海洋浪溅区钢结构的腐蚀与防护研究进展

张晓丽，吕　平，梁龙强，杨　阳，冯艳珠　（青岛理工大学，山东青岛 266033）

专论综述

海洋浪溅区钢结构的腐蚀与防护研究进展

张晓丽，吕平，梁龙强，杨阳，冯艳珠（青岛理工大学，山东青岛 266033）

海洋浪溅区腐蚀环境苛刻，对海洋钢结构的腐蚀相当严重。介绍了海洋浪溅区的范围，以及钢铁在浪溅区的腐蚀行为和机理。着重从重防腐涂料保护、阴极保护、金属热喷涂保护、热浸镀层腐蚀防护以及包覆层保护等多个方面介绍了目前国内外常用的浪溅区腐蚀防护技术。

浪溅区；钢结构；腐蚀防护

0　引言

钢材种类繁多，被广泛应用在海洋资源的开发和利用过程中，很多大型海洋构件都属于钢结构。然而钢结构长期处于海洋环境中极易发生腐蚀，尤其是在浪溅区，有关调查显示：钢结构在海洋浪溅区的腐蚀速率最高，是在大气区和全浸区的数倍。因此，寻求一种高效、适用于浪溅区的防腐措施关系到海洋钢结构的整体安全性及使用寿命。

1　钢结构在浪溅区的腐蚀行为

1.1浪溅区范围

Humble在1949年最早将海洋浪溅区定义为海水平均高潮位以上，海水浪花和海水微粒飞溅能波及到的区带。后来日本防腐蚀专家渡道经过试验发现：浪溅区在海水平均高潮位以上0～1 m处，最大腐蚀处在海水平均高潮位以上0.5 m处。善一章指出，在港湾中钢铁构筑物腐蚀最严重处在海水平均高潮位以上0.45～0.60 m处［1］。

在我国，朱相荣和黄桂桥等在不同海域对浪溅区范围进行了试验测量，结果发现浪溅区约在海水平均高潮位以上0～2.4 m处［2］。我国现行行业规范JTS 153—3—2007《海港工程钢结构防腐蚀技术规范》对海港工程钢结构的部位划分作出了明确规定，如表1所示。

1.2钢结构在浪溅区的腐蚀机理

许多研究发现，浪溅区比大气区和水下区的腐蚀更严重，主要原因是其受到以日光辐照和干湿交替为主的大气因素，以温度变化和氯离子为主的海水因素，以及以海浪和波浪冲击为主的浪流因素3个方面的综合影响［3］。浪溅区处于海洋环境表层，日照充足，昼夜温差大，干湿交替频繁。干燥和润湿时间比例对离子扩散速度有很大影响，干燥时间越长，毛细作用越显著，氯离子渗透速度越大，加上浪溅区含氧量丰富，盐分充足，可加速水膜的形成，水膜的蒸发和凝聚会导致表面盐分浓缩从而导致点蚀［4-5］。浪溅区设施除受到环境物理化学状态影响外，还要经受海流和波浪冲击产生的冲刷作用和附加荷载作用，易发生腐蚀疲劳和应力腐蚀，加快腐蚀行为的发生［6-7］。

处在浪溅区的钢结构腐蚀迅速，除了受外界环境的影响外，还有锈层所起的特殊作用。碳钢形成的锈层比较疏松，空隙和裂缝较多，可贮存空气和海水。侯保荣等［8］通过模拟浪溅区干湿交替环境，发现在润湿过程中锈层作为一种强氧化剂起作用，发生了Fe3+到Fe2+的还原反应；而在干燥过程中，因空气氧化，锈层中的Fe2+又被氧化为Fe3+。经过多次干湿循环，锈层发生了氧化-还原-再氧化的循环反应，从而加速了腐蚀。朱相荣［9］等通过对脱氧和未脱氧下带锈试片的极化曲线进行对比发现：锈层的还原起“去极化剂”的作用，可以加大阴极电流，加速腐蚀。

表1　 海港工程钢结构的部位划分Table 1　The parts division of steel structure in the seaport engineering

2　浪溅区钢结构腐蚀防护技术的应用现状

海洋钢结构的安全使用离不开经济有效的防护措施。由于浪溅区腐蚀的特殊性，国内外从未停止过对钢结构在浪溅区的防护对策研究。经过长期的研究发现，除了不断改善钢结构设计，加入合金元素外，目前采用较多的防护技术有重防腐蚀涂料保护、阴极保护、金属热喷涂保护、热浸镀层腐蚀保护以及包覆层保护等。

