钢结构及其连接部位包覆防腐蚀技术的应用实践

路东柱， 赵 霞， 高 昌， 翟晓凡， 管 方， 郑 萌， 麻福斌， 侯保荣

(1. 中国科学院海洋研究所 中国科学院海洋腐蚀与生物污损重点实验室， 山东 青岛 266071；2. 海洋腐蚀与防护开放工作室 青岛海洋科学与技术(试点) 国家实验室， 山东 青岛 266237；3. 广西科学院 广西近海海洋环境科学重点实验室， 广西 南宁 530007；4. 中国科学院海洋大科学研究中心， 山东 青岛 266071；5. 南通中科海洋科学与技术研究发展中心， 江苏 南通 226006；6. 山东省港口集团有限公司 青岛港建设管理中心有限公司， 山东 青岛 266409)

0 前 言

腐蚀是一种悄悄进行的破坏[1]。 自然环境中使用的各类材料，都存在不同程度的腐蚀问题。 材料的腐蚀行为很大程度上受所在服役环境的影响[2]。 不同行业的生产活动都或多或少地依赖于材料，因而，各行各业都会遇到材料腐蚀问题，从而出现腐蚀成本。

为了解腐蚀问题究竟对人类的生产生活造成了多大影响，需要对不同领域、不同行业的腐蚀成本进行调查[3]。 中国工程院最新调查结果表明，2014 年，我国腐蚀成本为21 278.2 亿元人民币，约占当年国内生产总值的3.34%[3，4]。 需要不断研发和改进防腐蚀材料和技术，加强腐蚀管理[5]，以降低庞大的腐蚀损失，保障生产生活安全。

钢结构由钢制材料组成，常见的有钢梁、钢柱、钢桁架等。 钢结构之间可采用螺栓、焊接等方式进行连接。 钢结构具有强度高、韧性好、制造安装机械化程度高、节能环保可重复利用等优势。 因此，钢结构在港口码头、海上石油平台、海上风电、油气储运、桥梁塔架、建筑厂房等诸多设施和建筑中得到大量应用。 与此同时，钢结构容易出现腐蚀问题，特别是在潮湿环境和腐蚀性介质中[6]。

腐蚀防护事关安全、经济、民生、生态环保、资源节约[3]。 对钢结构进行有效的腐蚀防护，不仅可以降低腐蚀损失，更可保障人民群众的生产生活安全顺行。提升钢结构耐蚀性的方法有多种，例如，可以添加合金元素提升钢结构本身的耐蚀性[7]。 腐蚀是在材料表面发生的，对钢结构进行表面强化同样能够有效提高钢结构的耐蚀性。 例如，可以通过涂刷重防腐涂料[8]、施加阴极保护[9]、制备耐蚀涂层[10]等方式提高钢结构的耐蚀性[11]。 在“十一五”、“十二五”国家科技支撑计划支持下，中国科学院海洋研究所研发了适用于钢结构及其连接部位的复层矿脂包覆防腐(PTC)技术和氧化聚合包覆防腐(OTC)技术，并对其进行了推广应用，取得了良好的效果[12，13]。

1 复层矿脂包覆防腐(PTC)技术的提出与应用

1.1 浪花飞溅区中钢结构的腐蚀问题

海洋环境可以分为海洋大气区、浪花飞溅区、海洋潮差区、海水全浸区和海底泥土区5 个不同的腐蚀区带[14]，各个腐蚀区带的腐蚀速率不同，其中浪花飞溅区是腐蚀最严重的部位[12]，见图1。 这是因为在这个区域，钢表面受到海水的周期性润湿，经常处于干湿交替状态，氧供应充分，加上阳光、风吹和海水环境的协同作用，从而导致严重腐蚀[15，16]。 一般情况下，钢在海洋大气中的平均腐蚀速率约为0.03～0.08 mm/a；而浪花飞溅区为0.30～0.50 mm/a。 长期在外海暴露的长尺寸试件在浪花飞溅区中的腐蚀速率甚至可达1.00 mm/a 以上，而在低潮位以下-0.30 m 海洋全浸区中的腐蚀速度仅为0.10～0.30 mm/a。 也就是说，同一种钢在浪花飞溅区的腐蚀速度为海水全浸区中腐蚀速度的3～10 倍。

图1 广西北海海域3 种钢173 d、400 d 的腐蚀情况[12]Fig. 1 The corrosion rates of 3 typical steels immersed in the sea near Beihai， Guangxi for 173 and 400 d respectively[12]

浪花飞溅区中的钢桩极易发生腐蚀问题，且可引发腐蚀穿孔，如图2，日本某码头建成仅20 a 就发生了倒塌，原因就是浪花飞溅区钢桩腐蚀减薄，钢桩承载力下降。

图2 浪花飞溅区钢结构腐蚀严重Fig. 2 The severe corrosion of steel structures in the splash zone

图3 所示为一个轮渡码头，在海洋大气区和浪花飞溅区均采用了涂料防护。 可见，同样的时间、同样的地点、同样的环境中，海洋大气区中涂料基本完好，而浪花飞溅区钢结构表面却有厚厚的锈迹。 这说明浪花飞溅区中材料的腐蚀较其他区带更为严重。 所以，对于浪花飞溅区中的钢结构应当采用更有效、更有针对性的防腐蚀方法。

