非常榮幸到這里跟大家交流海洋工程結(jié)構(gòu)腐蝕控制技術(shù)。
在海洋里面，海工結(jié)構(gòu)主要是金屬，金屬在海洋環(huán)境條件下，腐蝕是繞不開的問題，我們需要給它解決。我下面分四個(gè)方面做一個(gè)簡(jiǎn)單介紹。
從總體腐蝕狀況來看，2003年中國(guó)工程院組織了一個(gè)調(diào)查，我們國(guó)家的腐蝕損失大約占到了GDP的5%，這個(gè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于美國(guó)的腐蝕損失和日本的腐蝕損失，日本是一個(gè)海洋性的國(guó)家，它還低于3%。我們看一下2012年，GDP是51.9萬億，腐蝕損失5%的話，那就是2.6萬億。按照國(guó)際上大家認(rèn)為，腐蝕損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所有自然災(zāi)害的損失之和，可能大家通常沒有深刻的認(rèn)識(shí)，因?yàn)樗幌裢蝗挥惺裁醋匀粸?zāi)害了，大家印象比較深刻。比如說2008年的汶川地震，本身?yè)p失了這么多，但腐蝕的損失要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所有自然災(zāi)害的損失。
那么在海洋里面腐蝕損失的量到底是多少?這個(gè)目前中國(guó)沒有具體的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。總的來說，要想克服巨大的損失，就需要采取一些相應(yīng)的控制措施，怎么來控制呢?任何一個(gè)溶液都有一個(gè)PH值，比如說鋼鐵，在這個(gè)區(qū)域里面不腐蝕，在這個(gè)區(qū)域里面腐蝕，在這個(gè)區(qū)域里面鈍化，不會(huì)腐蝕得太快。但我們的海工結(jié)構(gòu)，經(jīng)常采用這個(gè)保護(hù)，往往給它控制在不腐蝕區(qū)域或者是這個(gè)區(qū)域腐蝕速度非常慢，所謂不腐蝕區(qū)不是說百分之百不腐蝕。我們女士們?cè)敢獯鹘痦?xiàng)鏈，任何金屬有一個(gè)電位，這個(gè)電位是正的，抵抗腐蝕就很好了。鋼鐵材料呢，它不是太好。這個(gè)是從總體電位上材料的電化性活性決定它是不是產(chǎn)生腐蝕。它是不是產(chǎn)生腐蝕，還取決于腐蝕動(dòng)力學(xué)，比如說碳，它在動(dòng)力學(xué)上表現(xiàn)出來，腐蝕速度非常低。根據(jù)這樣一個(gè)動(dòng)力學(xué)規(guī)律呢，就能夠計(jì)算出來一個(gè)金屬在一定條件之下，是不是腐蝕，它的腐蝕速度是多少。在這個(gè)時(shí)候，我們?cè)谠O(shè)計(jì)海洋工程結(jié)構(gòu)的時(shí)候，就需要考慮到底我設(shè)計(jì)多大的腐蝕余量，能夠保證在它的使用壽命范圍之內(nèi)是安全的。那么在海洋里面，無論是在大氣里面，它都有這樣一些氯離子，硫酸根離子，所以說海洋平臺(tái)的頂部腐蝕速度也是比較快的，當(dāng)然最快的是飛濺區(qū)，一會(huì)兒沖點(diǎn)水，一會(huì)兒干了，這時(shí)候腐蝕速度是最快的。然后潮差區(qū)，然后是泡在海里稍微慢一點(diǎn)。但由于它長(zhǎng)期泡在海里面，在海洋的最頂部含氧量比較高，越往下含氧量比較低，再到深海含氧量又會(huì)長(zhǎng)上來。再有就是溫度，在海水表面，南海可能是三四十度，那么到了海底可能到零度，基本上在零度到5度之間，海水的PH值，在深水跟淺水不一樣，含鹽量也比較高。因此無論鉆探也好，管道也好，還是平臺(tái)結(jié)構(gòu)也好，要想做到深海里面各個(gè)區(qū)域腐蝕速度又不一樣，因?yàn)樗趿坎煌瑴囟炔煌}份不同，PH值不同。這是我們?cè)谄脚_(tái)的頂上的照片，比較嚴(yán)重的腐蝕，特別是彎管、結(jié)頭不容易防護(hù)，這種導(dǎo)管架表面也容易腐蝕，經(jīng)常涂刷，防腐蝕變成確保海臺(tái)平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全的問題。