2.1重防腐蚀涂料保护

相对常规防腐涂料而言，重防腐涂料适用范围更广，保护期更长。目前常用的重防腐涂料有无机富锌涂料、玻璃鳞片涂料、聚脲弹性体涂料等［1］。

据美国航空航天局报告，水性无机富锌涂料防腐蚀能力明显优于其他种类的富锌涂料。魏向阳［10］通过研究发现：采用水性无机富锌涂料作底漆，配用高固体分复合树脂防腐涂料作面漆，防腐性能更加优越。该配套涂料体系的优越性目前已在大型钢架桥、海岸港口钢结构、大型军用船舶等领域得到实践验证。随着研究的深入，水性无机富锌涂料的性能不断改善，近些年问世的水性无机富锌涂料的模数已经达到5.7，而黏度仅为15～17 mPa·s。

玻璃鳞片涂料主要由无溶剂不饱和聚酯树脂和玻璃鳞片组成。因玻璃鳞片涂料的保护屏障作用较好，已被日本沿海开发技术研究中心推荐用于海洋浪溅区。李敏等［11］研制了一种高固含量厚浆型环氧玻璃鳞片涂料，经过测试发现：其耐盐雾性、耐人工海水性等性能均达到了较高水准，可有效提高海洋钢结构的使用寿命。

黄微波教授［12］选择纯聚脲作为重防腐涂料的主要原材料，采用FTIR（红外光谱）、DSC（差示扫描量热法）等方法，分析了纯聚脲在人工模拟海洋环境、自然曝晒、紫外线人工加速老化环境下的力学性能、光泽度和分子结构的变化，结果显示：相对于普通防腐涂层，其耐蚀性能更加优异，能适应较为严酷的腐蚀环境条件。近年来，该技术已被国内外广泛采用，美国将其用于圣马特跨海大桥、各类舰船、海洋平台等工程；与此同时，我国也已成功将其应用于青岛海湾大桥承台、超大型海岸沉箱装置防腐工程等［13-14］。工程实践应用表明，聚脲防腐涂层凭借其优良的防腐性能、耐老化性能以及耐冲刷性能，可应用于浪溅区钢结构的防护。

2.2 阴极保护

由于钢结构在浪溅区的海水浸泡率过低，不能形成有效的电流回路，因此普通的阴极保护对于浪溅区钢结构的防护具有一定的局限性。

针对这种情况，美国在处于周期性间浸渍部位的钢结构物表面充满锯屑、膨润土之类的吸水物质，或把石膏、膨润土和硫酸钠的混合物包覆在被保护的钢结构表面，再在里面埋设牺牲阳极，使钢结构作为阴极得到充分保护［15］。相对于上述方法，我国黄彦良［16］提出一种更为简单的防护方法，即在钢结构表面引入一层电解质膜，以提供阴极保护电流。

目前在工程实践中对处于浪溅区的钢结构，通常是将阴极保护和涂层保护联合使用，在两者的协同作用下达到较好的防护效果。范卫国等［17］在杭州湾某化工泊位改造工程中，在钢管桩表面采用重防腐涂料保护的同时选用A2I-C型铝合金阳极，取得了较好的防腐效果。

2.3金属热喷涂保护

金属热喷涂保护技术是将加热到熔融或半熔融状态的金属材料高速喷射到基体表面，在表面形成保护涂层的一种技术。

在海洋防护中常用热喷涂锌、铝或其合金涂层等。虽然热喷涂锌涂层使用时间最早，但其耐久性不好，无法提供长时间的保护。相对来说，热喷涂铝涂层具有较好的耐久性和抗冲蚀能力，更加适用于浪溅区。早在1984年，Hutton公司便将热喷涂铝涂层应用在海洋平台工程中，使浪溅区受到保护，未发生腐蚀，从而表明了该涂层防护效果良好。美国海洋土木工程实验室也曾采用试样悬吊的方式对喷铝试样进行了长达10 a的腐蚀试验，结果发现钢桩基本得到良好的保护［18］。王真［19］通过对纯铝涂层耐蚀性的研究发现，纯铝涂层的腐蚀速率会随着时间的延长逐渐变缓，对基体可以起到长期的保护作用。周学杰等［20］对喷锌、喷铝和喷锌-铝涂层进行了对比研究，实海暴露试验结果表明：在浪溅区喷锌-铝合金涂层防蚀效果最好，涂层变化最小；铝涂层其次，有局部脱落；锌涂层最差，有密布的锈点。我国胜利油田曾将锌-铝复合涂层喷涂在部分导管架上，实际使用结果表明：该涂层的防腐蚀效果十分明显。

