热喷涂：浪花飞溅区钢结构的热喷涂腐蚀控制研究进展
刘 毅，魏世丞，王玉江，梁 义，徐滨士
腐蚀与防护2012年10月
摘要：浪花飞溅区是海洋钢结构腐蚀最严重的区域，威胁着海洋钢结构的安全稳定运行。开发浪花飞溅区钢结构长效防腐蚀技术尤为必要。本文介绍了国内外对浪花飞溅区钢结构的腐蚀控制技术，在此基础上，综述了热喷涂长效防腐蚀技术及其工程应用，并指出了其今后的发展方向。
关键词：浪花飞溅区；高速电弧喷涂；长效防腐蚀涂层
海洋占地球表面积的７１％，海洋中蕴藏着丰富的能源、生物和矿产资源［１］。海洋产业增加值占ＧＤＰ的比例逐年提高，２００８年我国海洋产业总产值达到２９６６２亿元［２］。但是海洋苛刻的环境所引发的腐蚀灾害也越来越突出。
腐蚀是指材料受环境介质的化学、电化学和物理作用引起的破坏现象［３］。据统计，全球每年的腐蚀损失至少占国民生产总值（ＧＮＰ）的４％～５％，其中有２０％～２５％的损失可通过采取适当措施加以避免［４］。２００３年中国工程院发布腐蚀调查报告：据不完全统计，我国年腐蚀损失为５０００亿元，占２０００年当年ＧＮＰ的６％［５］。到２００９年，据测算我国因腐蚀造成的损失超过１万亿元［６］。针对海洋产业腐蚀损失约占全国全部腐蚀损失１／３的现状［７］，２０09年我国海洋腐蚀损失约为３３００多亿元，因此，海洋腐蚀将是我国海洋科技发展亟待解决的重要课题。海洋环境按照腐蚀区域自上而下可划分为：海洋大气区、浪花飞溅区、海水潮差区、海水全浸区（包括浅海区、大陆架区和深海区）和海底海泥区五个区带。我国从２０世纪７０年代起开展了钢铁设施在海洋环境不同腐蚀区带的腐蚀规律研究，并发明了电连接模拟海洋腐蚀试验装置与方法，建立了海洋环境腐蚀模拟装置。国内外的海洋腐蚀研究结果表明，钢结构设施在海洋环境不同腐蚀区域带的腐蚀速率有明显差别。其中钢结构在浪溅区的腐蚀最为严重［８－９］。
１ 浪花飞溅区的腐蚀特点
浪花飞溅区位于平均高潮位以上，涨潮时海水不能浸泡而海水的浪花飞沫和海水微粒能飞溅到的区域，其腐蚀最严重的部位（峰值位置）取决于海洋气象条件，没有明确的范围。我国在青岛、舟山、厦门和湛江四个海区的碳钢长尺２年的挂片试验表明：沿海港湾内浪花飞溅区的范围取决于当地的海洋气象条件，约在海水平均高潮位（ＭＨＷＬ）以上０～２．４ｍ处，其中最严重的腐蚀峰值在平均高潮位以上０．６～１．２ｍ处。在港湾外广阔的海面上，海洋浪花飞溅区及其峰值位置将因地而异［１０］。
由于位于海－气交换界面区，在此区域，钢表面受到海水的周期性润湿，处于频繁的干湿交替状态，材料表面积聚的盐粒子浓度远大于海洋大气区，加上供氧充分、日照充足、温度升高这些因素的综合作用，共同导致了钢结构在浪花飞溅区产生最严重的腐蚀［１１－１２］。一般情况下，钢在浪花飞溅区的平均腐蚀速度为０．３～０．５ｍｍ／ａ。同一种钢在浪花飞溅区的腐蚀速度较海水全浸区高出３～１０倍［１３］。阴极保护在该区域不能发挥作用，即使是世界著名的国际牌重防腐蚀涂料在浪花飞溅区也只能保障３～５年的防腐蚀效果［１２］。
有关实验结果表明［１０，１３］，长期在外海暴露的长尺试件，浪花飞溅区的腐蚀速率最高可达１ｍｍ／ａ以上，而在低潮位以下０．３ｍ全浸区的腐蚀速度仅为０．１～０．３ｍｍ／ａ。含盐粒子量大、水膜停留时间长以及干湿交替频率高是造成钢铁材料严重腐蚀的外界因素；其内在因素是钢铁表面所生成的锈层所起的特殊作用。在海洋浪花飞溅区干湿交替过程中钢的阴极电流大于在海水中的阴极电流，在海水中钢的阴极反应仅是溶解氧的还原反应，而在海洋浪花飞溅区干湿交替过程中，钢由于锈层自身氧化剂的作用而使阴极电流变大［１４］。
