海洋環(huán)境基礎設施防腐中氟碳涂料的應用

張 婷

（湖北工業(yè)大學工程技術(shù)學院，湖北 武漢 430000）

0 引言

我國海域遼闊，海洋資源豐富，享有3×106km2海域面積的管轄權(quán)，擁有7000多個面積超過500m2以上的島嶼及1.84×104km的大陸海岸線[1,2]，深海區(qū)蘊藏著大量的油氣和豐富的可燃冰資源。支持海洋開發(fā)，發(fā)展海洋科技，已成為了我國的基本國策。2011年，我國海上油氣產(chǎn)量約為5×107t，占當年全國油氣總產(chǎn)量的20%，2014年“海洋石油981”，2015年“興旺號”深水半潛式鉆井平臺的搭建及2017年南海可燃冰試采的成功[3]，代表了我國油氣開采由淺海向深海邁進的步伐，推動了我國的“深海開發(fā)”計劃。隨著海洋資源的開發(fā)和利用，海洋采油平臺、港口碼頭、海底隧道、跨海大橋、海洋環(huán)境下的鐵路、大壩等基礎設施都在被大量興建。而海洋因具有的高含鹽量潮濕大氣、高溶氧量浪花及浮游生物等因素，被公認為鋼結(jié)構(gòu)的強腐蝕環(huán)境。如何減緩基礎設施在海洋環(huán)境中的腐蝕，減少因腐蝕帶來的經(jīng)濟虧損及人員傷亡，已成為了一個衍生出來的重要問題。

1 海洋環(huán)境中基礎設施的腐蝕問題

1.1 海洋的強腐蝕環(huán)境

海面看似平靜，海底波濤暗涌，海水的流速、含鹽量、pH值、電導率、微生物種類、海底土壤電阻率等因素使得鋼結(jié)構(gòu)設施在海洋環(huán)境下極易發(fā)生腐蝕。根據(jù)海水與基礎設施的接觸情況，一般將海洋腐蝕環(huán)境分為以下5種。（1）海洋大氣腐蝕區(qū)。該區(qū)域因具有高含鹽量、高含濕量的空氣，會在基礎設施的干燥界面附著形成強腐蝕介質(zhì)液化膜，連接碳鋼內(nèi)的碳原子和金屬顆粒，形成無數(shù)極小的原電池，從而腐蝕、破壞鋼結(jié)構(gòu)設施。海洋大氣對碳鋼的腐蝕速率約為50μm/a[4-7]。海洋大氣環(huán)境腐蝕最嚴重的區(qū)域為距離海岸線20km左右的位置，越遠離海岸線，腐蝕速率越低；（2）飛濺區(qū)。這是海洋環(huán)境腐蝕最強的區(qū)域，該區(qū)域一般位于海面平均高潮位之上0～2.4m處，海浪可以飛濺到的位置。這個區(qū)域的海浪翻騰、攪拌，攜帶著高含鹽量、高含濕量、高含氧量空氣的浪花，不斷飛濺、拍打基礎設施表面，加上陽光中紫外線的照射，基礎設施表面的保護層會被加速破壞、剝落，內(nèi)部鋼材的腐蝕速率也隨之加快。該區(qū)碳鋼平均腐蝕速度約為500 μm/a[5]；（3）海潮漲落潮差區(qū)。在該環(huán)境下，飽和了氧氣的海水和冬季流冰會隨著海洋的漲潮和落潮不斷撞擊基礎設施的鋼筋混泥土或鋼結(jié)構(gòu)，加上浮游海生物的附著，海潮漲落潮差區(qū)的鋼材腐蝕速率平均約為100～370μm/a[5,6]；（4）全浸區(qū)?；A設施的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)長期、全部浸沒于海水中，受到海水的流速、電導率、硫酸鹽還原菌、海洋溫度、海水中Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl-、C O32-、SO42-等離子含量因素的影響，腐蝕速率約為130～250μm/a[5]；（5）海泥區(qū)。該區(qū)域腐蝕環(huán)境非常復雜，厭氧菌的繁殖、海生物的污損、低的土壤電阻率等因素均不利于鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。海泥區(qū)因結(jié)合了土壤腐蝕與海水腐蝕的特點，而使得鋼鐵腐蝕的速率約為 20～80μm/a。