图3 涂层在海洋大气区和浪花飞溅区防护效果对比Fig. 3 The protective effect of coatings in the marine atmosphere zone and the splash zone

针对海洋钢结构所采用的防腐措施，水上部分以防腐涂层为主，水下部分采取防腐涂层和阴极保护技术相结合的方式，但钢结构腐蚀最严重的浪花飞溅区却一直没有成熟有效的防腐措施。 一旦钢结构在这个区域发生严重的局部腐蚀破坏，会大大降低设施整体承载力、缩短使用寿命、影响生产安全，甚至导致设施提前报废和人员伤亡。 因此，浪花飞溅区钢结构腐蚀问题是海洋建构筑物的短板，它是海洋建构筑物安全与寿命最重要的限制因素之一。

为找寻浪花飞溅区钢结构腐蚀问题的解决良策，侯保荣院士团队在国内外进行了大量走访、考察、调研，比较了多种浪花飞溅区钢结构的潜在防腐技术[12]。

(1)涂料 涂料价格便宜，施工方便。 但是在浪花飞溅区，普通涂料防护寿命短，防护效果有限，在役的涂层修复十分困难。

(2)加厚钢板 又称预留腐蚀余量。 但这种方法会出现焊缝腐蚀与点蚀，且会增加结构物载重。

(3)阴极保护:阴极保护在海水全浸区的保护效率可达95%以上，但在浪花飞溅区，由于海水不能触及形成回路，防护效果较差。

(4)耐海水钢:耐海水钢可以有效提高钢的耐蚀能力，但价格较高；且同一种材料在海洋大气区、浪花飞溅区及海水全浸区等不同环境中的腐蚀程度也有差异。

(5)不锈钢包覆:防护效果好，预计防护寿命可达100 a。 但不锈钢和钢材的焊接处极易发生焊缝腐蚀，同时包覆成本太高。

(6)单纯玻璃钢包覆:可以采用玻璃钢外壳直接进行保护，价格相对便宜，但防腐蚀效果差，一旦玻璃钢进水，容易发生缝隙腐蚀，腐蚀更为严重。

1.2 复层矿脂包覆防腐蚀(PTC)技术

中国科学院海洋研究所在长期理论研究及防腐技术考察调研的基础上，研发了PTC 技术，能够有效解决浪花飞溅区钢结构防腐难题。 PTC 技术由4 层紧密相连的保护层组成，即矿脂防蚀膏、矿脂防蚀带、密封缓冲层和防蚀保护罩，见图4。 其中矿脂防蚀膏、矿脂防蚀带是复层矿脂包覆防腐技术的核心部分，含高效缓蚀成分，能有效阻止腐蚀性介质对钢结构的侵蚀，并可带锈、带水施工。 普通涂料需要较长的固化时间，而PTC 技术无需等待固化、可连续施工、节约时间。 密封缓冲层和防蚀保护罩具有良好的整体性能，不但能够隔绝海水，还能够抵御机械损伤对钢结构的破坏。 采用的材料无溶剂、无有毒添加剂，绿色、环保、无污染。

图4 复层矿脂包覆防腐(PTC)技术结构示意图Fig. 4 A schematic diagram of the petrolatum tape covering (PTC) system

海洋环境中的复层矿脂包覆防腐体系不易在碰撞和刮擦外力作用下出现破坏，防护周期长，这使其在钢结构长寿命周期中实现了较低的整体成本[13]。

中国科学院海洋研究所等单位起草了国家标准GB/T 32119-2015“海洋钢铁构筑物复层矿脂包覆防腐蚀技术”，对PTC 技术的材料性能、施工工艺、检验与验收进行了规范，该标准已于2015 年10 月9 日发布，并于2016 年5 月1 日开始实施。

表1 矿脂防蚀膏部分性能指标及测试标准Table 1 Some performance indicators and test standards of the petrolatum anticorrosion grease

与常规重防腐涂料相比，矿脂防蚀膏长期保持非固化状态，与被保护结构物接触良好。 复合防锈剂中不同种类的极性基团和非极性基团彼此交错，在金属表面形成致密分子膜，起到防锈及缓蚀作用。 部分涂料可能在外力作用下出现划伤，而本防护体系中矿脂防蚀膏并不直接承受外界剪切和撞击，不会影响矿脂防蚀膏在金属表面分布的完整性、均匀性和连续性。在外侧防蚀保护罩等部件的遮盖下，矿脂防蚀膏也不会受到光线的直接照射，耐老化性能好。

1.2.2 矿脂防蚀带

矿脂防蚀带是一种在人造纤维制成的聚酯纤维布内外浸渍特制防蚀材料而制成的带状防腐材料。 纤维布是矿脂防蚀带的载体材料，除了具有良好的力学性能外，还具有良好的疏水性能和延伸性能。 矿脂防蚀带所含防蚀材料具有和矿脂防蚀膏相似的成分及性能，除了防蚀作用外，还能够增强密封性能，提高防腐层整体的强度及柔韧性。 普通型矿脂防蚀带性能及其试验指标见表2。

表2 矿脂防蚀带部分性能指标及测试标准Table 2 Some performance indicators and test standards of the petrolatum anticorrosion tape