那產(chǎn)生的均勻腐蝕，疲勞腐蝕，包括海生物的污損，會(huì)嚴(yán)重的加重平臺(tái)結(jié)構(gòu)的重量。在開采油氣田的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)有二氧化碳和二氧化硫，包括平臺(tái)的管道結(jié)構(gòu)，在海洋開采里面，整個(gè)輸油過程，包括油船過程中，都有可能硫化氫二氧化碳，這時(shí)候使得管道包括運(yùn)輸?shù)拇瑢?duì)它耐腐蝕性的要求非常高。這樣一個(gè)工程結(jié)構(gòu)，受的力，受的腐蝕，這種環(huán)境條件就會(huì)影響它的安全性。
那么怎么去控制它呢?總的來看，我們首先所謂打鐵要自身硬，鋼鐵材料自身要耐腐蝕，所以要發(fā)展耐腐蝕材料。第二個(gè)就是進(jìn)行表面處理和表面改性，這樣的話，使得跟水或者是氣接觸的表面上，自身比較抗腐蝕。第三就是涂層，然后是應(yīng)急保護(hù)，這在我們平臺(tái)上面經(jīng)常用的。緩釋劑，油氣田開采里面要使用的，結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，以及安全可靠性評(píng)估，這都是確保安全的措施。按照統(tǒng)計(jì)來看，這個(gè)是包括了所有的腐蝕控制技術(shù)，不專指海洋，涂料涂裝占了70%，然后是耐腐蝕材料，然后是表面處理。
那么從耐腐蝕材料來看，高分子材料抗腐蝕性肯定是比較好的，但強(qiáng)度得到一些限制，有一些地方難以用高分子材料，必須要用鋼材料。耐海水腐蝕的鋼，這是在海洋工程里面用得最多的。當(dāng)然在一些船里面，比如說運(yùn)輸?shù)拇锩妫踔恋搅丝量虠l件下的海底管道上，耐表面用雙向不銹鋼，這樣的話，使得它能夠抵抗油氣里面含有的二氧化碳硫化氫抵抗腐蝕，再有復(fù)合材料。這是一個(gè)典型的例子，怎么樣來耐腐蝕，比如說加添鉻的元素，當(dāng)然成本也會(huì)提高。從我們鋼鐵材料里面，通過元素成分的調(diào)整，通過微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)整，就可以顯著改善它的耐腐蝕性。我們鋼材總院的專家講到鋼材材料的時(shí)候，也會(huì)有這樣的問題。
第二個(gè)就是表面改性，包括表面的化學(xué)熱處理，激光重熔。用得最多的還是涂料，涂料要求要防腐蝕，還要防海生物的污損，還有海底管道表面還要能夠減阻，輸送起來的效率能夠提高，所以在海洋里面鋼結(jié)構(gòu)防腐的涂料，這都是主要的。
總體來看，經(jīng)常使用的是這么三部曲，先做一個(gè)底漆，用的是富鋅的。這個(gè)底漆做完之后，做一個(gè)中間漆，希望能夠抵抗海水的滲透速度，比如說采用環(huán)氧云鐵。最后是面漆，聚氨酯用的是最多的。從海洋涂料的總體發(fā)展趨勢(shì)來看，還是希望能夠綠色環(huán)保。因?yàn)槟壳坝玫耐苛希阅鼙容^好的還是有機(jī)類的，VOC含量比較高的這種。希望逐漸發(fā)展更多的高固體含量，這樣溶劑比較少，甚至達(dá)到無溶劑。再有沒有重金屬，因?yàn)橹亟饘贂?huì)導(dǎo)致整個(gè)環(huán)境的污染，再有進(jìn)一步做到水性化，這是整個(gè)涂料的發(fā)展趨勢(shì)。還有一個(gè)減化種類和體系，把防海腐蝕，把海生物減阻符合在一起，這種涂料能夠一次性的做上去，每一種漆還要涂好幾次，這種施工的缺欠機(jī)率比較多，污染也比較多，希望做到一次化的。