1.2 海洋環(huán)境基礎設施的腐蝕問題

海洋環(huán)境對于鋼結(jié)構(gòu)基礎設施的防腐而言是嚴苛的、困難的，絕大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)基礎設施都難以避免的在海洋環(huán)境中發(fā)生了不同程度的腐蝕。1956年建成的湛江碼頭使用至1963年就發(fā)生了明顯腐蝕，其中鋼筋膨脹91%，北侖港碼頭、引橋，1981年建成1987年開始修復，鋼筋膨脹69%～100%[8]；舟山是典型的臨海城市，基礎設施受海洋大氣腐蝕嚴重，舟山金塘大橋投資77億，于2009年通車運行，而2016年的檢修報告中就提及，鋼箱梁的上表面涂膜粉化嚴重，橋梁腹部涂膜有0.3%～5%的霉斑、起泡，防風欄及防風墻處的螺栓和支架明顯腐蝕[9]。舟山當?shù)氐膬τ凸?，特別是帶有保溫層的儲油罐，當頂端積水時，外表層很快被銹蝕，加上當?shù)爻睗窀啕}的土壤環(huán)境，20%的儲油罐未到檢修期油罐底部已頻繁的發(fā)生了孔蝕現(xiàn)象[10]。海洋環(huán)境下的腐蝕，同樣發(fā)生在了曹妃甸跨納潮河2#大橋混凝土、深圳東寶河特大橋橋梁、海南珠碧江雙線特大橋混凝土處[11-13]。英國北海的“亞歷山大基定德”號鉆井平臺樁的焊縫，曾因海水腐蝕產(chǎn)生裂紋，裂紋不斷發(fā)展致平臺傾倒，造成123人遇難。墨西哥灣“深水地平線”鉆井平臺，因海底閥門腐蝕失效引發(fā)爆炸，死亡11人，溢出原油400萬桶[14]，嚴重污染了海洋環(huán)境，成為了美國海域的災難。海洋的腐蝕環(huán)境是客觀存在的、不可改變的，但若能提前對這些基礎設施設計完善、有效的防腐方案，督促方案的落實，海洋腐蝕中的25%～40%的損失是可以避免的，國內(nèi)外已有很多有效的防腐方案收獲成效，氟碳涂料的應用就是其中之一。

2 氟碳涂料在海洋環(huán)境設施中的應用

2.1 氟碳涂料

氟碳涂料是以含氟樹脂為主要成膜物的系列涂料的統(tǒng)稱[15]。氟碳樹脂主鏈上的C-C鍵被F以螺旋式包圍并填充了C-C鍵的縫隙，形成緊密保護層，阻隔了氣體（比如氧氣）和液體（比如鹽霧、酸雨）對漆膜的滲透，表現(xiàn)出了優(yōu)良的防腐性能。氟碳樹脂的C-F鍵鍵能為485.6kJ/mol，大于自然光中最強紫外線的能量411kJ/mol，從原理上氟碳樹脂是不易受紫外線破壞的，具有優(yōu)異的耐候性能，這點高柳敬[16]等人的實驗結(jié)果給出了證明。氟碳樹脂的改性，或提高涂料的親水性，使雨水帶走漆面的灰塵、污漬；或提高涂料的疏水性，防止油污、雨水、含鹽液滴潤濕漆面，減緩設施腐蝕速率。氟碳涂料的改性，提高了涂料的耐沾污性，使涂料具有良好的自清潔能力[17，18]，能降低基礎設施的維護頻率，提高經(jīng)濟效應。氟碳涂料因其優(yōu)異的防腐性能，被業(yè)界稱為“涂料王”。

2.2 氟碳涂料在海洋環(huán)境設施中的應用

我國已建海上采油平臺200多處[19]，目前數(shù)量還在增加。2006～2010年，修建橋梁91718座[20]，每年需投資20000億[21]修建沿海城市的基礎設施。但因海洋環(huán)境影響，在2016～2017年，僅江、浙、滬三省就有400座橋梁迎來了大修計劃，我國有40%的橋梁現(xiàn)處于維修階段[22]。這些綜合因素的影響，加速了我國防腐涂料的開發(fā)和在海洋環(huán)境防腐中的應用。

