海洋环境基础设施防腐中氟碳涂料的应用

张 婷

（湖北工业大学工程技术学院，湖北 武汉 430000）

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-、C O32-、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。