海洋環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施防腐中氟碳涂料的應(yīng)用
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(gè)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(yùn)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(dāng)年全 國油氣總產(chǎn)量的20%，2014年“海洋石油981”， 2015年“興旺號(hào)”深水半潛式鉆井平臺(tái)的搭建及 2017年南?？扇急嚥傻某晒3]，代表了我國油氣開 采由淺海向深海邁進(jìn)的步伐，推動(dòng)了我國的“深海 開發(fā)”計(jì)劃。隨著海洋資源的開發(fā)和利用，海洋采 油平臺(tái)、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(chǔ)設(shè)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(rèn)為鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)腐蝕環(huán)境。 如何減緩基礎(chǔ)設(shè)施在海洋環(huán)境中的腐蝕，減少因腐 蝕帶來的經(jīng)濟(jì)虧損及人員傷亡，已成為了一個(gè)衍生 出來的重要問題。
1 海洋環(huán)境中基礎(chǔ)設(shè)施的腐蝕問題
1.1 海洋的強(qiáng)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(dǎo)率、微生物種類、海底土壤電 阻率等因素使得鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施在海洋環(huán)境下極易發(fā)生 腐蝕。根據(jù)海水與基礎(chǔ)設(shè)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(huì)在基 礎(chǔ)設(shè)施的干燥界面附著形成強(qiáng)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(shè)施。海洋大氣對(duì)碳 鋼的腐蝕速率約為50μm/a[4-7]。海洋大氣環(huán)境腐蝕 最嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)榫嚯x海岸線20km左右的位置，越遠(yuǎn) 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(qiáng)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(gè)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(chǔ) 設(shè)施表面，加上陽光中紫外線的照射，基礎(chǔ)設(shè)施表 面的保護(hù)層會(huì)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(huì)隨著海洋的漲潮和 落潮不斷撞擊基礎(chǔ)設(shè)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)。基礎(chǔ)設(shè)施的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期、全部浸沒于 海水中，受到海水的流速、電導(dǎo)率、硫酸鹽還原 菌、海洋溫度、海水中Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl-、 CO32-、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(fù)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(diǎn)，而使得鋼鐵腐蝕 的速率約為 20～80μm/a。
1.2 海洋環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施的腐蝕問題
海洋環(huán)境對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)施的防腐而言是嚴(yán) 苛的、困難的，絕大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)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(fù)，鋼筋膨脹69%～100%[8]；舟山 是典型的臨海城市，基礎(chǔ)設(shè)施受海洋大氣腐蝕嚴(yán) 重，舟山金塘大橋投資77億，于2009年通車運(yùn)行， 而2016年的檢修報(bào)告中就提及，鋼箱梁的上表面涂 膜粉化嚴(yán)重，橋梁腹部涂膜有0.3%～5%的霉斑、起 泡，防風(fēng)欄及防風(fēng)墻處的螺栓和支架明顯腐蝕[9]。舟 山當(dāng)?shù)氐膬?chǔ)油罐，特別是帶有保溫層的儲(chǔ)油罐，當(dāng) 頂端積水時(shí)，外表層很快被銹蝕，加上當(dāng)?shù)爻睗窀?鹽的土壤環(huán)境，20%的儲(chǔ)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(hào)鉆井平 臺(tái)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(tái)傾倒，造成123人遇難。墨西哥灣“深水地 平線”鉆井平臺(tái)，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(yán)重污染了海洋環(huán) 境，成為了美國海域的災(zāi)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(duì)這些基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)完善、有效的防腐方案，督促方案的落實(shí)， 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(yīng)用就是其中之一。
2 氟碳涂料在海洋環(huán)境設(shè)施中的應(yīng)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(hù)層，阻隔了 氣體（比如氧氣）和液體（比如鹽霧、酸雨）對(duì)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(qiáng)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(diǎn)高柳敬[16]等人的實(shí)驗(yàn) 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(rùn)濕漆面，減 緩設(shè)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(chǔ)設(shè)施的維護(hù)頻率，提高經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。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(shè)施中的應(yīng)用
我國已建海上采油平臺(tái)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(chǔ)設(shè)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(jì)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(yīng)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(diǎn)，而作為面漆被廣泛的應(yīng)用到海洋環(huán)境的橋梁、 鐵路、大壩、海洋采油平臺(tái)、港口碼頭、風(fēng)電設(shè) 施、儲(chǔ)油罐等基礎(chǔ)設(shè)施防腐方案設(shè)計(jì)及修復(fù)方案設(shè) 計(jì)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(zhǎng)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(zhǎng)江大橋中 面漆應(yīng)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?yàn)榉?碳涂料優(yōu)異的防腐效果，它還被應(yīng)用到了大橋的修 復(fù)工程中[23]，其中上海徐浦大橋修復(fù)的65×103m2， 上海楊浦大橋修復(fù)的50×103m2，廈門欽州大橋修 復(fù)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(cè)定60°光澤保持度 為100%，色差2.3，處于非常好的狀態(tài)，達(dá)到了重 涂的預(yù)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(shí)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(hù)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(qiáng)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(chǔ)油罐采 用氟碳涂料作為面漆的總費(fèi)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?jī)?chǔ)油罐時(shí)不出漆、漆膜流掛、針孔、 橘皮等問題。鄧強(qiáng)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(fēng)電設(shè)備的表面防護(hù)，結(jié)果表明涂料耐鹽 霧、耐化學(xué)品且電絕緣性能良好。廣東明陽風(fēng)電大 膽地將氟碳涂料，應(yīng)用在了海上風(fēng)電設(shè)備的防腐設(shè) 計(jì)及修復(fù)方案中，并取得了優(yōu)異的防腐成效[6]。氟碳涂料若應(yīng)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(dǎo)航設(shè)備的安全飛行。 氟碳涂料除了適應(yīng)于海洋環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施防腐以外， 同樣適用于內(nèi)陸環(huán)境的城市設(shè)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(fù)興中心和法國世紀(jì)之門 等標(biāo)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(yīng)用到了海洋采油平臺(tái)、 大橋防腐設(shè)計(jì)及修復(fù)、海洋環(huán)境儲(chǔ)油罐和海上風(fēng)電 設(shè)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(hù)頻率更低， 服役時(shí)間更長(zhǎng)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)防護(hù)成本計(jì)算，提高了經(jīng)濟(jì) 效應(yīng)，在眾多的涂料中表現(xiàn)出了明顯的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu) 勢(shì)和潛在實(shí)力。但氟碳涂料使用時(shí)也有一些弊端， 如：氟碳涂料面漆施工時(shí)，VOC較高、涂裝間隔時(shí) 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(shí)長(zhǎng)、增強(qiáng)涂料自清潔能 力，是目前及未來我們關(guān)注的焦點(diǎn)。