与常规冷缠带相比，矿脂防蚀带内外两侧都有防蚀材料，同时，耐蚀材料不固化，可长久保持密封和强化防蚀的效果。 此外，矿脂防蚀带并不直接承受外界机械力，在密封缓冲层和防蚀保护罩的环抱下，矿脂防蚀带不会出现卷曲、翘皮等现象。

1.2.3 密封缓冲层

密封缓冲层是指安装在矿脂防蚀带和防蚀保护罩之间起到密封、缓冲外界冲击作用的材料。 施工时一般事先安装在预制防蚀保护罩的内部，是复层矿脂防腐技术中4 层防护体系的重要环节。 密封缓冲层还可以起到密封作用、缓冲作用、结构误差调整作用。

密封缓冲层材料应当具备以下特征:致密性好，腐蚀介质不易渗漏；压缩及回弹性好，永久性变形小；高温下不软化、不分解，低温下不硬化、不断裂；耐蚀性好，不易黏附在金属表面；耐老化性好；加工方便，价格低廉。 典型密封缓冲层材料有:橡胶、聚乙烯泡沫等有机材料，棉、麻等植物纤维，石棉等矿物纤维，合成纤维等人造纤维。

1.2.4 防蚀保护罩

防蚀保护罩是采用玻璃钢或增强玻璃钢制备的高强度防护外壳。 玻璃钢或增强玻璃钢具有优秀的强度和持久性。 玻璃钢一般采用玻璃纤维加固的不饱和聚酯树脂制成。 2 片外壳之间通过不锈钢螺栓和不锈钢螺母紧固。 防蚀保护罩下部安装钢制支撑卡箍，钢制支撑卡箍可确定防腐位置并可防止防蚀保护罩受外力作用下滑。 在防蚀保护罩两端与钢桩结合处，采用水中固化树脂进行密封，防止侵蚀性介质渗入。

防蚀保护罩的制作与安装可分为预制防蚀保护罩、现场安装，及现场制作防蚀保护罩并安装2 种。 与单纯玻璃钢包覆相比，由于PTC 技术玻璃钢防蚀保护罩内部有柔性的矿脂防蚀膏、矿脂防蚀带和密封缓冲层，整个结构与钢桩贴合性更加紧密，避免了刚性结构件之间缝隙的出现和侵蚀性介质的渗入。

1.3 PTC 技术在钢结构防腐中的应用

1.3.1 PTC 技术在海上平台防腐中的应用

渤海海域某石油平台基础部分由导管架和钢桩2部分组成，该平台位于浅海海域，会受到黄河水和泥砂的磨蚀，同时，冬季的流冰也会对钢结构造成破坏。 调查发现该平台桩腿的浪花飞溅区出现明显锈蚀和海生物附着，局部保护层下腐蚀严重。 在节点处和其他结构连接处出现明显的大面积腐蚀和局部腐蚀，存在鼓包和保护层破损等现象。 井口套管由于没有进行任何保护，锈蚀十分严重。

考虑到平台的长期安全运营，针对浪花飞溅区的严重腐蚀问题，采用PTC 技术进行修复处理。 本工程在距离平均低潮位+3.2 m 和+2.2 m 的位置分别安装了一组PTC 防护试片，这些试片与相同位置的未防护试片构成对照，如图5 所示。 PTC 包覆工程完成4 a后，+3.2 m 和+2.2 m 处的未防护试样腐蚀严重，表面布满了红褐色腐蚀产物。 参考标准GB/T 16545-1996对试片进行处理和分析，结果如表3 所示。 不同位置处受PTC 防护的试样腐蚀速率明显低于未防护试样。这说明PTC 适用于海上平台钢结构的防腐[15]，且其防腐效果优异。

图5 渤海海域某石油平台PTC 防护对比Fig. 5 A PTC protected platform in the Bohai bay

表3 试片腐蚀速率及缓释率Table 3 The corrosion rates and corrosion inhibition rates of specimens

1.3.2 PTC 技术在港口码头防腐中的应用

(1)大连北良港石化码头钢管防腐工程 大连北良港泊位码头的桩柱原为涂料防腐，部分桩柱存在明显修补痕迹，但整体腐蚀情况严重，存在安全隐患。 部分桩柱被货船撞断后，引起重视，全部采用PTC 技术进行修护，总面积12 800 m2，如图6a 所示。

(2)华能丹东电厂煤码头钢桩防腐工程 丹东港位于黄海北部(40°N/124°E)，有鸭绿江等河流汇入，沿岸海水盐度较低，海水易结冰。 冰期发生时间早、延续时间长；海冰覆盖范围广，盛冰层厚度大，浮冰厚度一般在40～50 cm。 受潮流影响，浮冰随涨落潮往复运动。 丹东港的潮汐属半日潮。 涨潮时浮冰量逐渐增多，大量滩冰被带入航道，块大坚硬滩冰会对码头钢桩造成伤害。

丹东华能电厂煤码头自1998 年开始运营，至现场考察时码头钢管桩已出现大面积腐蚀，之前的防腐层多已鼓泡、剥离，局部腐蚀非常严重，急需修复，如图6b所示。 选用PTC 技术对其进行包覆防腐，如图6c 所示。 包覆工程完成3 a 后，进行回访调研，PTC 技术包覆的钢桩抗冰、抗冲击能力强，PTC 防护材料及其防护 的钢桩在3 a 冰期结束后没有出现任何破损。

