海洋腐蚀与防护前沿技术及国内外研究动态、发展趋势

海洋腐蚀与防护前沿技术及国内外研究动态、发展趋势海洋腐蚀的经济损失每年至少三千亿，并大幅递增。海洋经济投入越多，海洋防腐课题越迫切，所以，有人把海洋防腐材料纳入海洋经济中的新兴产业和新材料，却很少反映到具体的报告和表述中。腐蚀问题首先是一个经济问题。腐蚀是一种悄悄进行的破坏，但它的破坏力比地震、火灾、水灾、台风等自然灾害所造成损失更为严重。世界各国对腐蚀工作都非常重视。据统计，每年因腐蚀所造成的经济损失约占国民经济生产总值的2%-4%。1969年英国因腐蚀而造成的损失为13.65亿英磅；美国2001年的腐蚀直接损失为国民生产总值的3.1%，约合2760亿美元。这一调查结果当时震惊了全世界。据最新报道，我国在能源、交通、建筑、机械、化工、基础建设、水利和军事设施等典型的行业和企业，每年由于腐蚀所造成的损失可达5000亿元以上，约占GDP的5%。腐蚀所造成的经济损失除直接损失外还包括停工停产、设备维修、产品降级、效率降低等一系列间接损失。和上面说的相比，海洋腐蚀尤为严重。海洋环境腐蚀与防护研究主要是研究钢铁材料在海洋环境中发生的一系列化学和电化学反应而劣化的自然现象，其目的就是有效地防止腐蚀，降低腐蚀损失，提高钢铁设施的使用效能。基于对腐蚀所造成的危害及损失的分析，专家将研究目标锁定在海洋环境腐蚀与防护研究上，开展了一系列研究，并取得了一系列研究成果。他们认为：如果防护措施到位，至少每年可以避免25－30％的损失，也就是说每年至少可以减少损失1300亿元。我国有1800公里的海岸线，有相当于我国陆地国土面积1/3的海洋区域。海洋的开发利用在国民经济中占的比重越来越重要。目前已有100余座开采石油的钢桩平台屹立在海上，同时大量船舶及海底输油管线为海上开采石油服务。目前已经探明，中国海上石油资源量占全国石油总产量的1/4，仅渤海油田目前探明的总储量就超过45亿吨，而且我国在未来5年内，将投资500多亿元在渤海建设50个采油平台，1100口生产井。由于钢铁材料韧性大、强度高、价格便宜，目前这些构筑物大都用钢铁材料所制成，其严重腐蚀性必然直接威胁着这些钢铁设施的安全，并将造成严重的经济损失，是一个必须十分重视的研究课题。海洋环境是一个特定的极为复杂的腐蚀环境，海洋腐蚀环境纵向可分为海洋大气区、浪花飞溅区、潮差区、海水全浸区、海底沉积物区五个不同腐蚀区带，贯穿这些腐蚀区带的海上钢铁构造物在不同的腐蚀区带具有不同的腐蚀特征，不同钢材在不同海洋环境中的腐蚀规律不同，即使同一种材料在海洋不同区带的腐蚀又存在着较大差异，在海水-海气界面交换区和海水-海泥交换界面区有着严重的腐蚀峰，研究界面区的腐蚀行为、腐蚀过程、锈层在腐蚀中的作用、金属元素的影响等对研究金属腐蚀与海洋环境的相关性有着重要的意义。目前，我国在海洋油气田开发、港口建设、跨海大桥、海底隧道、船舶工程和深海勘探等领域已建和在建大量的各种钢结构及钢筋混凝土结构设施，一旦发生灾害性腐蚀，将会导致严重破坏和巨大经济损失。而近海设施在海水中，除遭到海水的电化学腐蚀外，还遭到海洋生物、微生物的行损。如果我们的研究和防护工作做得好，其中25%--40%的腐蚀损失是完全可以避免的。发展海洋腐蚀防护技术，特别是钢铁设施关键部位的防腐蚀技术，对于降低重大灾害性事故发生，延长近海设施的使用寿命具有重大意义。海洋环境可以分为海洋大气区、浪花飞溅区、海水潮差区、海水全浸区和海底泥土区五个腐蚀区带。我国从上世纪7O年代起开展了钢铁设施在海洋环境不同腐蚀区带的腐蚀规律研究，并发明了电连接模拟海洋腐蚀试验装置与方法，建立了海洋环境腐蚀模拟装置。