2.4热浸镀层腐蚀防护技术

热浸镀层是在浪溅区腐蚀防护中常用的另一种方法。这种方法是先将钢材表面进行清洗处理，然后浸入到熔融金属中获得金属镀层。

李焰等［21］曾将热浸镀锌、锌-铝-稀土和锌-铝-硅镀层钢板放置于青岛浪溅区，通过对其进行腐蚀质量损失测试和显微结构分析发现：这3种镀层试样在浪溅区的腐蚀速度均低于在潮差区和全浸区的腐蚀速度，其中锌-铝-硅镀层在浪溅区的抗蚀性能最佳，锌-铝-稀土其次，均优于热浸镀锌层。Koji Tachibana等［22］也曾将热浸镀锌-铝合金镀层钢暴露在海边，结果表明：双镀层耐腐蚀性能明显优于传统的锌镀层。

2.5包覆层保护

包覆层保护通常是指通过在基底材料表面包覆耐蚀性能良好的金属或非金属材料，从而使基底材料与腐蚀介质相隔开，以达到控制腐蚀、延长钢结构使用寿命的一种方法。目前在浪溅区经常使用的有矿脂包覆技术、包覆金属或合金护套、包覆混凝土或其他护套等。

（1） 矿脂包覆技术

矿脂包覆技术是指在钢结构表面首先涂覆具有良好黏着性、非水溶性、防水性、不挥发性、电绝缘性等的矿脂材料，再在外部包覆防护外罩的防腐蚀技术。

矿脂包覆技术起源于1925年英国发明的Denso矿脂防腐蚀系统；20世纪70年代后期，日本研制出一种适用于码头、栈桥及其它外海钢结构浪溅区长期耐久的防腐方法，即复层矿脂包覆防腐技术（Petrolatum Tape and Covering System，简称PTC）；此后中国科学院海洋研究所成功开发了该项技术，并联合日本成功地将PTC新型包覆技术应用于我国胜利油田CB22单平台浪溅区的防腐，取得了满意的效果［23］。

复层矿脂包覆技术由矿脂防蚀膏、矿脂防蚀带、密封缓冲层和防蚀保护罩四层保护层组成，其中矿脂防蚀膏是PTC技术的核心内容，它的性能决定了PTC技术的稳定性和耐久性。钱备［24］采用耐温流动性和锥入度检测方法，结合中性盐雾和电化学交流阻抗试验，对矿脂防蚀膏的基础配方进行了测试优化，发现其抗盐雾腐蚀性受硬脂酸钙含量的影响较大。张坚彬等［25］通过盐雾试验和电化学试验发现，防蚀膏和防蚀带均具有良好的耐蚀性能，可延长保护物的使用寿命。

PTC技术可广泛适用于浪溅区钢结构的防护，以延长其使用寿命。目前，该技术已成功用于我国港口码头、海洋石油平台及海上风电基础结构等工程［23］。其中浙江龙驰防腐技术有限公司在码头靠近海洋平台一侧选择了三根钢管桩进行了示范应用；在某滨海发电厂厂区内钢结构关键部位的防腐蚀施工项目也采用了该技术，呈现出良好的防护效果。

（2） 包覆金属或合金护套

包覆合金护套通常焊接在钢结构表面。目前蒙乃尔合金、铜-镍合金以及不锈钢材料常被用作海洋浪溅区的保护套。

400号蒙乃尔合金是由美国国际镍公司生产研制的。据报道，该合金护套曾被用作外海采油平台浪溅区护板，并在连续使用20 a后依然保持完好，表明其具有优异的耐蚀性能，可广泛应用于海洋钢结构在浪溅区的防护［2］。

铜-镍合金护套具有较低的价格，高度的耐蚀性、可塑性与可焊性等优点，已被广泛应用于国内外海上钢结构浪溅区的防护工程中。在腐蚀环境严酷的英格兰莫克姆湾（Morecambe Bay）采气平台浪花飞溅区的长期应用结果表明，铜-镍合金护套防腐效果良好［15］。

不锈钢护套也常被用作浪溅区防护，这种护套不仅易于焊接，而且具有较好的抗蚀性能与力学性能，故而被许多国家和地区所采用，其中美国的一座海洋采油平台采用不锈钢护套对浪溅区进行保护，取得满意的效果［26］。

（3） 包覆混凝土护套或其他护套

包覆混凝土的方法起源较早，但由于其防护效果良好，至今还有很多国家使用。经研究发现，混凝土包覆层延伸到平均低潮位以下时方可达到最佳的腐蚀防护效果，且混凝土包覆层厚度越大，其防护寿命越长。