２ 浪溅区钢结构腐蚀控制技术
目前，钢结构在浪花飞溅区有多种腐蚀控制技术，常用的有以下几类［１５］：（１）使用耐蚀合金材料，如不锈钢或蒙耐尔合金，但成本较高；（２）涂敷重防腐蚀涂料，重防腐蚀涂料是一种高性能的防腐蚀涂料，主要用于苛刻的腐蚀环境，在海洋环境中应用较为普遍；（３）包覆防腐蚀保护套，该产品首期使用成本较高，国外应用较为成功的是美国，中科院海洋研究所与有关科研单位合作，联合研发了一种新型包覆防蚀（ＰＴＣ）技术，获得了较好地应用；（４）在钢结构表面喷涂金属防腐蚀涂层，当涂层厚度达到规定的要求，并施加防腐蚀封闭涂层后，可起到长效防腐蚀作用。该技术不仅可以用于新建钢铁设施的腐蚀防护，对于已建钢铁设施的腐蚀修复，同样具有良好的保护效果。表１是热喷涂长效防腐蚀涂层与重防腐蚀涂层的经济性对比数据［１６］。由此可见，热喷涂防腐蚀技术具有明显长效性和经济优势。
３ 热喷涂防腐蚀技术
３．１ 火焰喷涂技术
火焰喷涂是将喷涂材料在氧和燃气火焰中加热，然后以雾化状喷向经预处理的基体表面。近来发展出的超音速火焰喷涂技术，使涂层质量获得了极大的提高。超音速火焰喷涂是将助燃气体与燃烧气体在燃烧室中连续燃烧，燃烧的火焰在燃烧室内产生高压并通过与燃烧室出口连接的膨胀喷嘴产生高速焰流，送入的喷涂材料在高速射流中被加热、加速喷射到经过预处理的表面形成涂层［１７］。
３．２ 高速电弧喷涂
高速电弧喷涂技术是在普通电弧喷涂基础上，根据空气动力学原理，将高压气体通过特殊设计的喷管加速后雾化熔融金属，并高速喷射到工件表面形成致密涂层［１８］。装备再制造技术国防科技重点实验室将自动化技术与高速电弧喷涂相结合，研制出了机器人高速电弧喷涂系统（图１），并采用红外热像仪对喷涂温度场实时监控，实现了电弧喷涂工艺参数的在线智能化闭环反馈控制，进而实现涂层残余应力的优化控制。利用离线编程机器人实现了喷涂路径和喷涂参数的精确控制，获得了高稳定性的涂层质量。使电弧喷涂由传统手工操作的“粗放型”技术提升为喷涂工艺与涂层质量精确控制的电弧喷涂技术，具有涂层均匀性好、可重复性高的特点［１９］。
３．３ 热喷涂防腐蚀涂层
常用的热喷涂涂层主要有以下几种：①锌涂层，②铝及铝稀土涂层［２０］，③锌铝系列涂层［２１］，④非晶态涂层［２２－２３］，⑤高熵合金涂层。高熵合金是基于等摩尔比、高混合熵的理念设计的一类合金，具有非晶、纳米晶结构，显微结构简单化的组织特征和高强度、高硬度、高耐磨性、耐蚀性、耐回火软化特征［２４］。
３．４ 热喷涂在浪花飞溅区钢结构中的应用
２０世纪４０年代美国第一次使用热喷涂技术对墨西哥湾的海上井架和海上输油管进行喷涂，运行４年井架和输油管使用良好。１９７４年，美国焊接学会公布了经过１９年的现场挂片试验结论：厚度为０．０８～０．１５ｍｍ的铝涂层，不论是否封孔都能保证钢铁基体在海水、严酷的工业大气和及海洋大气中１９年不腐蚀［２５］。１９８４年，Ｈｕｔｔｏｎ张力平台的系链、升降机和锥形塔均采用热喷涂铝涂层进行防腐蚀处理，系链上喷铝涂层采用乙烯树脂封闭，升降机上的喷铝层采用硅树脂封闭。