图6 港口码头钢桩防腐工程Fig. 6 The anticorrosion engineering projects to protect steel pipe piles at various ports

(3)天津港联盟国际码头钢桩防腐工程 天津港联盟国际码头钢桩进行了PTC 技术防腐施工，水下部分由潜水员进行带水施工。

(4)青岛港液体化工码头 2007 和2009 年分别对青岛港液体化工码头钢管桩进行了腐蚀修复工程。2016 年现场打开包覆8 a 青岛港液体化工码头某钢桩，进行包覆效果验证。 结果表明，在严酷的海洋腐蚀环境下，PTC 包覆层多年后依然能够保持完整，钢桩光滑无锈迹，防护效果良好。 2019 年9 月，在首次包覆12 a 后，再次进行现场调查。 没有采用复层矿脂包覆防腐的钢桩，表面涂层破损严重，锈迹斑斑，腐蚀非常严重；而PTC 技术防护的钢桩防蚀防护罩非常完整，无任何破损现象，状态完好。

(5)宁波中化兴中码头 2011 年，对宁波中化兴中码头进行了PTC 腐蚀修复工程。 包覆工程结束2 a后，对包覆层进行打开验证，内部钢桩无锈蚀；2019 年再次对PTC 技术8 a 防护效果进行现场检查，防护罩完整、光洁，无褪色、无破损。

1.3.3 PTC 技术在桥梁锚碇及桥梁钢桩防腐中的应用

锚碇是悬索桥的主要承重构件之一，锚碇系统的安全性、稳定性和耐久性对悬索桥的安全运营起到至关重要的作用。 然而，由于锚室长期处于强拉力作用下，时常会发生裂隙发育、透水等现象，导致腐蚀介质入侵。 这些介质加速了锚碇系统、预应力筋和主缆等关键部件的腐蚀，缩短其疲劳寿命，如图7a 所示。 如果腐蚀进一步加重，则会导致预应力筋和主缆突然断裂，造成悬索桥全桥受力体系的破坏，甚至造成桥梁垮塌。 同时，也有很多桥梁采用钢管桩承重，需要对钢管桩进行腐蚀防护。 PTC 技术本身耐水、耐蚀、隔绝腐蚀介质、长效防护性能良好，适用于桥梁防腐。

(1)柳州红光大桥锚碇防腐 2016 年9 月，采用矿脂防蚀膏、矿脂防蚀带和现场原位制作的玻璃钢防蚀罩，对柳州红光大桥的锚碇部位进行了整体防护，效果优良。 包覆后的锚碇如图7b 所示。

图7 锚碇PTC 包覆前后对比照片Fig. 7 The anchor before and after the PTC covering

(2)杭州湾大桥钢管桩防腐 2019 年8 月，杭州湾大桥发展有限公司组织施工、监理单位对PTC 包覆近6 a 的的钢管桩进行检查，钢桩被保护部位无锈迹，PTC技术防腐效果优异。 PTC 材料仍保持原有状态，防蚀保护罩外表面光滑，海生物附着程度大为降低，矿脂防蚀带完好且紧密贴合，矿脂防蚀膏均匀完整地附着在钢桩表面，基本保持原始状态，油膜整体完好。

1.3.4 PTC 技术在海上风电装置防腐中的应用

我国风电的蓬勃发展势头有目共睹。 发展海上风电必须面对海洋环境的腐蚀问题。 严重的腐蚀不仅会造成海上风电装备的腐蚀损坏和功能丧失，还可能导致安全事故，造成重大经济损失。 因此必须采取针对性腐蚀防护措施，保障海上风电装备安全运行。

PTC 技术被用来防护浪花飞溅区中海上风电装置结构件。 以江苏龙源风电为例[17]，从2013 年示范工程至今，共完成5 期风电基础钢桩防腐修复工程，总面积达9 000 m2，证实了PTC 技术的长效、免维护性。

1.3.5 PTC 技术在埋地管道防腐中的应用

埋地管道作为油气的传输载体是地面工程的重要设施之一，也是连接上游资源和下游用户的纽带。 由于长期埋于地下，在外界土壤特性及地形沉降等因素影响下，管道可能发生腐蚀、穿孔、泄漏。 管道外防腐技术的采用和施工质量直接关系到管道的安全运行和使用寿命。

PTC 技术在埋地管道等其他潮湿和复杂的土壤环境中也有广阔的应用空间和良好的应用前景。 对埋地管道来说，由于地下不产生碰撞，管道包覆无需密封缓冲层和防蚀保护罩，只用防蚀保护PE 带即可。 矿脂防蚀膏含稠化剂，因此，矿脂防蚀膏在保持非固化的同时，还具有良好的耐高温和黏度等性能，不会因挤压等应力作用而从结合部位流出。 2016 年，东营港终端的埋地管道就采用PTC 技术进行了防护。

1.3.6 PTC 技术在管道补口防腐中的应用

在管道防腐中，节点补口是管道防腐最为薄弱的环节之一，尤其对服役于环境恶劣的管道，管道节点补口的腐蚀防护性更为重要。

矿脂包覆防腐技术用于管道补口，采用“矿脂防蚀膏+矿脂防蚀带+防蚀保护带”工艺体系，防蚀保护带一般采用厚度大于0.5 mm 的PE 带，无需玻璃钢外壳。2018 年10 月，中石化销售有限公司华南分公司输油管道焊缝补口采用PTC 技术进行了防护。

