十二五”期间，海洋防腐涂料产业将迎来其前所未有的黄金发展期[2]。

1 海洋腐蚀的原理及特点

海水属于电解性很强的电解质溶液，金属在海水中的腐蚀符合电化学腐蚀的基本规律。除了电极电位很负的镁及其合金之外，其他金属材料在海水中都属氧去极化腐蚀[3]。钢铁材料在海水中的腐蚀原理见参考文献[4]。

海水及其所处的海洋环境是一种极其复杂的腐蚀环境，基于海水和海洋环境自身的特点，金属在海水中的腐蚀过程也具有其自己的特点。在不同的海洋环境下，钢结构的腐蚀类型和腐蚀程度都各不相同，可分为大气区、浪溅区、水位变动区、水下区和泥下区5个不同的腐蚀区域[5]。

海洋大气区——不与海水接触，海洋大气中含有较多的海盐粒子，湿度大，紫外线强；

浪溅区——属于海洋大气与海水交换的界面区，海水飞溅，干湿交替频繁，氧供给充分，风吹雨淋加之日光照晒，温度较高，因此这部分的金属腐蚀最严重；

水位变动区——海水冲刷，干湿交替，表层海水氧供给充分；

水下区——腐蚀速度受溶解氧、流速、pH值、盐度、海水微生物等因素影响；浅海区的腐蚀比深海区严重；

泥下区——介质条件复杂，还常有厌氧微生物存在，但由于溶解氧极少，相对来讲泥下区是腐蚀最轻的部位。

其中浪溅区和部分水位变动区是钢结构腐蚀最为严重的区域，是由于其所处海洋环境较为苛刻导致的；还因为传统的涂料保护和电化学保护在该部位的保护作用都很有限。探究钢结构在浪溅区和水位变动区的有效防腐手段也是海洋钢结构防腐领域较为热点的研究方向。

2 海洋防腐涂料的研究进展

在复杂的海洋环境中，钢结构所发生的腐蚀几乎包括了所有常见的金属腐蚀类型，如全面腐蚀、电偶腐蚀、点腐蚀、应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳、磨损腐蚀、缝隙腐蚀、冲击腐蚀和空泡腐蚀等[6]。这就对海洋防腐涂料的质量和性能提出了更高的要求。海洋防腐工程中通常采用的防腐涂料是在恶劣腐蚀环境下仍能对基材具有长期保护作用的涂料，即重防腐涂料[7]。一般要求其保护期至少在10～15 a以上，且具有良好的物理性能、力学性能、化学性能和施工性能，涂料固体组分含量高，有机挥发组分达到国家或国际标准要求[8-9]。海洋防腐领域应用的重防腐涂料主要有：环氧类防腐涂料、聚氨酯防腐涂料、橡胶类防腐涂料、氟树脂防腐涂料、有机硅树脂涂料、聚脲弹性体防腐涂料以及富锌涂料等，其中环氧类防腐涂料所占的市场份额最大。

近年来，随着海洋经济产业的迅猛发展，针对海洋重防腐涂料的研究成为各研究机构和涂料企业的研究热点。总的来说，研究的重点多集中在改变涂料组分以及改善涂装工艺两方面，以达到提高涂料的耐腐蚀性能、耐老化性能的目的，使其更长效、更经济、更环保。

郭晓军等[10]开发了一种以低黏度双酚F环氧树脂为基料，以改性脂肪胺为固化剂的无溶剂环氧防腐涂料，并通过添加鳞片状高耐磨颜填料、硅烷偶联剂及相关助剂等，使其具有固化速度快、耐磨性优异、附着力强、耐盐雾性优异及抗阴极剥离性良好的特点。研究表明，所研制的涂料属厚浆型涂料，一次涂刷可获得大于1 mm厚度的涂层，且实干时间仅为3 h，并有很好的贮存稳定性和较高的性价比。王犇[11]和刘志[12]等研制了一种新型的无溶剂超厚膜型环氧重防腐涂料，它是由高分子量和低分子量搭配的环氧树脂与改性聚酰胺固化剂反应，再添加适量的硅基聚合剂、活性稀释剂、颜填料和助剂等后制得的。通过对所得涂层性能的测试，深入分析了涂料各组分对涂层性能的影响，该涂料固体含量高、不含有机溶剂，一次喷涂干膜厚度可达1.2 mm以上，涂层干燥后收缩率低、抗渗透性好，综合性能优异。李敏等[13]以中碱玻璃鳞片为主要防腐蚀颜料，制备了一种适用于海洋气候的高固体含量的厚浆型环氧玻璃鳞片涂料，并考察了玻璃鳞片的种类、用量和粒径对涂料耐蚀性能的影响，发现选用偶联剂包覆较好的玻璃鳞片，粒径为300目，用量为20%～25%时，涂料的阻隔屏蔽作用最佳，且具有优良的耐阴极剥离性和耐海水腐蚀性，并能够很好地与阴极保护相结合。杨小刚等[14-15]以磷酸锌为主要防锈颜料，协同云母氧化铁灰，制备了无溶剂型环氧防腐涂料，考察了涂层的基本性能，并利用交流阻抗（EIS）测试技术和中性盐雾试验研究防锈颜料质量比、活性稀释剂和颜料体积浓度对涂层防腐性能的影响。结果表明：该涂料固含量达到98%以上，且当PVC为8%，活性稀释剂添加量为2%，云铁灰与磷酸锌质量比为l∶4左右时，涂层具有最佳的防腐性能。其交流阻抗结果表明，磷酸锌填料能够在涂层浸泡的中后期在金属底基上发生反应，生成难溶盐，从而有效阻止腐蚀的进一步发生。

