海洋工程结构与船舶的腐蚀现状

2022-12-01

1海洋腐蚀的危害和损失

海洋约覆盖了71% 的地球表面, 航海和海洋产业已经成为当今世界经济发展的重要支柱。国际贸易中90% 以上的运力靠海洋运输。海洋平台是油气资源开发的重要支柱, 海上风电是近年来大力发展的新能源。

腐蚀是导致各种基础设施和工业设备破坏和报废的主要原因。我国每年由于腐蚀造成的损失约为GDP的5%［1］, 远高于美国的3. 4% 和日本的不足3% 。国际公认, 腐蚀损失超过所有自然灾害损失的总和。以2012 年为例, 按照GDP的5% 估算, 我国当年的腐蚀损失高达2. 6 万亿元, 是所有自然灾害损失 (0. 42 万亿) 的6 倍多。即使在2008 年发生汶川大地震 (损失为0. 85 万亿) 的特殊自然灾害的情况下, 当年的腐蚀损失 (1. 57 万亿) 也高于所有自然灾害损失之和 (1. 18 万亿) 。国内外公认, 如果采取有效的腐蚀防护措施, 25% ~ 40% 的腐蚀损失可以避免。

虽然我国尚缺乏海洋腐蚀损失量具体的数据, 但海洋腐蚀环境的苛刻性, 海水中的盐浓度高 ( 一般在3. 5% 左右) 、富氧, 并存在着大量海洋微生物和宏生物, 加之海浪冲击和阳光照射, 海洋腐蚀环境较为严酷, 有理由相信海洋的腐蚀损失十分严重。在ISO -12944 中把大气腐蚀分为6 类, 海洋环境的腐蚀等级最高。受海水飞沫中含有的氯化钠颗粒的影响, 近海200m以内的陆地环境上的腐蚀也属于海洋环境腐蚀的范畴。在海洋环境中服役的基础设施和重要工业设施的腐蚀问题严重, 特别是船舶与海洋平台的腐蚀问题更加突出, 腐蚀已经成为影响船舶、近海工程、远洋设施服役安全、寿命、可靠性的最重要因素, 引起世界各国政府和工业界的高度重视。因此, 大力发展海洋工程防腐材料和技术, 对于保障海洋工程和船舶的服役安全与可靠性, 降低重大灾害性事故的发生, 延长海洋构筑物的使用寿命具有重大意义。

2海洋污损的危害和损失

海洋中约有2 000 ~ 3 000 种污损海生物, 其中植物性约有600 种, 动物性约有1 300 种, 常见的海洋污损生物约有50 ~ 100 种［2］, 包括固着生物 (如藤壶、牡蛎、苔藓虫、水螅类、花筒螅、石灰虫、海鞘等) 、粘附微生物 (如细菌、硅藻、真菌和原生动物等) 、附着植物 (如藻类, 浒苔、水云、丝藻) 等。这些海洋生物附着在船底生长和繁殖会使船底污损和发生腐蚀, 造成船底粗糙, 摩擦力增大, 从而降低船舶航行的速度, 增加燃耗。

据国外统计分析, 海洋生物污损每年给全球造成的经济损失为［2］: 船舶燃料增耗40% 以上, 经济损失高达75 亿美元; 沿海发电厂的生物污损损失高达160 亿美元; 海洋养殖业的经济损失可达10 亿美元。仅美国海军每年为应对海洋生物污损就要耗费约10 亿美元。此外, 海洋生物污损还会对环境和健康造成严重的影响。据分析其每年向海洋排放2 000 t有毒固体污垢沉积物; 每年污损船只的燃料将额外增耗约7. 06 Mt; 每年产生CO2气体210 Mt、SO2气体5. 6 Mt; 而中毒的牡蛎与发生性畸变的海洋生物对海洋生物链也会造成影响。

3海洋腐蚀的规律和特点

海洋环境按照腐蚀性划分为大气区、浪花飞溅区、潮差区、全浸区、海泥区。不同区域的腐蚀速率存在着明显差别 ( 如图1 所示) ［3］。浪花飞溅区的腐蚀速率最高, 潮差区次之。

图1海洋不同腐蚀环境区带腐蚀速度图［3］

Fig. 1Corrosion velocity diagram of different marine corrosion envi-ronment zone[3]

在全浸区内, 海水的温度、盐度、溶解氧浓度和p H值随深度而变化 ( 如图2 所示) ［4］。由于腐蚀环境的变化, 材料的腐蚀速率随海深的变化而明显不同。

图2不同海水深度的环境参数变化［4］

Fig. 2Environmental parameter changes with different sea water depth［4］

浪花飞溅区通常是指海水的飞沫能够喷溅到材料表面, 但在涨潮时又不能被海水所浸没的部位。国内外大量研究表明, 海洋腐蚀最严重的部位约位于平均海平面以上的0. 6 ~ 1. 4 m左右。同一种材料在浪花飞溅区的腐蚀速率比全浸区高3 ~ 10 倍［3］。虽然海洋工程在浪花飞溅区所占面积很小, 以直径1 m的海洋钢桩为例, 其飞溅区腐蚀区域约为2 m, 腐蚀表面积约12 m2 (与不同海区等有关) , 但由于该区域腐蚀最为严重, 如果不加以有效防护, 将导致该部位的严重腐蚀, 造成整个海工设施出现严重事故。

在海洋大气区, 由于存在Cl－, Mg2 +和SO42－等离子, 以及日照和海风的作用, 即使采取了腐蚀防护措施, 船舶与海洋工程也会发生严重的腐蚀。不仅金属材料 ( 图3 ) ［5］, 混凝土结构也存在严重的腐蚀 (图4) ［6 － 8］。在浪花飞溅区腐蚀更为严重 ( 图5) ［6 － 8］。在潮差区和全浸区的较浅区域, 海洋生物的污损不仅造成船舶的航速显著降低, 也会由于重量显著增加而威胁整个海洋平台的安全 (图6) ［9］。

4我国海洋工程和防腐的现状

我国有1. 8 万公里海岸线, 约300 万平方公里的海洋面积。随着经济的不断发展, 海洋油气平台、海底管线、海上风电、船舶运输、跨海大桥、海洋交通设施等不断增加。沿海更拥有大量的海港码头、滨海电厂等设施。

图3海洋平台结构中的腐蚀现象［5］

Fig. 3Corrosion on ocean platform［5］

图4海岸工程钢筋混凝土结构的腐蚀现象［6 － 8］

Fig. 4Corrosion on coastal engineering of reinforced concrete structure[6-8]

海洋工程设施通常由金属材料 ( 特别是钢铁) 、钢筋混凝土材料等制造而成。如果没有有效的腐蚀防护措施, 海洋工程设施在几年内就会因腐蚀而严重破坏。因此, 认识海洋腐蚀防护的重要性, 并大力发展海洋工程设施专用防腐材料, 推进海洋工程设施的全寿命周期维护, 具有极其重要的经济价值和社会意义。然而, 我国海洋工程的防腐措施薄弱, 亟需加强腐蚀保护。