1.3.7 PTC 技术在法兰阀门防腐中的应用

法兰阀门PTC 防腐可采用“矿脂防蚀膏+矿脂防蚀带+胶泥+防蚀保护带”体系，防蚀保护带采用PE带。 2017 年，珠三角成品油输油管道部分三通法兰采用PTC 技术进行防护。 2018 年，蒙自输油管理处输油站也采用PTC 技术对法兰进行了防护。

1.3.8 腐蚀试验场长周期暴露试验

(1)青岛腐蚀试验站 2013 年8 月，在国家材料环境腐蚀平台的青岛腐蚀试验站，分别对直径0.8，1.0，1.2，1.4 m 的带锈钢桩进行了PTC 包覆。 2017 年8 月，选取了直径0.8 m、高度2.5 m 的包覆钢桩进行了现场验证。 结果显示，4 a 后，长期暴露在青岛滨海大气环境中的保护罩没有变形褪色，没有发现防蚀膏的明显渗漏，外层固定的螺栓也没有松动。 打开防蚀保护罩，矿脂防蚀带完好无变色。 打开矿脂防蚀带，矿脂防蚀膏完好，触摸矿脂防蚀膏后，防蚀膏油性十足。 擦除矿脂防蚀膏，被防护的钢桩基体表面无锈迹。 与此形成鲜明对比的是，直接暴露在大气环境中的钢桩仅2 a 就已布满锈迹。

在大气暴晒场中包覆8 a 的阀门，在没有外保护罩的情况下，防腐蚀带保持完整，揭开防蚀带后，防腐蚀膏油性十足，内部基体无锈迹。

(2)南海某腐蚀试验场 为配合我国海洋战略，在南海某腐蚀试验场对钢管进行了PTC 包覆验证试验。防护24 个月后，打开防腐层可见，经过防腐保护的钢管表面没有锈蚀，仍是金属原色。

2 大气区异形钢结构包覆防腐技术的提出与应用

金属材料在大气环境中受湿度、盐分及腐蚀性气体的影响，会出现多种腐蚀问题，这些腐蚀问题可显著降低金属构筑物的寿命，影响使用安全。 特别是海洋大气和工业大气环境，更易出现腐蚀问题。 海洋大气与陆地大气相比，湿度更大，且存在含盐液滴。 同时，在海洋大气中的金属表面常有真菌、霉菌等附着物，增强了环境的腐蚀性。 工业大气环境中，常有二氧化硫、二氧化碳等有害气体，这些气体也会促进金属的腐蚀。

2.1 大气区异形钢结构的腐蚀问题

钢构筑物由于成分、形状和结构的变化，在一些部位容易出现腐蚀短板，这些部位包括但不限于桥梁钢索和吊杆、焊接部位、螺栓螺母、球形节点、法兰等异形部位及储罐边缘板等，如图8 所示。 这些部位由于形状不规则，存在较多的缺陷、缝隙、棱角，表面凹凸不平，易积存水、盐分等腐蚀性介质，极易发生应力腐蚀、电偶腐蚀、缝隙腐蚀和晶间腐蚀，不仅会影响使用安全，甚至会造成严重的安全事故。

图8 大气区异形钢结构的腐蚀问题Fig. 8 The corrosion of irregular shaped steel structures exposed in air

我国斜拉桥和悬索桥日益增多，桥体钢索常年处于大气腐蚀性环境中，并长期在高应力负荷下工作，容易发生腐蚀。 斜拉桥的使用寿命，很大程度上取决于钢索自身的抗腐蚀能力。 因桥梁拉索断裂造成桥梁垮塌的严重事故，也曾有发生。 桥梁拉索病害已严重威胁着桥梁的安全。

螺栓螺母是普遍采用的连接件，也是固定和连接钢构筑物部件的重要零件，由于不同金属之间电位不同，且存在较多缝隙，极易发生腐蚀，降低钢结构性能。如不及时处理，腐蚀会进一步发展，带来安全隐患。

处于海洋大气和工业大气交叉环境中的法兰，不仅受到大气中水分子和盐分等腐蚀性粒子的侵蚀，还受到二氧化硫等酸性气体成分的腐蚀，这些因素引起厂区中管道、阀门和法兰等设施的严重腐蚀。 法兰形状、结构复杂，因此对防腐蚀技术要求较高。

在储罐运行和环境温度发生变化时，罐底外边缘板产生立体移位，罐底板与基座之间存在缝隙，水、氧和腐蚀性介质很容易通过这个缝隙进入底板下部，诱发电化学腐蚀，造成底板腐蚀穿孔，直接影响油罐寿命。

焊缝金属和热影响区由于熔化过程而导致焊缝切面上金属成分和显微结构的微小差别，引起不同区域之间成分和结构的不均匀，因此，焊缝区及周边容易发生电偶腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀等，从而导致结构承载力下降或管道泄漏。

球形节点网架结构是指用球做节点，钢管做杆件的网架结构。 球形节点钢制网架结构具有大跨距、高强度、低重量、造型美观、无需支撑等特点。 但其形状、结构复杂，对防腐蚀技术要求较高。