再有希望做到低表面處理，因?yàn)檫@些鋼管的表面，平臺(tái)的表面都有這種銹，在涂裝的時(shí)候，都要預(yù)先除銹，最好是低表面處理，對(duì)于降低成本是非常重要的。還有一個(gè)智能化，因?yàn)樵谕苛贤可先ヒ院螅纬赏繉樱睦锊缓茫绻軝z測(cè)出來的話，是比較好的，現(xiàn)在發(fā)展一種智能化的涂料，我涂上去以后，拿個(gè)手電筒一照，就能知道這個(gè)地方有缺欠，那我就可以修復(fù)好了。還有一個(gè)自修復(fù)，在海洋工程結(jié)構(gòu)里面，難免有一些磕磕碰碰，如果有這種損傷的話，它這個(gè)涂料能夠自動(dòng)釋放出來一些東西，使碰傷的地方能夠自動(dòng)修復(fù)出來。這種涂料呢，也是目前全世界都在不斷發(fā)展的，在研究上，已經(jīng)取得了比較大的進(jìn)展，但在工程化使用上，目前還需要等待機(jī)會(huì)。
再有一類用傳統(tǒng)的涂料進(jìn)行納米的改性，使得平臺(tái)的頂部需要耐紫外線的照射，還有耐海水的腐蝕，這幾種改性的方法發(fā)展得比較快，能夠大幅度提升涂料的性能。我們也都希望這種大的平臺(tái)結(jié)構(gòu)，一次性的制造完，最好設(shè)計(jì)二十年，我這二十年都不要?jiǎng)铀裁炊际呛玫模@是最理想的。
還有一類是金屬類的陶瓷層，這個(gè)在一些靠近海岸的邊上已經(jīng)在使用，一次性涂裝，能夠抵抗二十年。
防止海生物污損，也是我們?cè)诤Ｑ笃脚_(tái)結(jié)構(gòu)的要求。總體來看呢，過去一直是加添防污劑，最初是加一些鉛、汞啊，后來這種重金屬被禁止了，后來加DDT，后來被禁止了。目前總的趨勢(shì)，要想防污，加點(diǎn)毒物，讓海生物無法附著。現(xiàn)在是加氧化銅，海生物吸收了銅，人吃了它，對(duì)人也是不利的，也不是一個(gè)環(huán)保的方法，現(xiàn)在還在不斷的摸索，這樣一些能夠讓海生物不沾污的東西是什么，怎么讓海生物不沾污，還能對(duì)整個(gè)生物鏈里面不會(huì)造成影響。還有一個(gè)是低表面能，還有自拋光，它的壽命比較短，因?yàn)樗暮穸瓤偸怯邢薜摹?/p>
總體存在的問題，我們國(guó)家一直在防污損涂料上，都是靠進(jìn)口，自己生產(chǎn)的，目前規(guī)模化使用上的沒有。使用壽命呢，既使是進(jìn)口的，大概也就是在三到五年，環(huán)保型也還是需要進(jìn)一步的提高。從總的趨勢(shì)來看，要進(jìn)一步降低成本，因?yàn)楝F(xiàn)在防污涂料價(jià)格還是比較貴，延長(zhǎng)它的使用壽命和可靠性，從三到五年提高到七到八年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，然后無毒化也是防污涂料的趨勢(shì)。
在管道防腐蝕方面，三層聚乙烯或者是三層聚丙烯的涂層，這是目前在工業(yè)上使用的。這類也同樣，我們國(guó)內(nèi)大部分進(jìn)口。
還有一種是水下的施工的重防腐涂料，因?yàn)樵谄脚_(tái)周邊，難免會(huì)有損傷，這時(shí)候就需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)水下的修復(fù)，目前國(guó)內(nèi)雖然能做出來了，但真正平臺(tái)上用的，還是國(guó)外的產(chǎn)品。就像上午大家討論到這類的問題，你的用過沒有?沒有用過，沒有經(jīng)驗(yàn)，沒有證明，那就不能用。現(xiàn)在有一些東西往往是這樣的，從技術(shù)上本來是可以有，但因?yàn)樗鼪]有施工的經(jīng)驗(yàn)，沒有真正使用的經(jīng)驗(yàn)。另外一類是金屬鍍成或者是涂層，相當(dāng)于在內(nèi)部結(jié)構(gòu)用得比較多，外部直接面對(duì)海水的相對(duì)少一點(diǎn)，但近年來發(fā)展了一種冷噴涂的技術(shù)，是完全有可能在外部結(jié)構(gòu)表面上使用的一種技術(shù)。我們噴涂過程中，局部的溫度，像熱噴涂，等離子噴涂可以達(dá)到上萬度的問題。冷噴涂技術(shù)發(fā)展出來以后，它可以我們希望涂附的金屬材料涂在表面上，比如說整個(gè)是鋼鐵結(jié)構(gòu)，但局部涂肽層，這時(shí)候它的耐腐蝕性就會(huì)顯著的提高。
