海洋环境基础设施防腐中氟碳涂料的应用

2020-03-23 05:40:08 来源:永利402com官方网站 3

0 引言

我国海域辽阔,海洋资源丰富,享有3×106km2 海域面积的管辖权,拥有7000多个面积超过500m2 以上的岛屿及1.84×104km的大陆海岸线[1,2],深海区 蕴藏着大量的油气和丰富的可燃冰资源。支持海洋 开发,发展海洋科技,已成为了我国的基本国策。 2011年,我国海上油气产量约为5×107t,占当年全 国油气总产量的20%,2014年“海洋石油981”, 2015年“兴旺号”深水半潜式钻井平台的搭建及 2017年南海可燃冰试采的成功[3],代表了我国油气开 采由浅海向深海迈进的步伐,推动了我国的“深海 开发”计划。随着海洋资源的开发和利用,海洋采 油平台、港口码头、海底隧道、跨海大桥、海洋环 境下的铁路、大坝等基础设施都在被大量兴建。而海洋因具有的高含盐量潮湿大气、高溶氧量浪花及 浮游生物等因素,被公认为钢结构的强腐蚀环境。 如何减缓基础设施在海洋环境中的腐蚀,减少因腐 蚀带来的经济亏损及人员伤亡,已成为了一个衍生 出来的重要问题。


1 海洋环境中基础设施的腐蚀问题 

1.1 海洋的强腐蚀环境

海面看似平静,海底波涛暗涌,海水的流速、 含盐量、pH值、电导率、微生物种类、海底土壤电 阻率等因素使得钢结构设施在海洋环境下极易发生 腐蚀。根据海水与基础设施的接触情况,一般将海 洋腐蚀环境分为以下5种。

(1)海洋大气腐蚀区。 该区域因具有高含盐量、高含湿量的空气,会在基 础设施的干燥界面附着形成强腐蚀介质液化膜,连 接碳钢内的碳原子和金属颗粒,形成无数极小的原 电池,从而腐蚀、破坏钢结构设施。海洋大气对碳 钢的腐蚀速率约为50μm/a[4-7]。海洋大气环境腐蚀 最严重的区域为距离海岸线20km左右的位置,越远 离海岸线,腐蚀速率越低;

(2)飞溅区。这是海洋 环境腐蚀最强的区域,该区域一般位于海面平均高 潮位之上0~2.4m处,海浪可以飞溅到的位置。这 个区域的海浪翻腾、搅拌,携带着高含盐量、高含 湿量、高含氧量空气的浪花,不断飞溅、拍打基础 设施表面,加上阳光中紫外线的照射,基础设施表 面的保护层会被加速破坏、剥落,内部钢材的腐蚀 速率也随之加快。该区碳钢平均腐蚀速度约为500 μm/a[5];

(3)海潮涨落潮差区。在该环境下,饱 和了氧气的海水和冬季流冰会随着海洋的涨潮和 落潮不断撞击基础设施的钢筋混泥土或钢结构, 加上浮游海生物的附着,海潮涨落潮差区的钢材 腐蚀速率平均约为100~370μm/a[5, 6];

(4)全浸 区。基础设施的钢筋混凝土结构长期、全部浸没于 海水中,受到海水的流速、电导率、硫酸盐还原 菌、海洋温度、海水中Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl-、 CO32-、SO42-等离子含量因素的影响,腐蚀速率约为 130~250μm/a[5];

(5)海泥区。该区域腐蚀环境非 常复杂,厌氧菌的繁殖、海生物的污损、低的土壤 电阻率等因素均不利于钢结构的稳定。海泥区因结 合了土壤腐蚀与海水腐蚀的特点,而使得钢铁腐蚀 的速率约为 20~80μm/a。 

1.2 海洋环境基础设施的腐蚀问题

海洋环境对于钢结构基础设施的防腐而言是严 苛的、困难的,绝大多数钢结构基础设施都难以避 免的在海洋环境中发生了不同程度的腐蚀。1956年 建成的湛江码头使用至1963年就发生了明显腐蚀, 其中钢筋膨胀91%,北仑港码头、引桥,1981年建 成1987年开始修复,钢筋膨胀69%~100%[8];舟山 是典型的临海城市,基础设施受海洋大气腐蚀严 重,舟山金塘大桥投资77亿,于2009年通车运行, 而2016年的检修报告中就提及,钢箱梁的上表面涂 膜粉化严重,桥梁腹部涂膜有0.3%~5%的霉斑、起 泡,防风栏及防风墙处的螺栓和支架明显腐蚀[9]。舟 山当地的储油罐,特别是带有保温层的储油罐,当 顶端积水时,外表层很快被锈蚀,加上当地潮湿高 盐的土壤环境,20%的储油罐未到检修期油罐底部 已频繁的发生了孔蚀现象[10]。海洋环境下的腐蚀, 同样发生在了曹妃甸跨纳潮河2#大桥混凝土、深圳 东宝河特大桥桥梁、海南珠碧江双线特大桥混凝土 处[11-13]。英国北海的“亚历山大基定德”号钻井平 台桩的焊缝,曾因海水腐蚀产生裂纹,裂纹不断发 展致平台倾倒,造成123人遇难。墨西哥湾“深水地 平线”钻井平台,因海底阀门腐蚀失效引发爆炸, 死亡11人,溢出原油400万桶[14],严重污染了海洋环 境,成为了美国海域的灾难。海洋的腐蚀环境是客 观存在的、不可改变的,但若能提前对这些基础设施设计完善、有效的防腐方案,督促方案的落实, 海洋腐蚀中的25%~40%的损失是可以避免的,国内 外已有很多有效的防腐方案收获成效,氟碳涂料的 应用就是其中之一。 