国内外长期的海洋腐蚀研究结果表明，钢结构设施在海洋环境不同腐蚀区带其腐蚀速度有明显差别，其中，浪花飞溅区是钢结构设施腐蚀最为严重的区域。主要的原因是，在浪花飞溅区，钢表面受到海水的周期性润湿，处于干湿交替状态，氧供应充分；加之阳光、风吹和海水环境等协同作用导致发生最严重的腐蚀。一般情况下，钢在海洋大气中的平均腐蚀速率约为0.03-0.08mm／a；而浪花飞溅区为0.3-0.5mm／a。同一种钢，在浪花飞溅区的腐蚀速度可比海水全浸区中高出3～1o倍。有关实验和调查结果表明，长期在外海暴露的长尺试件，浪花飞溅区的腐蚀速率最高可达Imm／a以上，而在低潮位以下一0．3m全浸区的腐蚀速度仅为0．1～O．3mm／a。由此可见，钢结构设施在浪花飞溅区部位的腐蚀十分严重。一旦在这个区域发生严重的局部腐蚀破坏，会使整座钢结构设施大大降低承载力，缩短使用寿命，影响安全生产，甚至导致设施提前报废。当前，国内对于海洋钢铁设施大气区通常采用涂料保护，海水全浸区主要采用电化学保护，并且取得了较好的保护效果。而在浪花飞溅区，通常使用的涂料，在海水冲击下容易发生鼓泡和剥落，局部腐蚀十分严重。。因此，发展长期有效的浪花飞溅区防腐蚀技术对保护海洋钢结构设施的安全运行具有极其重要的经济价值和社会意义。针对目前浪花飞溅区腐蚀严重这一现状，中科院海洋研究所与有关科研单位合作，联合研究开发了浪花飞溅区的新型包覆防蚀(PTC)技术。PTC技术采用了优良的缓蚀剂成分并采用了能隔绝氧气的密封技术。PTC新型包覆防蚀系统由四层紧密相连的保护层组成，即防蚀膏、防蚀带、聚乙烯泡沫和玻璃钢或者增强玻璃钢防蚀保护罩。防蚀膏和防蚀带作为防腐蚀保护材料涂抹、缠绕在钢铁设施表面上；聚乙烯泡沫和玻璃钢或者增强玻璃钢防蚀保护罩作为外防护层包覆在钢铁设施外表面。PTC技术中防蚀膏和防蚀带添加有抗腐蚀材料，具有优良的保护性、粘附性、与水和空气隔绝性，并且长期不会变质，可强力地粘附在钢铁设施表面达到长效的防腐蚀效果。另外，用一个坚硬的固体玻璃钢保护罩保护防蚀带，可达到更好的保护效果。实践证明，PTC是浪花飞溅区最具发展前景的钢铁设施保护技术。具有如下特点：防腐蚀效果优异，有效防护效果达30年以上；施工方便，表面处理简单，可带水作业；可适用于任何形状结构物；具有良好密闭性和抗冲击性能，质量轻，对结构物几乎无附加载荷；绿色环保，无毒无污染。目前，港口码头的防蚀普遍采用复盖层与阴极保护联台的方法，也可将两者分开．复盖层保护钢桩平均低潮位线以上部位，而阴极保护用于保护水下部位。就阴极保护而言，以前采用外加电流系统为多，从2O世纪80年代以来采用铝台金牺牲阳极保护的港口码头数量日益增多。究竞选用何种阴极保护方法，主要受以下几方面因素制约：(1)保护系统的可靠性；(2)相邻结构的影响；(．3)保护电流需要量；(4)被保护结构的复杂性；(5)结构设计使用寿命；(5)被保护结构所处的环境条件等。从保护系统的可靠性、对相邻结构的影响、被保护结构的复杂性等因素来看，应首选牺牲阳极系统；从保护电流需要量来看，需要较大保护电流的大型码头应采用外加电流系统，而只需较小保护电流的小型和中型码头宜采用牺牲阳极系统阴极保护系统在被保护结构设计使用寿命期间应能正常工作，因此对于要求工作30a以上的钢结构码头来说，最好采用外加电流系统或混合系统另外，在淡水或海淡水交替条件下码头保护主要采用外加电流系统。近年来，对大型港口码头愈来愈多地采用牺牲阳极和外加电流的共同作用来实施保护先主要利用外加电流系统提供的初始大电流使码头迅速极化到保护电位范围，然后停止或减小外加电流，主要利用铝台金牺牲阳极向码头提供较小的维持电流，充分发挥牺牲阳极安全、可靠、无需管理的优点使其长期运行。这种混合系统既提高了保护效果，又减小了牺牲阳极的用量。