那么陰極保護(hù)技術(shù)，在海工結(jié)構(gòu)里面用得最多的。實(shí)際上，在很深的地方都是不進(jìn)行涂裝的，直接讓鋼鐵裸露在海水里面，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，做一個(gè)應(yīng)急保護(hù)，實(shí)際上是犧牲陽(yáng)極。通過犧牲陽(yáng)極，它保護(hù)了鋼鐵材料，盡管有保護(hù)，不是說百分之百一點(diǎn)腐蝕也沒有，它還是有一點(diǎn)點(diǎn)腐蝕余量，原來設(shè)計(jì)的時(shí)候就留有腐蝕余量。
再有一個(gè)海底管道用的手鐲式的陽(yáng)極，一個(gè)陽(yáng)極也是幾百公里，這是犧牲陽(yáng)極。還有一類外加電流的應(yīng)急保護(hù)。這種保護(hù)的時(shí)候呢，應(yīng)急保護(hù)和涂層都存在的地方，這個(gè)地方它可能會(huì)造成涂層的應(yīng)急剝離，本來涂了一涂層，使得涂層與鋼材表面直接脫離了，所以涂層跟應(yīng)急保護(hù)連用的時(shí)候，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，要考慮進(jìn)去不產(chǎn)生這種應(yīng)急剝離。我們整個(gè)平臺(tái)設(shè)計(jì)的時(shí)候，怎么樣把電廠，無論是犧牲陽(yáng)極還是采用外加電流，都需要把整個(gè)電場(chǎng)有效的計(jì)算出來，到底我們?cè)谀膫�(gè)地方施加陽(yáng)極或者施加相應(yīng)的電流，使得整個(gè)電流場(chǎng)分布均勻，每個(gè)地方都能得到保護(hù)，如果哪個(gè)地方得不到保護(hù)，就會(huì)迅速的腐蝕掉。所以在布置陽(yáng)極的時(shí)候，都是非常重要的。特別是在油氣田開發(fā)的時(shí)候，這樣一個(gè)平臺(tái)，可能原來預(yù)計(jì)，這個(gè)區(qū)塊20年開采就完事了，但到這個(gè)地方一看，這個(gè)地方還有很多的油氣，還能開采十年，這時(shí)候怎么辦?因?yàn)樵瓉碓O(shè)計(jì)的是犧牲陽(yáng)極，整個(gè)底下沒有涂層的，原來設(shè)計(jì)是20年，這時(shí)候怎么辦?只好施加外加電流，因?yàn)椴淮罂赡茉俚剿潞附樱匦潞笭奚?yáng)極。這時(shí)候施加保護(hù)的時(shí)候，就需要外加電流，這就更需要把電流計(jì)算好，做它的壽命延長(zhǎng)和整體評(píng)估。
還有一類是緩釋劑，在油氣田開采的時(shí)候，是要用到的，包括在油輪運(yùn)輸這樣一些油氣的時(shí)候，甚至于管道在運(yùn)輸?shù)臅r(shí)候，都需要添加這樣一些緩釋劑，從陸地油田上的使用，逐漸推到海上油田上的使用。這是在油井上，含有氯化氫的油井，使得腐蝕速度降得非常低，這樣的話，使得海上相關(guān)的設(shè)施得到了很好的腐蝕速度的控制。當(dāng)然有的地方，把緩釋、殺菌、阻構(gòu)能夠復(fù)合到一起。