海洋钢结构的涂层防腐常常与阴极保护联合使用，如海上平台，输油管道、码头钢桩以及跨海大桥等都是如此。但是阴极保护会使金属和涂层的界面上产生一种强碱性物质，从而导致涂层剥离，这也是海洋防腐涂料失效的主要原因之一[16]。方健君等[17]针对这种失效现象，研制了一种包含不同环氧值的环氧树脂基料、烷基酚醛固化剂及相适应的颜填料的抗阴极剥离涂料，并研究了树脂体系、固化剂、颜填料和颜基比等因素对涂层抗阴极剥离性的影响，所得涂层能够满足海洋防腐抗阴极剥离的要求[18]。

3 海洋防腐涂料在天津港的应用

港口钢结构所使用的防腐涂料种类和涂层厚度由钢结构所处的腐蚀区域及保护年限所决定，常用的涂料种类如表1[5]所示。

表1 港口工程常用防腐涂料品种

而在实际的工程应用中，为了使底漆与中间层、中间层和面漆之间具有更好的结合力，往往采用同品种防腐涂料的底面层配套。天津港码头钢管桩所使用的防腐涂料主要以同品种底面层配套的环氧类重防腐涂料为主，其中包括环氧重防腐涂料、厚浆型环氧涂料、厚浆型改性环氧玻璃鳞片涂料等。一方面是由于天津港码头底面标高较低，钢管桩基本不会受到阳光直射；另一方面是由于环氧类涂料与金属基体具有良好的附着力，且对于涂装环境条件要求相对较低。

表2列举了两种常用的环氧类涂料在天津港部分码头钢管桩防腐工程中的应用。环氧重防腐涂料是80年代末诞生的高性能重防腐涂料，具有施工方便、附着力强、防腐效果好、长效、经济等优点，在浪溅区和水位变动区的恶劣腐蚀环境下具有良好的防腐效果，因此得到了广泛的应用。而厚浆型改性环氧玻璃鳞片涂料则是相对较为新颖的防腐涂料，在本世纪初被应用于港口钢结构防腐工程中，该涂料中添加了以二氧化硅为主要成分的鳞片状填料，极薄的鳞片在漆膜内部形成相互平行且重复排列，大大降低了涂层的收缩应力和膨胀系数，而且能够对腐蚀介质具有阻碍作用，延长介质渗透扩散到基体的时间，从而提高了涂层的抗渗性[19]。因此，厚浆型改性环氧玻璃鳞片涂料在近几年的天津港的港口防腐工程中得到了广泛的应用。

表2 天津港部分码头钢管桩防腐涂料使用情况

“三分涂料七分涂装”[2]，上述两种涂料除部分颜填料和助剂不同外，基本成膜物质均同属于环氧类，最主要的区别在于一道干膜厚度以及涂装工艺的不同。重型涂料的一道干膜厚度要明显厚于厚浆型涂料，但对于两者的厚度并没有明确的规定，一般认为厚浆型涂料的一道干膜厚度在50～300μm之间，而重型涂料的一道干膜厚度通常都大于300μm。以实际涂装工程为例，环氧重防腐涂料涂装一道干膜厚度可达500μm，而厚浆型改性环氧玻璃鳞片涂料仅为300μm。在涂装工艺方面，环氧重防腐涂料要求基材表面经喷砂除锈达到GB 8923—88中的Sa2.5级，采用刮涂方式即可；而厚浆型改性环氧玻璃鳞片涂料同样要求基材表面喷砂除锈达到Sa2.5级，采用无气喷涂，即以15 MPa的高压将漆雾喷到钢管桩表面。虽然无气喷涂可大大增加厚浆型改性环氧玻璃鳞片涂料与基体的结合力，但对于涂料的损耗较大，在天津港码头钢管桩防腐工程中的实际消耗量接近理论用量的1.8倍，而采用刮涂方式的环氧重防腐涂料的实际消耗量仅为理论用量的1.4倍左右，涂装工艺的差别导致了该涂料的施工成本大大增加。

由上述两种涂料的现场施工比较可以看出，尽管厚浆型改性环氧玻璃鳞片涂料相对于环氧重防腐涂料在理论上具有更好的耐蚀性能和抗渗能力，但由于无气喷涂的涂装工艺导致了施工成本增大，这也影响了该涂料在海洋钢结构防腐工程中的推广与应用。因此，对于新型涂料及产品配套的研发与推广，与涂装工艺接轨，加强涂料涂装一体化的系统管理也是十分重要的。

4 结论与展望

在我国海洋运输、港口工程、海洋新能源开发等行业的迅猛发展的大背景下，海洋防腐涂料作为一种实用、长效的防腐手段必将在海洋防腐领域扮演重要的角色。随着《国际控制船舶有害防污系统公约》、《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》对我国生效，以及国际海事组织《船舶压载舱保护涂层性能标准》、欧盟《杀菌剂产品指南》和REACH法规的实施，海洋防腐涂料技术也将迎接新的挑战。“十二五”期间，海洋防腐涂料不仅应在防腐效果方面做到更长效、还应加强涂料涂装一体化管理，更要满足国际化的环保要求，做到低碳、节能、环境友好。

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