2.2 氧化聚合包覆防腐蚀(OTC)技术

桥梁钢索、焊接部位、螺栓螺母、球形节点、法兰以及储罐边缘板等由于形状结构特异，腐蚀问题往往会严重，是大气区钢结构腐蚀防护的短板，必须引起足够的重视，并需要采用一种具有针对性的、长效且工艺简单的防腐蚀技术对其进行保护。

涂料虽是大气区钢结构最常用的防腐手段，具有成本低、工艺简单等优点，但传统的防腐涂料施工对基体表面处理要求高，而螺栓、法兰等异形节点因形状不规则，难以达到表面处理要求。 另外，涂料施工时，很容易出现流挂、漏涂等现象，很难使这些异形和边缘部位的涂层达到足够厚度。 因此，这些部位的涂层容易出现鼓泡、剥落；由于失效涂层和锈层难以去除，后期维护费用高，防护效果不理想。

氧化聚合包覆防腐蚀(OTC)技术可以很好地解决以上难题[18]。 OTC 由氧化聚合防蚀膏、氧化聚合防蚀带及外防护剂3 层配套体系组成，如图9 所示。 氧化聚合防蚀膏、氧化聚合防蚀带的缓蚀剂中含锈转化成分，表面处理要求低，可带水、带锈施工；外防护剂和氧化聚合防蚀带与空气接触的一侧，氧化聚合形成坚韧皮膜，具有良好的耐老化性能；粘贴在金属结构表面的一侧，则长久保持非固化、柔软的状态，广泛适用于各种复杂形状的结构、设备，又称为“可粘贴的重防腐涂料”；材料结构位移追随性好，也适用于有震动、移动的结构；防火性能优越，符合消防难燃标准；绿色、环保、无污染，防腐寿命长。

图9 氧化聚合包覆防腐(OTC)技术结构示意图Fig. 9 A schematic diagram of the oxidizable tape covering (OTC) system

中国科学院海洋研究所等单位起草了国家标准GB/T 32120-2015“钢结构氧化聚合型包覆防腐蚀技术”，该标准对OTC 技术的材料性能、施工工艺、检验与验收进行了规范，该标准已于2015 年10 月9 日发布，并于2016 年5 月1 日开始实施。

(1)氧化聚合防蚀膏 氧化聚合防蚀膏是以高分子聚合物为主体，包含主剂、缓蚀剂、防锈剂、无机填料等，经混合、加热搅拌、冷却、分装等工艺加工制成的膏状无溶剂型防腐产品。 氧化聚合防蚀膏是氧化聚合包覆技术的核心材料，位于最内层，与被保护的金属基体直接接触，所含锈转化成分能将钢结构表面残余铁锈转化为黑色的氧化亚铁膜，形成保护性封闭层，防止钢铁继续氧化、锈蚀，起到除锈、防锈双重作用。 氧化聚合防蚀膏部分性能指标见表4。 与PTC 技术中的矿脂防蚀膏相比，氧化聚合防蚀膏采用了不同的主剂，因而其外观与性能亦与之有别。

表4 氧化聚合防蚀膏部分性能指标及测试标准Table 4 Some performance indicators and test standards of the anticorrosion grease in the OTC system

(2)氧化聚合防蚀带 氧化聚合防蚀带以无纺布为载体，在含有防锈剂、填料等的化合物中浸渍制成的带状防蚀材料。 氧化聚合防蚀带非常柔软，可粘贴到各种复杂形状的结构表面。 施工后氧化聚合防蚀带外表面通过氧化聚合作用变得干燥，而紧贴钢结构的一侧始终保持柔软状态，从而达到最佳防腐性能。 氧化聚合防蚀带密封性良好，可将金属基体与水分、盐分、空气等腐蚀性介质和物质隔离，从而达到最好的防护性能。 此外，氧化聚合防蚀带还具有良好的阻燃性和耐候性。 氧化聚合防蚀带部分性能指标见表5。

表5 氧化聚合防蚀带部分性能指标及测试标准Table 5 Some performance indicators and test standards of the anticorrosion tape in the OTC system

(3)氧化聚合外防护剂 外防护剂是以水性乳液为基料，添加惰性无机填料、颜料等制成的防护材料。涂刷在氧化聚合防蚀带表面，与空气接触后，在较短时间内氧化聚合成坚韧、完整的皮膜，具有耐候、密封性能，可有效防止紫外线照射老化和腐蚀介质侵入。 氧化聚合外防护剂部分性能指标见表6。

表6 氧化聚合外防护剂部分性能指标及测试标准Table 6 Some performance indicators and test standards of the polymerizable agent in the OTC system

2.3 OTC 技术在大气区异形钢结构防腐中的应用

2.3.1 法兰连接OTC 防腐实践

(1)海南某卫星发射中心防腐工程 海南某卫星发射中心毗邻大海，承担重要航天器的发射任务。 然而，该发射中心遇到2 大问题，一是台风，二是腐蚀。该发射中心处于高温、高湿、高盐、高日照辐射的恶劣自然环境中，结构物的稳定性受到极大影响，且台风时常经过，随时危及发射安全。

