海工结构复合材料包覆隔离防腐技术研究

郑传祥* 朱 军 苏小芳 闫春波 林 娇

（1.浙江大学 2.江苏南通蓝岛海洋工程有限公司 ）

1 海水防腐技术概述

在海洋风电开发过程中，需要使用大量的钢结构承载基础，这些结构长期暴露在极其苛刻的海洋腐蚀环境中。钢结构在潮差浪溅区腐蚀最为严重，平均腐蚀速率约为0.3～0.5 mm/a，比其他区域高约3～10 倍。因此本文主要解决潮差浪溅区的防腐问题[1-5]。

现有海洋防腐技术可分为以下几类。

（1）加厚钢板

加厚钢板增加了材料的腐蚀裕量，这种方法简单实用，但是对局部腐蚀防护效果不佳，钢材浪费严重，且增加了设备质量，目前在大型海工结构中已基本不使用[6]。

（2）表面处理

表面处理技术主要包括以下几种：a）表面改性，通过物理或化学方法改变海工结构表面的化学成分或组织结构从而增强其耐腐蚀性能，可用于形状复杂的构件的防腐问题[7]；b）防腐涂料，该方法是目前应用最广泛、最实用的海洋防腐方法，其缺点是防腐涂层受温度影响大，在复杂恶劣的潮差浪溅区，需要与其他防护技术结合形成联合保护[8-10]；c）防污涂料，防止海洋生物附着和污损海洋工程结构，从而保持海洋结构表面的光洁[11-12]。

（3）包覆隔离

包覆隔离技术主要包括以下几种：a） 混凝土包覆，这是一种较为陈旧却有效的防腐方法，当混凝土包覆层和阴极保护技术搭配使用时，能获得更好的防护效果[13]；b）日本学者提出了局部包覆耐腐蚀的蒙乃尔合金、中间填充缓蚀油膏的方法，现已经形成规模化应用；c）我国侯保荣院士等[6]提出的海洋钢结构浪花飞溅区新型复层矿脂包覆技术（PTC），由矿脂防蚀膏、矿脂防蚀带、密封缓冲层和防蚀保护罩4层紧密相连的保护层组成，有效防腐时间可达30 年以上[14]。

（4）耐腐蚀金属

耐腐蚀金属材料是通过调节金属材料中化学元素的成分、微观结构及腐蚀膜性质来降低金属腐蚀速率，从而提高金属耐腐蚀性能，耐海水钢必须辅助其他防腐方法才能更好地达到防腐的目的[15]。

（5）化学防腐

化学防腐技术主要包括：a）阴极保护法，可分为外加电极的阴极保护和牺牲阳极的阴极保护两种。前者主要用于保护小型的金属结构，后者主要用于保护大型金属结构[10]；b）将具有表面活性的化学物质喷涂在海工结构上进行物理吸附及化学吸附，使之占据金属表面的活性点，从而达到抑制腐蚀的作用[1]；c）使用缓蚀剂，缓蚀剂一般需与其他防腐方法联合使用，常用于封闭场合，例如油井等[15]。

（6）交叉新技术

交叉新技术主要包括：a）监测与检测是掌握腐蚀状态的关键手段，也是寿命评估的基础，与其他防腐方法组合使用效果很好[16]；b）结构可靠性评估，通过积累各种服役条件下的材料环境性能数据、结合监测与检测技术、提出寿命估算模型，对工程结构开展安全评价、可靠性分析、寿命评估[17]。

2 复合材料包覆隔离新技术

对海洋承载结构耐腐蚀技术分析后可知，现代防腐技术已经不再采用单一技术进行防腐，而是根据海洋结构的使用寿命要求和成本经济学要求进行多学科综合防腐。现有的金属包覆隔离技术耐腐蚀效果好，但是成本较高，制约了其适用性，因此利用新型检测技术和低成本的包覆隔离材料，使该技术保持优点，降低成本，提高适用性。