目前也有部分港口设施采用双阳极·(dualnode)或复合阳极“一(Compositeanode)对大型结构物进行阴极保护。职阳极实际上是一个阳极组，在一根阳极固定架上固定有镁阳极和铝阳极，在结构极化初期．镁阳极输出高电流，使其迅速极化，待镁阳极消耗掉后，铝阳极输出的电流维持结构的保护电位复合阳极则是在铝合金或锌合金阳极上铸造包覆一定厚度的镁合金阳极，这样也能起到与双阳极同样的作用据估算，采用上述起始大电流方法，可减少阳极用量30%以上。专家课题组结合海洋工程实践，针对海洋腐蚀的分区特点做了海洋平台导管架钢桩实物试验和海水管道的工程应用，通过室内和外海试验，电化学测试等腐蚀筛选试验，并对腐蚀机理进行探索研究，最后从工艺、材料（合金线材）及现场应用和工程项目考核（如船舶，钻井平台等），得出在海上各种区域环境条件下的金属与有机复合覆盖层的最佳方案，并广泛应用于海上工程，为海洋钢铁设施防护开辟一条新路径。该技术综合了有机涂层和阴极保护两种防腐措施的优点，大大延长了海洋钢铁构造物的服役寿命，是一种新型的海洋防腐技术，研究总体上达到国际先进水平。牺牲阳极可以非常有效地防止处于海水中的钢铁构筑物（如船舶、浮标、钢桩码头、石油平台）遭受腐蚀。它具有使用简单，不需要外界电源及设备，不需要日常的管理和经常性的维护等优点，已越来越多广泛地被采用。以前我国船舶上主要采用锌阳极，近年来国内也相继开发了铝阳极。与锌阳极相比，铝阳极具有重量轻、单位重量放电量大（约为Zn的3倍）、阳极电位负、资源丰富、价格便宜等优点，因此用铝阳极取代替锌阳极，具有很大的经济效益。自1975年以来，他们开展了铝阳极的研究工作，曾研制了Al-Zn-In-Cd系阳极。考虑到Cd的毒性及对环境造成污染的问题，又进行了不含Cd的其他新型阳极的研究。研制的“PM-1型和PM-2型腐蚀状态自动跟踪扫描系统”，为阴极保护的参数设计提供了重要的依据，作为一种新型的海洋腐蚀监测技术，已被广泛地应用在船舶、浮标、钢桩码头、石油平台的腐蚀防护。目前已在胜利油田CB11B平台井组和CB251B井组现场应用，并正在向该海域其它平台推广。针对沿海城市许多工厂的热交换器大多采用海水冷却，冷凝塔腐蚀严重的现状，他们在国内首次采用了牺牲阳极和牺牲阴极保护技术对海上浮标、钢浮筏、海水管道进行了成功的保护，并对牺牲阳极输出电流公式进了修正。外加电流混合阴极保护技术，使保护率达90%以上，大大延长了冷凝塔的服役寿命。随着海洋经济的飞速发展，我国渤海、黄海、南海及胜利油田先后建造了大量的石油、天然气开发平台，渤海在未来5年内将建设50余座海上平台，1100口生产井，原油产量将突破2000万吨。这些平台，大部分是用钢铁作为主要材料制作的。但由于钢铁材料在海洋环境中极易被腐蚀，使用寿命受到严重影响，从而造成资源、材料和能源的巨大浪费，不但成为成为灾害性事故的隐患，还有可能因为管线设备的破裂，造成更为严重的海洋环境污染，甚至造成人身伤亡和更大的经济损失。因此，海上石油、油气田等的石油平台、输送管线等海洋钢铁设施的腐蚀及其检测问题成为科学界和石油界关注的热点。为了解决我国海洋石油开发中的腐蚀问题，专家应中国海洋石油南海西部公司、胜利石油管理局等单位对海上石油开发区内的各种作业平台和海底管线进行腐蚀监测的要求，把争取为企业解决更多的生产难题作为首要任务，将处于科技发展前沿的信息技术与腐蚀工程控制技术有机地融合起来，“海洋钢铁设施腐蚀状态自动跟踪扫描系统”、“钢铁设施在海洋环境中的腐蚀及其防腐蚀技术”，广泛应用于海洋钢铁设施的腐蚀监测。这些科研成果，为我国海洋工程结构的合理选材和设计提供了科学依据，取得了显著的经济效益和社会效益。