该发射中心避雷塔法兰盘存在腐蚀问题，2018 年，采用OTC 技术对法兰盘进行了防护。 截止2019 年底，已完成全部8 个塔的OTC 包覆防腐施工，取得了良好的应用效果。 竣工验收时，对OTC 包覆防护15 个月的部位进行了检查，同时对火箭气流可能冲击部位进行了巡查，发现包覆层保持原样，无任何破损。

(2)丹东华能电厂防腐工程 丹东华能电厂处于海洋大气和工业大气交叉环境中，大气中不仅有水分子和盐分等腐蚀性粒子，还存在二氧化硫等酸性气体成分，引起厂区中管道、阀门和法兰等设施的严重腐蚀。 后选用OTC 技术对法兰等异形构件进行包覆，隔绝了腐蚀介质，阻断了腐蚀过程。

此外，大连红沿河核电站、大连港、南海某波浪能装置等都采用OTC 技术对法兰进行了包覆防腐，取得了良好的效果。

2.3.2 焊接部位OTC 防腐实践

大连国际会议中心是展示大连现代化形象的重要工程。 会议中心从2008 年起，开工建设3 年半时间，尚未完工，就已发现钢网架结构腐蚀问题，其中焊接部位腐蚀尤为严重，成为亟需解决的安全隐患。 经专家现场考察及论证，推荐OTC 进行焊缝包覆防腐。 2014年，OTC 包覆工程完成，既保证了钢结构的耐久性，又保持了其外观。

2.3.3 储罐边缘板OTC 防腐实践

(1)湛江港散粮筒仓防腐工程 散粮筒仓罐体易受力变形，在边缘板处存在缝隙，易产生缝隙腐蚀。 对储仓边缘板进行OTC 包覆防腐。 包覆后的边缘板表面形成保护性封闭层，为边缘板提供了良好的防护。

(2)台州三门核电防腐工程 三门核电项目规划建设6 台125 万千瓦的核电机组，总装机容量750 万千瓦，分3 期建设。 一期工程于2009 年4 月正式开工，是我国三代核电自主化依托项目，也是浙江省有史以来投资最大的单项工程。 2019 年10 月，采用氧化聚合包覆技术对储罐边缘板进行防护，效果良好。

(3)中石化油储罐防腐工程 2019 年，中石化华南销售公司在茂名站、北海站等成品油储罐边缘板部位采用OTC 技术进行防腐，取得了良好的应用效果。

(4)淄博华伟银凯防腐工程 淄博华伟银凯公司原料储罐外面包裹一层保温层，因保温层渗水，储罐边缘板底部存在大量积水，造成边缘板严重腐蚀，见图10a。 为保证生产安全性并延长储罐使用寿命，对10余个储罐的边缘板进行了OTC 包覆防护，见图10b。

图10 储罐边缘板OTC 防护前和防护后对比照片Fig. 10 The ledges of tanks before and after the OTC protection

2.3.4 螺栓螺母OTC 防腐实践

(1)天津LNG 管廊防腐工程 天津LNG 管廊地脚螺栓位于钢构筑物底部，由于结构原因，雨水等腐蚀性介质很容易在地脚螺栓处聚集、浓缩，形成恶劣的腐蚀环境，极易发生腐蚀，威胁管廊钢结构的耐久性和安全性。 码头同步建设时，对螺栓及储水罐进行了OTC 包覆防腐技术施工，包覆螺栓约6 000 余个。 5 a 后，相关单位组织对OTC 包覆的地脚螺栓进行拆验，证实了OTC 优异的防腐性能。

(2)秀山大桥OTC 防腐工程 秀山大桥位于舟山市岱山县，全长3 063 m，双向四车道。 岱山属北亚热带南缘季风海洋性气候，高温、高盐、高湿的环境的环境使大桥面临非常严峻的腐蚀环境。 大部分沿海桥梁建设期间，未作特殊防腐处理的螺栓螺母在施工结束之前就普遍存在锈蚀现象。 2019 年9 月，对秀山大桥防撞护栏底座(8 284 套)、路灯底座(206 套)和检修护栏底座(1 982 套)基础上连接螺栓进行了OTC 防腐施工，总面积约1 600 m2。

2.3.5 桥梁防水套OTC 防腐实践

桥梁吊杆防水套的腐蚀问题也是桥梁工程建设中必须考虑的重要问题。 桥梁拉索长期暴露在自然环境中，除了常年遭受大气环境的腐蚀，并还要受到汽车尾气及滨海环境中SO42-， Cl-等腐蚀性物质的侵蚀。 作为拉索和桥梁的连接点，桥梁的防水套的使用寿命至关重要。 由于防水套不能更换，一旦防水套出现严重腐蚀则必须全部拆掉更换，工程量浩大，不仅需要中断交通，而且会花费巨额费用。 为避免不必要的损失，对青岛跨海大桥的吊杆防水套进行了OTC 包覆防腐。

2.3.6 球形节点OTC 防腐实践

(1)汕尾热电厂防腐工程 球形节点具有大跨距、强度大、质量轻、造型美观、无需支撑等特点。 然而由于球形节点的形状不规则，难以进行喷砂等表面处理，涂料在此容易发生剥落，需要经常进行后续维护；后续施工时必须将原来的涂层和锈层去除，表面处理复杂，后期维护费用高，防护效果不理想。 汕尾热电厂采用了OTC 包覆技术对结构复杂的球形节点进行了良好的防护，OTC 包覆前和包覆后对比照片见图11。

图11 球形节点OTC 防护前和防护后对比照片Fig. 11 The spherical joints before and after the OTC protection.