2 氟碳涂料在海洋环境设施中的应用

2.1 氟碳涂料

氟碳涂料是以含氟树脂为主要成膜物的系列涂 料的统称[15]。氟碳树脂主链上的C-C键被F以螺旋式包 围并填充了C-C键的缝隙,形成紧密保护层,阻隔了 气体(比如氧气)和液体(比如盐雾、酸雨)对漆膜 的渗透,表现出了优良的防腐性能。氟碳树脂的C-F 键键能为485.6kJ/mol,大于自然光中最强紫外线的能 量411kJ/mol,从原理上氟碳树脂是不易受紫外线破坏 的,具有优异的耐候性能,这点高柳敬[16]等人的实验 结果给出了证明。氟碳树脂的改性,或提高涂料的亲 水性,使雨水带走漆面的灰尘、污渍;或提高涂料的 疏水性,防止油污、雨水、含盐液滴润湿漆面,减 缓设施腐蚀速率。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洁能力[17,18],能 降低基础设施的维护频率,提高经济效应。氟碳涂 料因其优异的防腐性能,被业界称为“涂料王”。 

2.2 氟碳涂料在海洋环境设施中的应用

我国已建海上采油平台200多处[19],目前数量还 在增加。2006~2010年,修建桥梁91718座[20],每年 需投资20000亿[21]修建沿海城市的基础设施。但因海 洋环境影响,在2016~2017年,仅江、浙、沪三省 就有400座桥梁迎来了大修计划,我国有40%的桥梁 现处于维修阶段[22]。这些综合因素的影响,加速了 我国防腐涂料的开发和在海洋环境防腐中的应用。 氟碳涂料因其优异的抗腐蚀性、耐热性、耐候 性、耐摩擦、低温固化、保色、保光、自清洁等特 点,而作为面漆被广泛的应用到海洋环境的桥梁、 铁路、大坝、海洋采油平台、港口码头、风电设 施、储油罐等基础设施防腐方案设计及修复方案设 计中。2009年建成的青岛海湾大沽河大桥[23],面漆 采用膜厚30μm+30μm的2道氟碳涂料;2010年建 成的安庆长江铁路大桥,面漆采用35μm+35μm膜 厚的2道氟碳涂料;2012年新建的马鞍山长江大桥中 面漆应用了1道40μm膜厚的聚氨酯涂料,外加1道 35μm膜厚的氟碳涂料;2014年新建的港珠澳大桥, 面漆采用了膜厚40μm+40μm的2道氟碳涂料,目前 这些大桥服役状态良好,色泽鲜亮有光泽。因为氟 碳涂料优异的防腐效果,它还被应用到了大桥的修 复工程中[23],其中上海徐浦大桥修复的65×103m2, 上海杨浦大桥修复的50×103m2,厦门钦州大桥修 复的45×103m2,均采用了2道氟碳涂料的面漆。常 盘桥[16]重涂氟碳涂料20年后,测定60°光泽保持度 为100%,色差2.3,处于非常好的状态,达到了重 涂的预期。潘云飞[24]等研制的弹性氟碳涂料具有优 异的耐候性、防腐性能、保光率,漆膜不易粉化、 开裂,同时又具有抗开裂性和高延伸率,能用于海 洋环境中的混凝土结构的防护中,减缓混凝土的膨 胀、开裂问题。耿立平[25]等人的研究结果表明,氟 碳面漆抵抗紫外线的能力明显强于脂肪族聚氨酯面 漆,防腐性能优异,以50a服役期限分析,储油罐采 用氟碳涂料作为面漆的总费用最低。孙振红[26]等人 研制的高压无气喷涂氟碳涂料,成功有效的解决了 高压无气喷涂储油罐时不出漆、漆膜流挂、针孔、 橘皮等问题。邓强等[27]制备的四氟型氟碳涂料常温 固化,张乐显[28]等改性的氟碳涂料,具有优良的耐 盐雾、耐磨性、耐候性及自洁能力,这些氟碳涂料 用于海上风电设备的表面防护,结果表明涂料耐盐 雾、耐化学品且电绝缘性能良好。广东明阳风电大 胆地将氟碳涂料,应用在了海上风电设备的防腐设 计及修复方案中,并取得了优异的防腐成效[6]。氟碳涂料若应用在天线塔桅的防腐中,能解决塔桅的锈 蚀问题,保证了雷雨季节,导航设备的安全飞行。 氟碳涂料除了适应于海洋环境基础设施防腐以外, 同样适用于内陆环境的城市设施防腐,例如北京故 宫、北京鸟巢、上海东方明珠电视塔、青藏铁路、 宜昌三峡工程、美国文艺复兴中心和法国世纪之门 等标志性建筑都大量的使用了氟碳涂料。 


3 结语

氟碳涂料已被广泛的应用到了海洋采油平台、 大桥防腐设计及修复、海洋环境储油罐和海上风电 设备的防腐中,效果显著。比较氟碳涂料和其他涂 料,虽涂装投入成本较高,但后期维护频率更低, 服役时间更长,从长远防护成本计算,提高了经济 效应,在众多的涂料中表现出了明显的市场竞争优 势和潜在实力。但氟碳涂料使用时也有一些弊端, 如:氟碳涂料面漆施工时,VOC较高、涂装间隔时 间短、工序繁琐。如何改性氟碳涂料,使其提高环 保性能、优化固化条件和时长、增强涂料自清洁能 力,是目前及未来我们关注的焦点。


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