Ｈｕｔｔｏｎ平台使用８年，在飞溅区没有发现腐蚀现象和褐色渗透效应。厚度测量结果表明，平台安装后涂层厚度没有减少［２６］。１９８９年，前苏联的试验也表明，１２０μｍ的热喷涂铝涂层在盐雾腐蚀环境下的寿命可达２０～２５年，１５０μｍ的锌铝涂层在潮湿大气中有４０年或更长的寿命［２７］。挪威空气研究所公布的覆盖有机涂层的钢铁在海洋浪花飞溅区（Ｔａｎｅｎｇｅｒ，挪威）暴露１４年半的试验结果表明，１６０μｍ厚的热喷涂铝涂层仅出现可见但不明显的破坏，１１个月的暴露试验结果表明，热喷涂铝涂层和铝镁涂层的腐蚀速度仅为２～３μｍ／年，厚２００μｍ的涂层防腐蚀寿命预计可达６０年以上［２４］。
国内也有较多的热喷涂应用实例。１９９７年胜利油田对二号平台的部分导管架喷涂锌铝复合涂层，结果表明，海洋平台喷涂锌铝金属覆盖层的防腐蚀效果十分明显，即使表面有机涂层脱落也会保护基体免遭腐蚀。先喷涂铝涂层，再喷涂锌涂层，涂层厚度１４０～１６０μｍ，再使用有机涂层封闭，是海上平台等钢铁结构件最为经济有效的防护方案［２９］。赖国伟等在钢铁基底热喷涂锌、铝及锌铝合金并复合有机涂层封闭防护体系在厦门海域进行实海试验。在飞溅区挂片４年后，Ｚｎ－Ａｌ合金涂层几乎没有变化，而Ａｌ涂 层有局部脱落，Ｚｎ涂层有 密布的 锈点［３０］。装备再制造技术国防科技重点实验室采用高速电弧喷涂技术对处于浪花飞溅区服役的浮码头和海洋水文气象浮标表面进行了防腐蚀处理。涂层材料为Ｚｎ－Ａｌ－Ｍｇ－ＲＥ涂层和Ａｌ－ＲＥ涂层，并在其表面制备了有机装饰性封闭层。经过２年考核，两种钢结构在浪花飞溅区均未发生腐蚀，内部设备运行正常，从而有效延长了装备的寿命。热喷涂防腐蚀技术在军用装备中也获得了成功应用。
１９７９年美国海军决定对舰船采用喷涂铝复合涂层代替涂漆保护工艺，并在甲板和船舱内扩大应用试验，８０年代初已扩大到包括航空母舰在内的全部海军舰船。此外，美国太平洋舰队还进行了世界最大规模的海军舰船应用试验［２６］。徐滨士等采用电弧喷涂技术治理舰船钢结构腐蚀，设计的涂层体系为：电弧喷涂金属铝涂层＋有机封闭涂料涂层＋常规舰船面层涂料。该体系工艺成熟、施工方便、经济性好，涂层体系不仅适应新舰船的施工，也可用于舰船的修理。涂层体系在海水中的防护寿命可保证至中修，大大优于一般舰船涂料的使用寿命［３１］。
４ 展 望
钢结构处于浪花飞溅区的部位，往往由于严重腐蚀造成整个钢结构设施的提前失效，造成巨大的经济损失。热喷涂技术提供了一种经济、长效的防护手段。国内外的研究应用表明，喷涂长效防腐蚀涂层结合有机封闭涂层能够有效延长钢结构的服役寿命，减轻浪花飞溅区的腐蚀灾害。作为一种较成熟的防腐蚀技术，将来的研究方向需要在以下几个方面开展：
（１）热喷涂技术与腐蚀监测技术相结合，通过腐蚀监测系统实时动态监控涂层的腐蚀状态。涂层电位一旦接近钢结构基体时，能够自动报警，技术人员可根据涂层破坏面积的大小决定是否加以修复。
（２）对于远洋石油平台或一些人员平时不易到达的大型海洋钢结构的某些部位，一旦这些部位的涂层因腐蚀出现裂纹或局部脱落时，很难及时处理。这种情况可借鉴“自愈技术”，通过在涂层中加入“自修复添加剂”，当条件满足，自修复剂便立即释放，及时修补裂纹，达到涂层修复目的。
（３）热喷涂防腐蚀技术对于新建海洋钢结构具有很好的保护作用，对在役的钢结构，如何采用热喷涂实现便捷、有效的处理，对不解体针对性的现场抢修是热喷涂防腐蚀技术的发展方向。未来还需考虑开发小型化、便携式热喷涂设备。
参考文献略
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