钢管桩的腐蚀与防护

钢管桩的腐蚀问题

对于钢管桩腐蚀规律的研究有很多。侯保荣等通过试验研究发现，根据腐蚀机理的不同，钢管桩的腐蚀区域可分为大气区、飞溅区、潮差区、水下区、泥下区。其中，飞溅区由于干湿交替，盐分富集，且紫外线强烈，浪花冲击，是腐蚀速率最快的区域。尽管在钢管桩设计中采用了涂层和牺牲阳极双重防腐蚀措施，但表面处理不合格、涂层缺陷及海水或海冰的冲击都会导致钢管桩腐蚀加剧。LNG接收站码头钢管桩现场腐蚀情况，也印证了该分析结论。

选择耐蚀性更好的钢管桩基体材料，采用更好的环境隔离防护措施例如金属热喷涂、重防腐蚀涂料、包覆防腐蚀技术等是解决钢管桩腐蚀问题的有效措施。

出于经济性目的，码头钢管桩一般采用碳钢材料，如果后期的防腐蚀维护成本过高，则有必要采用更加耐腐蚀的基体材料，以达到全生命周期的经济性。

相关研究表明增加不锈钢中Cr含量、Mo含量能提高不锈钢耐海水腐蚀性能。P、Si等元素的加入对改善低合金钢的耐蚀性也有较大作用，S、Al、V等元素能促进钢的腐蚀过程。微量元素对钢材耐蚀性的影响主要是通过加速生成具有保护作用的γ型羟基氧化铁，阻止水、氯离子等进入一步渗入和氧化作用的发展。

虽然通过改进材料的元素组成和热处理工艺来提高钢管桩基体材料耐蚀性的方法成本较高，容易被忽略，但是材料本身耐蚀性的提高对维持结构长期性能来讲是非常重要的，在工程化设计中应予以考虑。

金属涂层一般指利用火焰喷涂或电弧喷涂将涂层金属熔融喷涂到基体金属表面形成一层半合金状态的金属隔膜层，主要起屏蔽水、氯离子和氧等腐蚀介质的作用，同时金属涂层的电极电位比铁的更低，因此涂层还可以充当牺牲阳极。

海洋防腐蚀领域经常采用Al及Zn-Al合金作为金属涂层。热喷涂Al涂层硬度高，耐蚀性强，其氧化产物Al2O3为一层致密的氧化膜，能进一步阻止基体的腐蚀，然而Al涂层的孔隙率太大，不适宜单独作为金属涂层；Zn-Al合金涂层克服了这一缺点，且保留了Al涂层表面的钝化效果，具有广阔的应用潜力。

相关研究表明，在海洋环境中，Al涂层和Zn-Al涂层的腐蚀速率为0.3~8.4μm/a，涂层厚度为200μm时，使用寿命可达20年以上。该技术在LNG接收站的开架式海水气化器中已经得到了广泛应用。

但该技术缺点是工艺复杂、成本较高、熔融颗粒堆积容易生产微孔隙使腐蚀介质渗透。另外，钢管桩经常面临海冰冲击、船碰撞等机械冲击，容易发生破损，且现场维护技术要求高，其外表也需要涂覆封闭涂料。

针对钢管桩腐蚀风险较高的飞溅区和潮差区，在其表面增设耐蚀合金护套也是一种防腐蚀方法。研究表明，用美国国际镍公司开发的400号蒙乃尔合金作为外海钢结构飞溅区防护板，其使用寿命可超过20年。类似的材料还有Cu-Ni合金（90/10，70/30）合金、奥氏体不锈钢等。但这些材料价格昂贵，且与基体材料存在电极电位差，容易发生电偶腐蚀，如周围不设置防护装置，容易被停靠的船只撞击破坏，因此其推广受到一定限制。

复层防护技术是针对钢管桩的腐蚀特点，对已经建设的钢管桩飞溅区和潮差区进行隔绝防护，通过添加防腐蚀材料和玻璃钢护套使得该技术更适合近海钢结构、钢管桩的防腐蚀维护。

中科院海洋所PTC技术就是其中典型代表。PTC技术是针对钢管桩腐蚀的防护技术，由内到外由防蚀膏、防蚀带、玻璃钢护套组成。防蚀膏和防蚀带中添加了抗腐蚀材料，具有优良的保护性、黏附性、水和空气隔绝性，并且长期不会变质，能强有力地黏附在钢铁设施表面达到长效防腐蚀效果。坚硬的固体玻璃钢护套可以防止外部的机械冲击和破坏，达到更好的保护效果。该技术包含的复合防锈剂可以将铁锈转化为稳定化合物，防止进一步锈蚀，降低表面处理要求。防锈剂含有不对称结构的表面活性物质，与金属的亲和力比水更大，可以将金属表面的水膜置换掉。复合防锈剂分子以极性基团朝里，非极性基团朝外的逆型胶束状态溶存于功能性基料中，吸附和捕集腐蚀性物质，并将其封存于胶束之中，从而实现了带水作业目的。

该方法在多个LNG接收站内进行了试验，使用两年后现场拆开，基材状态完好，防护效果优良。工程经验表明，使用该技术的部分海上钢构服役寿命达到了30年以上。该技术的主要不足是施工工序较多，防锈剂加工制备难，一次性投资成本高。

玻璃鳞片重防腐蚀涂料一般由无溶剂树脂和玻璃鳞片组成，其中玻璃鳞片是阻隔氯离子、水和氧等腐蚀介质的重要成分，具有极好的防腐蚀性能。

该种涂料的耐阴极剥离性能、耐盐雾腐蚀性能、耐人工海水腐蚀性能均能达到相关标准要求。该系列涂层在北海石油平台的使用寿命超过了30年。作为涂料防护，该技术主要不足在于不能耐受较大的机械冲击，且需要严格的质量控制。