(2)广西金川有色金属公司原料仓防腐工程 广西金川有色金属有限公司原料仓钢结构腐蚀严重。 经过充分调研、论证，并从设施全寿命周期管理维护成本考虑，最终选用OTC 包覆防腐技术，分别于2017 年和2019 年对原料仓钢结构球型节点部位进行了包覆防腐。

2.3.7 OTC 技术暴露试验验证

(1)青岛腐蚀试验站 2013 年5 月在青岛土壤环境腐蚀国家野外科学观测研究站对螺栓进行了OTC 包覆对比试验。 时隔6 a，2019 年7 月对进行包覆的螺栓螺母进行实例分析。 外防护层在螺栓表面聚合成一种坚韧的皮膜，皮膜具有良好的密封性能，没有出现老化、龟裂现象，有效防止了紫外线照射老化和腐蚀介质进入；而防护层内部非常柔软。 用手感知皮膜可知，外部皮膜坚韧而内部仍保持柔软状态。

用金属刀将防护带割开，去除防蚀带、防蚀膏，可以看到螺栓表面没有任何锈迹，而没有进行OTC 包覆的螺栓已满是锈迹，如图12 所示。 这证实了OTC 包覆防腐技术优异的防腐效果，为螺栓提供了良好的防护。

图12 青岛大气腐蚀试验场OTC 防护螺栓与未防护螺栓对比照片Fig. 12 The bolts with and without an OTC system at a corrosion test site in Qingdao

(2)三亚腐蚀试验站 三亚海洋环境试验站位于三亚市天涯镇红塘湾海滨。 2014 年10 月，在三亚海洋环境试验站进行了螺栓OTC 包覆。 2019 年12 月对进行包覆的螺栓螺母进行实例分析，发现外防护层在螺栓表面聚合成一种坚韧的皮膜，皮膜具有良好的密封性能，并且皮膜没有出现龟裂、老化现象，有效防止了紫外线照射老化和腐蚀介质进入。 用手感知皮膜可知，外部皮膜坚韧而内部仍保持柔软状态。 用金属刀将外防护带割开，去除防蚀带和防蚀膏，观察到OTC 包覆的螺栓表面有金属光泽，没有任何腐蚀，无OTC 防护的螺栓已锈迹斑斑。

(3)南海某腐蚀试验站 在南海某腐蚀试验站，经过24 个月大气暴晒试验，结果显示OTC 技术具有良好的耐老化、耐腐蚀性能。 从外观来看，包覆了OTC 材料的螺栓表面未有开裂、剥落等现象。 打开OTC 防腐层，擦掉表面的防蚀膏，可以看到螺栓表面光亮如新，对比未保护的螺栓，防护效果明显。

(4)南海工程应用效果验证 海南三沙某岛屿处于南海高温、高湿、高盐、高日照辐射恶劣的腐蚀环境中，异形钢结构腐蚀非常严重。 2018 年7 月，对岛上部分异形钢结构进行防腐工程示范。 17 个月后对OTC防护状况进行检查，OTC 防护材料在经历数次台风等恶劣天气考验后依然完好，无任何破损。

3 总 结

海洋环境浪花飞溅区中的钢结构腐蚀最为严重，常见的涂层或阴极保护等技术难以解决浪花飞溅区中钢结构的腐蚀问题。 涂层在波浪反复拍打撞击及严酷腐蚀环境下容易出现脱落，而阴极保护技术更适宜于解决一直浸没在海水中的钢结构的腐蚀问题。 复层矿脂包覆防腐(PTC)技术采用4 层结构，内层矿脂防蚀膏可在钢结构表面形成保护膜，矿脂防蚀带包裹层不仅增强了密封性，还提高了体系的强度和柔韧性，密封缓冲层使内部矿脂防蚀膏、矿脂防蚀带与外侧的刚性防蚀保护罩紧密结合，而最外侧的防蚀保护罩可防止外力破坏内层防腐体系。 这使得PTC 防腐体系不仅能够抵抗冰层和船舶撞击等外力，内层还能够长久保持非固化状态，保持良好的防腐效果。

异形钢结构经常处于2 个或多个钢结构的搭接处。 在钢结构搭接处，由于材料的成分、组织常有差别，且存在尺寸差异和缝隙，易出现腐蚀问题。 因该处形状不规则，且腐蚀诱因复杂，采用传统的防腐蚀技术难以取得良好的效果。 氧化聚合包覆防腐(OTC)技术对异形钢结构部位进行整体包裹，内层氧化聚合防蚀膏包含防锈转锈成分，且保持非固化状态，氧化聚合防蚀带则增加了体系的强度和韧性，最外侧涂刷外防护剂，形成坚韧皮膜，进一步提升了体系密封性。 这使得异形钢结构整体处于完整防腐蚀体系中，长久保持与非固化防蚀膏紧密贴合的同时，避免了与腐蚀性环境和介质的直接接触。

作为新兴的腐蚀防护技术，复层矿脂包覆防腐(PTC)技术和氧化聚合包覆(OTC)防腐技术已在钢结构的防护中发挥了重要作用，且实际应用效果也表明这2 种技术能够长期发挥良好的防腐蚀作用。