海洋牧场平台飞溅区复层矿脂包覆长效防护技术应用

孙 欣， 郭福元， 刘富祥， 赵勇刚， 蒋全通， 翟晓凡， 侯保荣

(1.中国科学院海洋研究所海洋环境腐蚀与生物污损重点实验室国家海洋腐蚀防护工程技术研究中心，山东 青岛 266071； 2.烟台中集蓝海洋科技有限公司， 山东 烟台 264000)

0 前 言

深远海渔业养殖装备具有高技术、高投入、高产出、高附加值、高风险的特点，同时也要求高安全性和高可靠性。 深远海渔业养殖装备结构主要采用金属材料，长期处于海水、潮气和盐雾等恶劣环境中，饱受海水的冲刷和海生物的侵蚀，容易出现严重的化学和电化学腐蚀，会对设备的使用寿命造成严重的影响，更严重的会造成海损事故，给环境造成不可逆的大面积污染，导致海洋环境生态灾难。 海洋腐蚀不仅给海洋牧场平台埋下严重的安全隐患，还会大幅缩短设备的检修周期，增加维修费用，延长停工停产时间，造成巨大经济损失。 因此，在海洋这种强腐蚀环境中长期服役的平台钢结构必须采取腐蚀防护措施。 但腐蚀防护可选择的技术产品少，全生命周期内的防腐成本高，节能环保政策法规压力大，是目前海洋工程装备行业腐蚀防护工作面临的主要问题。

1 海洋平台的腐蚀环境及腐蚀规律

1.1 海洋平台的腐蚀环境

海洋平台的服役环境极其复杂且恶劣，阳光暴晒、紫外线强烈、盐雾笼罩、波浪冲刷、海生物附着、浮冰撞击、船舶靠泊，甚至海水的流速、温度的变化等因素，都会加速海洋平台的腐蚀速率。 海水中含有高浓度的腐蚀介质，如NO3－、SO42－、Cu2＋、Mg2＋、Fe3＋、H＋、Cl－、溶解氧、OH－等，加上海水本身为弱碱性的电解质溶液，给海洋平台上的碳钢营造了复杂的腐蚀环境。 同时，以渔业养殖为主的牧场平台，其服役范围内的海水长期处于养分富集的状态，而海水本身是具有生物活性的介质，含有大量的微生物，会导致钝性金属局部腐蚀的发生和发展，对于海洋钢结构设施具有很强的危害性。

1.2 海洋平台的腐蚀区带及飞溅区的腐蚀规律

图1 为海洋各个腐蚀区带腐蚀规律。 海洋环境可以分为海洋大气区、浪花飞溅区、海水潮差区、海水全浸区和海底泥土区5 个不同的腐蚀区带[1－3]。 其中，浪花飞溅区指海水平均高潮位以上海水浪花和海水泡沫飞溅能波及到的区带。 我国沿海港湾内，浪花飞溅区的范围可以确定为海水平均高潮线以上的2.5 m 至海水平均低潮线以下0.5 m 的区间。 浪花飞溅区是腐蚀最严重的部位，因为在这个区域，钢表面受到海水的周期性润湿，经常处于干湿交替状态，且氧供应充分，加上阳光、风吹和海水环境的协同作用导致发生最严重的腐蚀[2]。 一般情况下，钢在海洋大气中的平均腐蚀速度约为0.03 ～0.08 mm/a；而浪花飞溅区则为0.30 ～0.50 mm/a。 同一种钢，在浪花飞溅区的腐蚀速度可比海水全浸区中高出3～10 倍。

图1 海洋各个腐蚀区带腐蚀规律Fig.1 Corrosion law of various corrosion zones in ocean

海洋平台钢结构的腐蚀是悄无声息地发生的，且在深远海服役的海洋平台都处于持续工作状态，疲劳、凹坑、海水的拍打和漂浮物的撞击是日常现象，一旦发生锈蚀将严重影响构筑物强度，一旦发生事故必将造成严重的人员伤亡和财产损失[4，5]。 因此，正确分析和预判其在运行过程中可能出现的腐蚀缺陷，科学做好海洋平台构件的防腐维护，对于提高海洋平台设备的经济性、安全性具有极为重要的意义。

随着我国新建海洋工程设施的增多以及已建海工设施维修高峰周期的到来，海洋浪花飞溅区的防腐问题得到了空前广泛的关注。 为延长海洋钢结构物的使用寿命，对于浪花飞溅区的腐蚀必须采取有效防腐措施。 如不引起重视和得到解决，将会危及这些基础设施的服役寿命，防护工作就显得十分迫切。