再有一個(gè)涉及到結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)與檢查，因?yàn)檫@樣的平臺(tái)結(jié)構(gòu)，在使用過程中，它總會(huì)有腐蝕的一些問題。什么時(shí)候到底有腐蝕，什么時(shí)候有開裂等等，需要有這種檢查。我們發(fā)展了這樣一個(gè)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的腐蝕速度或者是里面的氫含量，包括環(huán)境中的離子等等這種監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以進(jìn)行原位的監(jiān)測(cè)。平臺(tái)上的監(jiān)測(cè)，目前還沒有平臺(tái)的要求去實(shí)現(xiàn)，但在近海岸的結(jié)構(gòu)里面用得比較多，包括跨海大橋上，隨時(shí)掌握它的狀態(tài)。
最后，涉及到的就是耐久性與剩余壽命的評(píng)估。我們確保海工結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性，這是非常非常重要的。我們?cè)诤５坠艿溃脚_(tái)結(jié)構(gòu)壽命評(píng)價(jià)方面，這都有一些方法。要想做到這一點(diǎn)呢，需要實(shí)驗(yàn)室做大量的模擬海洋工況下的實(shí)驗(yàn)，包括高壓的硫化氫、二氧化碳做模擬，通過這種模擬掌握規(guī)律之后，才可以預(yù)測(cè)這樣一個(gè)海工結(jié)構(gòu)是比較安全的。
最后我再說一點(diǎn)，剛才提到了納米涂料，納米的這個(gè)涂料，是我們近些年來發(fā)展出來，可以說過去十年來發(fā)展出來的技術(shù)。但是要想把納米用到里面，首先這個(gè)納米特別容易團(tuán)聚，這是 國(guó)際難題，很難有效分散開來。我們就發(fā)展了這種高濃度低黏度的納米濃縮漿，只有固體份含量比較高，溶劑比較少，這時(shí)候加添到涂料里面，副作用就比較少，正作用比較大，這是國(guó)際上能夠得到的濃度值，隨著濃度含量高，它的黏度迅速上升。這個(gè)漿，因?yàn)榧{米放放，它又沉淀了，所以我們新發(fā)展的這個(gè)沉淀量也是比較少的。然后把它加到涂料里面，可以抗紫外線，甚至到了加5%，百分之百的紫外線都穿不過去。耐磨損性能也會(huì)提高。耐腐蝕性也可以按照阻抗方法評(píng)價(jià)，它有三倍的提高。含納米的材料，目前做了示范的工程，這還需要進(jìn)一步工程的考驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)室來看，做得已經(jīng)很好了。
還有一種在油氣田里面，適合于海洋酸性的油氣田，有硫化氫二氧化碳的時(shí)候，能夠抵抗這種條件下加納米的涂層。
最后，我想說一下，腐蝕防護(hù)，實(shí)質(zhì)上，我們既然是一個(gè)材料，一個(gè)環(huán)境，要么你改善材料它自身抗腐蝕材料好，要么改變環(huán)境，加緩釋劑，更主要的是想辦法把它們隔開，用涂料，或者是高性能材料，用離子或者是水，或者是氧能夠控制它的擴(kuò)散速度，讓它進(jìn)去比較緩慢。那我們用什么方法，這要看我們具體使用的部位，我們要拿出來多少錢來防護(hù)它，要看它各種優(yōu)缺點(diǎn)。所以說監(jiān)測(cè)技術(shù)、評(píng)價(jià)技術(shù)，這也是我們確保海工結(jié)構(gòu)安全性的一些重要措施。總體來看，降低成本，環(huán)保、安全、高性能，這是我們腐蝕控制發(fā)展的總趨勢(shì)。這項(xiàng)工作得到了國(guó)家科技部項(xiàng)目的支持，以及我們學(xué)生和同事的努力工作，也謝謝大家花時(shí)間來聽，也感謝會(huì)議組織者的邀請(qǐng)。
謝謝。
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