氟碳涂料因其優(yōu)異的抗腐蝕性、耐熱性、耐候性、耐摩擦、低溫固化、保色、保光、自清潔等特點，而作為面漆被廣泛的應用到海洋環(huán)境的橋梁、鐵路、大壩、海洋采油平臺、港口碼頭、風電設施、儲油罐等基礎設施防腐方案設計及修復方案設計中。2009年建成的青島海灣大沽河大橋[23]，面漆采用膜厚30μm+30μm的2道氟碳涂料；2010年建成的安慶長江鐵路大橋，面漆采用35μm+35μm膜厚的2道氟碳涂料；2012年新建的馬鞍山長江大橋中面漆應用了1道40μm膜厚的聚氨酯涂料，外加1道35μm膜厚的氟碳涂料；2014年新建的港珠澳大橋，面漆采用了膜厚40μm+40μm的2道氟碳涂料，目前這些大橋服役狀態(tài)良好，色澤鮮亮有光澤。因為氟碳涂料優(yōu)異的防腐效果，它還被應用到了大橋的修復工程中[23]，其中上海徐浦大橋修復的65×103m2，上海楊浦大橋修復的50×103m2，廈門欽州大橋修復的45×103m2，均采用了2道氟碳涂料的面漆。常盤橋[16]重涂氟碳涂料20年后，測定60°光澤保持度為100%，色差2.3，處于非常好的狀態(tài)，達到了重涂的預期。潘云飛[24]等研制的彈性氟碳涂料具有優(yōu)異的耐候性、防腐性能、保光率，漆膜不易粉化、開裂，同時又具有抗開裂性和高延伸率，能用于海洋環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)的防護中，減緩混凝土的膨脹、開裂問題。耿立平[25]等人的研究結(jié)果表明，氟碳面漆抵抗紫外線的能力明顯強于脂肪族聚氨酯面漆，防腐性能優(yōu)異，以50a服役期限分析，儲油罐采用氟碳涂料作為面漆的總費用最低。孫振紅[26]等人研制的高壓無氣噴涂氟碳涂料，成功有效的解決了高壓無氣噴涂儲油罐時不出漆、漆膜流掛、針孔、橘皮等問題。鄧強等[27]制備的四氟型氟碳涂料常溫固化，張樂顯[28]等改性的氟碳涂料，具有優(yōu)良的耐鹽霧、耐磨性、耐候性及自潔能力，這些氟碳涂料用于海上風電設備的表面防護，結(jié)果表明涂料耐鹽霧、耐化學品且電絕緣性能良好。廣東明陽風電大膽地將氟碳涂料，應用在了海上風電設備的防腐設計及修復方案中，并取得了優(yōu)異的防腐成效[6]。氟碳涂料若應用在天線塔桅的防腐中，能解決塔桅的銹蝕問題，保證了雷雨季節(jié)，導航設備的安全飛行。氟碳涂料除了適應于海洋環(huán)境基礎設施防腐以外，同樣適用于內(nèi)陸環(huán)境的城市設施防腐，例如北京故宮、北京鳥巢、上海東方明珠電視塔、青藏鐵路、宜昌三峽工程、美國文藝復興中心和法國世紀之門等標志性建筑都大量的使用了氟碳涂料。

3 結(jié)語

氟碳涂料已被廣泛的應用到了海洋采油平臺、大橋防腐設計及修復、海洋環(huán)境儲油罐和海上風電設備的防腐中，效果顯著。比較氟碳涂料和其他涂料，雖涂裝投入成本較高，但后期維護頻率更低，服役時間更長，從長遠防護成本計算，提高了經(jīng)濟效應，在眾多的涂料中表現(xiàn)出了明顯的市場競爭優(yōu)勢和潛在實力。但氟碳涂料使用時也有一些弊端，如：氟碳涂料面漆施工時，VOC較高、涂裝間隔時間短、工序繁瑣。如何改性氟碳涂料，使其提高環(huán)保性能、優(yōu)化固化條件和時長、增強涂料自清潔能力，是目前及未來我們關(guān)注的焦點。