2 海洋平台飞溅区的防腐蚀技术

2.1 现有防腐技术浅析

海洋牧场的建设属于新兴模式，国内的防护标准、规范不健全，缺乏统一可执行的行业标准，常规的防腐方法单一，缺乏针对不同部位腐蚀特点采取针对性防腐措施的认识。 海洋平台想要实现在苛刻的腐蚀条件下长期服役的要求，必须使用高性能的防腐蚀技术，特别是针对平台浪花飞溅区设施腐蚀严重的短板，研发长效的防护体系至关重要。

目前海洋工程装备行业中，海水全浸区和海底泥土区的防腐方法主要采用涂料＋牺牲阳极电化学保护，通过合适的表面处理方式和正确的施工工艺配合，构成重防腐体系。 海洋大气区的防腐主要采取传统的涂刷涂料等手段，浪花飞溅区和海水潮差区主要采用包覆保护技术。

(1)阴极保护 海洋钢铁设施位于海水全浸区及海底泥土区位的防腐蚀对策通常采用阴极保护方法。在现行的海洋钢铁设施阴极保护施工中，常用的是铝合金阳极牺牲阳极方式，参照NACE RP 0176 标准。 应用了阴极保护的钢材如果完全浸没在海水里，就可以获得近乎完全的防腐蚀率。 海洋潮差区位置需要的防腐蚀电流密度比海水全浸区多很多倍，阴极保护的效果也受钢材在海水中浸泡时间影响，浸泡时间越长阴极保护效果越大，浸泡时间越短阴极保护效果越小。

(2)重防腐涂料保护 涂料在大气区应用较广泛，但在浪花飞溅区的防护寿命短，防护效果差，对施工环境要求也很高，在施工中出现新锈蚀、烈日直射、雨雾天气等情况下都不能进行涂装施工，涂装作业必须在无大风沙天气下进行，同时设备表面温度不得低于露点3 ℃，相对湿度需要≤85%，环境温度≥5 ℃，参照GB 8923－2011“涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级”、NACE TM 0404－2004“标准试验方法—海上平台大气区和浪溅区新建防腐蚀用涂层体系评估”标准。 这些要求无形中增加了造船厂的施工步骤和工作时间，在造船旺季时，会造成打砂房和喷漆房的工作量堆积。 一旦分段没有处理到位，就会造成涂装的质量问题，常见的有流挂、漏涂、表面污染物、表面颗粒物及粉尘、针孔等。 尤其是连接密封的焊接部位，油漆容易开裂导致成片剥落；支撑板等死角部位，容易发生油漆的堆积或漏涂。

海上盐雾重、海水温差波动大、各区块流速不等，伴随着锚链和水面漂浮物的磨损，以及工作辅助船停靠的碰撞与摩擦，海生物的附着和侵蚀[6]，飞溅区的涂层很容易被损伤导致失效，在海上维修时表面处理喷砂与涂装非常困难，几乎无法实现，且随着海洋环境保护意识的提升，大家普遍意识到涂料具有一定的污染性。 国内深远海渔业养殖装备腐蚀防护措施主要使用涂料涂装，所用的涂料也基本被国外公司所垄断。 但是由于深远海渔业养殖装备一般要求最少20 a 的服役期限，且减少定期进坞维修的次数，常用的涂料等防腐蚀措施难以满足要求。 因此，平台飞溅区的防腐设计必须考虑长效、环保且方便修复的新型技术。

2.2 新型长效包覆防腐蚀技术

针对平台浪花飞溅区环境的设施设备等腐蚀短板，中国科学院海洋研究所的侯保荣院士研发了复层矿脂长效包覆防腐蚀技术(PTC)，由具备锈层自修复成膜功能的防蚀膏、柔韧性防蚀缠带、具有缓冲作用的密封层、纤维增强玻璃钢复合材料制作的保护罩，以及支撑卡箍、挡板、螺栓、螺母等附属部件组成(如图2 所示)。

图2 复层矿脂包覆防腐蚀技术的结构示意Fig.2 Structure diagram of Petrolatum Tape and Covering system

实验室通过锈转化深度、耐盐雾性能测试，及稠度、盐雾试验、水膏置换试验，对原材料组成及配比进行优化，研发出防蚀材料的最佳配方，技术性能特征优势突出:

(1)表面处理的要求低 包覆防腐材料的核心防蚀膏中，含有锈转化成分，可以直接与铁锈反应，将钢结构表面未处理尽的铁锈转化成保护性封闭层，起到除锈、防锈双重作用，实现防腐施工低表面处理。