在浪溅区的防护有时也会采用其他护套，如德国曾采用橡胶护套。美国Osmos公司海洋组经25 a的研究发现：采用厚0.76 mm的聚氯乙烯带包扎钢管桩得到的防蚀效果较为理想［15］。

3　结语

海洋环境腐蚀条件苛刻，而浪溅区因复杂的物理化学条件，常常是全面腐蚀速率最高的区域。对海洋浪溅区腐蚀机理以及防护措施的研究，可以为处在海洋环境中的钢结构的设计和维护提供有力依据。虽然浪溅区腐蚀与防护研究已经取得大量成果，但浪溅区的防腐蚀技术目前仍是研究的薄弱部分，有待进一步深入。研究防腐蚀效果更好、成本更低的浪溅区防护技术，对保护海洋钢结构工程、开发海洋资源具有重大的战略意义。

1 刘建国.海洋浪花飞溅区钢铁腐蚀过程和修复技术研究［D］.北京：中国科学院研究生院，2010.

2 Zhu X R，Huang G Q，Liang C F. Study on the Corrosion Peak of Carbon Steel in Marine Splash Zone［J］. Chinese Journal of Oceanology and Limnology，1997（4）：378-380.

3 刘薇，王佳.海洋浪溅区环境对材料腐蚀行为影响的研究进展［J］.中国腐蚀与防护学报，2010（6）：504-512.

4 卢振永.氯盐腐蚀环境的人工模拟试验方法［D］.浙江杭州：浙江大学，2007.

5 Bing R，Wang Y X. Experimental Study of Irregular Wave Impact on Structures in the Splash Zone［J］. Ocean Eng.，2003，30（18）：2 363.

6 Ren B，Wang Y X. Numerical Simulation of Random Wave Slamming on Structures in the Splash Zone［J］. Ocean Eng.，2004，31（5-6）：547-560.

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8 侯保荣.海洋钢结构浪花飞溅区腐蚀控制技术［M］.北京：科学出版社，2011：217.

9 朱相荣，王相润，黄桂桥.钢在海洋飞溅带的腐蚀与防护［J］.海洋科学，1995（3）：23-26.

10 魏向阳.新一代水性无机富锌涂料［J］.涂料工业，2007 （5）：40-43.

11 李敏，王秀娟，刘宝成，等.海洋环境防腐蚀玻璃鳞片涂料的研制［J］.涂料工业，2010（1）：49-53.

12 黄微波，谢远伟，胡晓，等.海洋腐蚀环境下纯聚脲重防腐涂层耐久性研究［J］.上海涂料，2013，51（4）：1-5.

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16 黄彦良.一种浪花飞溅区钢铁设施腐蚀防护方法：中国，CN1477232［P］. 2004-02-25.

17 范卫国，李森林，韩秀兰.杭州湾某化工泊位改造工程钢管桩牺牲阳极阴极保护［A］.第十二届中国海岸工程学术讨论会论文集［C］. 江苏南京：中国海洋工程学会，2005：771-773.

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23 侯保荣.钢铁设施在海洋浪花飞溅区的腐蚀行为及其新型包覆防护技术［J］.腐蚀与防护，2007（4）：174-175.

24 钱备.钢结构浪溅区腐蚀防护技术及缓蚀剂在干湿交替下的研究［D］.北京：中国科学院研究生院，2014.

25 张坚彬，杨小刚.复层矿脂包覆技术在滨海电厂钢结构关键部位的防护应用［J］.腐蚀与防护，2011（11）：896-899.

26 陈君，黄彦良，侯保荣.低碳钢在浪花飞溅区的腐蚀防护研究进展［J］.腐蚀科学与防护技术，2012（4）：342-344.

The Research Progress on the Corrosion and Protection of Steel Structure in the Marine Splash Zone

Zhang Xiaoli，Lv Ping，Liang Longqiang，Yang Yang，Feng Yanzhu
（Qingdao Technological University，Qingdao Shandong，266033，China）

The marine splash zone is severely corrosive area in the marine environment，and the corrosion damage of steel structures is rather serious. The range of splash zone，the corrosion behavior and mechanism of steel structures in this area were introduced. The common protection methods including heavy-duty anticorrosive coatings，cathodic protection，metal thermal spraying protection，corrosion protection of hot dip coating and cover protection at home and abroad were introduced in detail.

splash zone；steel structure；corrosion protection

TQ 630.7

A

1009-1696（2016）04-0024-05

2016-02-22

张晓丽，女，青岛理工大学土木工程系，硕士在读。