2.1 复合材料包覆隔离技术的原理

在整个海洋承载基础结构的防腐设计中，该防腐新技术改进了现有防腐技术的短板，提高了整个结构的使用寿命，且采用新型复合材料降低了成本。

该结构以复合材料包覆防腐为主，防腐涂层为辅，首层防腐层由防腐漆、防腐油脂或其他耐海水防腐材料组成，复合材料包覆隔离层由纤维和树脂组成；纤维一般采用碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或者其他耐海水腐蚀的纤维，树脂则采用环氧树脂或者其他耐海水腐蚀的热固性树脂。先将复合材料隔离层粘贴在首层防腐层上，再以预拉应力拉紧纤维，使其紧贴在海工钢结构的外表面，固化后与海工钢结构的外表面形成紧密的密封面，从而隔离海水。表面保护层材料采用环氧树脂涂层或者其他耐海水冲刷的油漆。为了提高可靠性，该技术设置了海水渗透检测装置监控包覆隔离防腐层的泄漏情况，为后期检测维护提供保障。在后期监测维护过程中，当海水飞溅区部位复合材料包覆层破损，或者密封失效时，环形渗水沟槽被海水渗透，海水积液接通2 个对应的传感器，使电路，形成闭合回路，信号灯亮起发出故障警示，而根据感应器报警位置可以确定复合材料覆盖层发生破损的精确部位，从而实现定位监测和修复功能。该技术的工作原理如图1 所示[18-19]。

图1 防腐实时监控原理图

2.2 复合材料包覆隔离的结构设计

图1 中A-A 为包覆隔离结构的局部放大图，海洋工程钢结构的外侧依次涂附首层防腐层、预应力缠绕的复合材料包覆隔离层和表面保护层；防腐结构在海水飞溅区部位具有环形渗水沟槽，环形渗水沟槽被复合材料包覆隔离层包覆后形成密闭的空间，在密闭的环形渗水沟槽内设置1 对或以上对称布置的海水渗漏检测装置，该装置的导线从复合材料包覆隔离层与首层防腐层之间的两端引出，海水渗漏检测装置的信号通过渗水检测装置的导线、电源提供给显示灯，构成1 个检测回路。显示灯、其他电流信号或者电压信号可以传输到更多的信号终端并显示。环形渗水沟槽的深度不超过2 mm，宽度不超过20 mm，正常情况下环形渗水沟槽与海水是隔开的，复合材料层包覆隔离层中的纤维预应力拉紧贴合在海洋工程钢结构形成密封结构。

该新技术用纤维增强的树脂复合材料将海水与钢结构彻底隔离，因此耐腐蚀寿命得到了大大提高。

2.3 复合材料包覆隔离技术的应用

海洋风电技术已经在国内发展了十多年，部分导管架平台已达设计寿命，阳极消耗殆尽，如果平台要继续服役，就需要进行更换或维修，二者均需要较高的维护成本。新的风电利用要求承载基础的导管架使用寿命为50 a，因此实现长寿命服役期的新技术是当前重点的课题[17]。

经过长期研究和工程应用，提出了该新技术在长寿面防腐中的应用范例，该工程中海工钢结构为碳钢钢管，碳钢钢管在海水飞溅区加工深为1.5 mm，长为15 mm 的环形渗水沟槽，外表面喷涂防锈漆，环形渗水沟槽内设置阳极和阴极导电棒，位于环形渗水沟槽内的部分不与任何物体接触，另一端固定在复合材料隔离层内并相互绝缘，只通过导线引出复合材料隔离层外，并与电源和显示灯串联成回路；复合材料包覆隔离层采用T300 碳纤维预浸料预应力缠绕在碳钢钢管外，达到设定厚度后，外涂表面保护层，然后固化成型。当海水侵入复合材料包覆隔离层以后，会在环形渗水沟槽内积聚，由于海水中的离子可以导电，因此环形渗水沟槽内的阳极和阴极导电棒电源被接通，显示灯发光，适配器处的包覆隔离层已经失效，需要及时处理。修复复合材料包覆隔离层是该技术的另一个关键点，将失效隔离层清除干净，在潮汐位于低潮的时候将渗水传感器埋在环形渗水沟槽内，然后将预浸料碳纤维覆盖于外面，达到设定厚度后接好导线，固化成型后即完成修复工作。复合材料包覆隔离防腐比一般防腐手段具有更长的防腐寿命，可达30 a以上，而且维修、更换更方便。

3 结论

海工钢结构的海洋防腐主要可分为海洋大气区、潮差浪溅区、海水浸没区及海泥区防腐，其中潮差浪溅区防腐最为困难。防腐方法多种多样，且各有优缺点，但是没有一种方法能够彻底解决腐蚀问题，而是需要联合使用多种防腐技术来达到长时间防腐的目的。本文提出了一种以防腐涂料结合复合材料包覆隔离的防腐技术，采用耐腐蚀复合材料作为包覆隔离材料，增强纤维预应力缠绕在钢结构表面形成密闭的隔离层，同时设有海水泄漏监控系统。该技术不仅具有包覆防腐的作用，还能够对防腐层进行实时定位监测，方便维护和定位修补。与现有同类技术相比，该技术具有成本低、寿命长、维护方便等特点。