(2)附着力和致密性好 防蚀膏和防蚀带具有优良的黏着性，能够强有力地黏附在钢铁表面，隔离腐蚀性介质，对海水中的钢铁起到优良的、长效的保护作用。 在温度范围为(－20±2) ℃范围内，对矿脂防蚀膏进行低温附着性试验，发现放置1 h 不剥落。 将矿脂防蚀带在(23±2) ℃的试验环境条件下放置24 h，裁取试样后立即进行试验，其剥离强度可以达到200 N/m。

(3)可以带水施工 防蚀膏和防蚀带含有不对称结构的表面活性物质，可以将金属表面的水膜置换掉，吸附和捕集腐蚀性物质，并将其封存于胶束之中，使之不与金属接触，从而起到防腐蚀作用。

(4)防老化、防机械撞击 保护罩加固在防蚀带外部，具有优良的防老化、防机械撞击的功能，能够抵抗海边昼夜温差大、空气湿度大、盐分大的恶劣腐蚀环境，当平台遭受浮冰及船舶靠泊的撞击时能提供有效保护，形成完整的防护体系。

(5)工艺简捷 涂覆防蚀膏和缠绕防蚀带的操作，都无需等待固化，可连续施工。

复层矿脂长效包覆防腐材料能够实现养殖平台全生命周期内的腐蚀防护，防腐施工不停机，防腐寿命达到30 a。 目前，该技术已制定GB/T 32119－2015“海洋钢构筑复层矿脂包覆防腐蚀技术”标准，在全球几十个海洋工程上得到应用[7－9]，效果良好，得到了港口码头、海上风电、海洋平台、桥梁公路行业的广泛关注，被认为是最成熟的防腐技术之一。 比较有代表性的案例包括:

(1)青岛港液体化工码头工程钢桩腐蚀修复工程

2007 年针对液体化工码头钢管桩进行约500 m2的腐蚀修复，于2016 年打开进行实地验证，结果表明在海洋环境严酷的腐蚀条件下，PTC 包覆层9 a 后依然能够保持完整性，起到良好的防护效果。 2021 年再次回访，保护状态依然完好。

(2)胜利油田平台立管及导管架腐蚀修复工程胜利油田埕北22 单现役石油平台基础部分由导管架和桩两部分组成，2005 年7 月调查发现该平台潮差区和浪花飞溅区有明显的大面积腐蚀且海生物附着严重，锈层厚度10 mm 左右，钢铁厚度最薄处只有4 mm。考虑到平台的长期安全运营，采用PTC 包覆技术进行修复处理，有效解决了浪花飞溅区腐蚀最严重的难题，得到了业主的高度评价。

3 深远海养殖平台的包覆应用

3.1 工程概况

经海004 号深远海智能化坐底式渔业养殖网箱平台系经海百箱计划之一，约7×104m3水体容积，能实现深远海鱼类养殖功能，并配备生活、机械平台。

2021 年在建造时，经海渔业公司意识到腐蚀防护的重要性，经过在国内外调研考察，选择中国科学院海洋研究所进行技术合作，并采用复层矿脂包覆防腐蚀技术(PTC)对飞溅区的钢结构进行保护，在船厂制作分段期间，就对飞溅区的各分段进行包覆，合拢后直接下水拖航，开创了国内首个新建平台的全寿命周期长效防腐的典型案例。

3.2 包覆防腐施工

3.2.1 前期准备

收集海洋钢结构设施及其海域环境具体设计图纸和水文等资料。 设计施工方案，绘制施工图纸，准备施工材料、确定施工范围。 根据钢桩尺寸、数量和颜色等要求预制玻璃钢防蚀保护罩。

3.2.2 搭设施工平台

施工前根据包覆分段的高度、长度、宽度，设计搭建施工平台。 搭设时，脚手架不要紧贴在塔筒上，需留出施工空间。

3.2.3 表面处理

为保证防蚀膏的矿脂能与钢材表面充分结合，达到最佳的保护效果，必须进行钢材表面处理。 除锈等级应达到GB/T 8923.1－2011 和GB/T 8923.2－2008 中规定的St2 级。 施工区域钢结构表面处理要求无明显鼓泡和浮锈，表面突出物不应有锐角，一般不高于5 mm，特别注意节点处的除锈要保证质量，不需喷砂、动火，不宜采用喷砂处理的地方可使用手工除锈，不需涂覆底漆，尽量减少污染。

3.2.4 涂抹防蚀膏

将矿脂防蚀膏均匀涂抹在钢管桩表面，不能漏涂。对于新建结构的钢管桩，表面相对光滑，没有严重的腐蚀破损情况，防蚀膏用量约260 ～400 g/m2。 钢桩表面的坑凹和缝隙处应用防蚀膏填满抹平，突出物的表面也应涂抹一层防蚀膏，使矿脂在钢结构表面成一层均匀分布的完整保护膜，厚度应达到180～250 μm。

3.2.5 缠绕防蚀带

在涂刷防蚀膏位置上缠绕防蚀带。 起始处缠绕2层，然后依次搭接55%，保证各处至少缠绕2 层。 每卷防蚀带交接处的头尾重叠。 包覆高度高、钢桩直径大的情况下，在缠绕时，应用手拉紧、铺平防蚀带，不要有气泡、褶皱、疏松情况。 对于不规则钢铁构筑物，先将矿脂防蚀带剪成合适的长度，将其逐段缠贴在不规则处，并保证各处至少有2 层。 矿脂防蚀带施工完毕后，矿脂防蚀膏和矿脂防蚀带总厚度不应小于2 mm。

3.2.6 预制外壳安装

对于桩腿、中环、斜撑等规则平整的部分，根据图纸尺寸提前制作好防蚀保护罩，在包覆防蚀带后，即可现场安装。

(1)先测量尺寸，切割适当高度的密封缓冲层，粘贴在防蚀保护罩的内侧，缓冲层上部应比保护罩短5 ～10 mm。

(2)安装时只需把多片外壳通过法兰结构连接。对准连接法兰的螺丝洞口，经检查位置正确后，上紧316L 不锈钢螺栓，隔天用专用扳手再次拧紧螺栓，7 d后再次检查螺栓以防松动。

(3)法兰的对接缝处，安装玻璃钢挡板，防止水分等腐蚀因子进入。

3.2.7 现场制作玻璃钢外壳

桩腿与爬梯的焊点、竖撑和斜撑的连接处、中环与桩腿的交叉点等不规则结构区域，需要现场制作玻璃钢外壳。 现场制作的外壳由多层短切毡、玻璃纤维布、树脂和胶衣等多种材料有序组合而成。

(1)制作时先测量包覆尺寸，剪切相等高度的材料。

(2)根据结构形状、防护性能要求，设计包覆的层数。

(3)包覆每层工序时，要保证没有气泡产生。

(4)包覆时每层工序无需等待固化。

(5)最外层胶衣要做到平整，美观。

(6)规则防蚀保护罩和不规则防蚀保护罩要做好衔接处理，对接部分应重叠50～100 mm。

3.2.8 分段合拢吊后局部制作保护罩

养殖平台最终将十几个不同尺寸和形状的分段焊接合拢，并将多层吊装拼接，处于飞溅区的焊接点需在吊装合拢步骤完成后，再进行防腐处理。 主要包括以下2 个部分:

(1)在场地施工时，分段与马腿的支撑点、分段吊运的吊点，要尽量避开防护罩安装的区域，确实避不开的，需确定好支撑点和吊点位置，玻璃钢防护罩安装时预留出来，待合拢完成后再安装。 裂缝大于5 mm 的防蚀保护罩，应采用相同材质、相同厚度的玻璃钢进行补口，现场糊制玻璃钢与预制玻璃钢的搭接部分，按照

3.2.7(6)所规定标准的进行施工。

(2)登船梯要整体焊接，焊接后，玻璃钢防护罩无法安装，需要在登船梯焊接前把防护罩安装上，然后把登船梯与中环和斜撑接口切开，再焊接登船梯，因此切口需做好防火处理，焊接登船梯后，再进行防腐处理，并现场糊制登船梯接口处的玻璃钢外壳。 补口处应使用与原防腐层结构相同的矿脂防蚀膏和矿脂防蚀带进行修补，防蚀带补贴宽度应至少超出损伤边缘50 mm。

最终，对经海004 号深远海智能化养殖平台的浪花飞溅区、海水潮差区逾1 700 m2的钢结构进行复层矿脂包覆防腐施工，严格参照GB/T 32119－2015 对每个步骤进行检测、评定，在保证平台的按时交付、及时下水、安全运行的需求的同时，建立档案管理制度，将施工资料、检查记录、事故记录、维修记录、年度总结等资料归档，并由专人管理，直至平台服役结束。 期间每半年进行1 次巡检，查看防蚀保护罩是否破损，螺栓是否完好等，力争实现平台全寿命期不进坞的长效防护目的。

3 结 语

海洋牧场建设是促进传统渔业向现代渔业转型升级的重要手段，也是落实探索海洋、经略海洋战略的重要举措。 要想实现海洋资源的可持续发展，多功能、大型化的海洋平台是必要设施；要想实现高质量、生态化的发展，合理的防腐蚀措施必不可少。 绿色、长效、科学的防护措施，能大幅度降低平台试用期的运维成本，有效避免拖航、维修造成的环境污染，从而实现经济的合理开发和稳定增长，为我国早日迈入世界一流海洋工程装备建造国家注入强劲动力。