海洋工程的使用环境温度达45℃,特别恶劣情况下,有时达到50℃~60℃;空气相对湿度达到95%;空气中含有盐雾、油雾、霉菌等腐蚀性有机物质。
海洋环境是腐蚀性最为严酷的自然环境。海水是一种具有很强腐蚀性的电解质溶液, 含有大量的盐类, 包括氯化钠以及含有钾、溴、碘等元素的盐类。海水中溶解有氧气、氮气、二氧化碳等气体,而其中的氧气是引起海水中碳钢、低合金钢等金属结构物腐蚀的重要影响因素。表层海水氧气是饱和的, 大约为8mg/L, 腐蚀性更强。海水温度有周期性的变化, 一般来说, 钢铁等的腐蚀速度会随着海水温度的升高而增加。另外,海水中含有丰富的氧微量元素和营养盐类等, 这为海洋生物的生存和繁殖提供了必要的条件。而海洋生物的存在则会影响金属材料的腐蚀行为与机制。
海洋的腐蚀类型大致分为均匀腐蚀和局部腐蚀,其中均匀腐蚀起主导因素,局部腐蚀包括点腐蚀、冲击腐蚀、电偶腐蚀、空泡腐蚀及缝隙腐蚀。
(1)均匀腐蚀是指设备表面整体发生腐蚀,使设备的截面同速率减薄,承受更大的真实应力,导致材料发生断裂,但是易于监测、检查,从而减少了突发性故障;另一方面该类腐蚀属于微电池效应,不存在固定的阳极、阴极,是不分离且交替变化的。
(2)点腐蚀是由于表面缺陷、夹杂物、保护膜破裂或污染物导致的局部位置出现坑点或小孔状的腐蚀,甚至穿孔,但设备表面未出现明显的整体腐蚀,这是设备腐蚀的较大隐患之一。浪溅区的点腐蚀一般是由浪花冲击设备使表面膜局部破裂造成的。
(3)冲击腐蚀是高速运动的气泡或固体物对设备表面的冲击作用造成的磨蚀与腐蚀的双重作用,加剧了腐蚀情况,有时与空泡腐蚀较难分清,但是冲击腐蚀具有明显的冲击刷痕。
(4)电偶腐蚀是由于设备材质的不均一性,腐蚀电位不同的2种金属在腐蚀介质中接触,发生腐蚀反应,2种金属分别作为电偶的阴、阳极,电位顺序的差别影响腐蚀的速度及进程,电位差越大则阳极电偶腐蚀越快,但阴极极化作用可影响该趋势,影响因素包括腐蚀介质的电导率、电偶阴阳极面积之比和金属的极化性。电偶腐蚀在大气区发生于2种金属接触段的短距离内;在全浸区防腐涂层的局部损坏导致的小阳极、大阴极的电偶腐蚀,出现接触段的长距离明显腐蚀,造成局部损坏或快速穿孔。
(5)空泡腐蚀是高速运动的海水中夹杂气泡的生成与破灭,对设备产生水锤作用,即瞬时压力可达到千倍大气压,可迅速将涂层和钝化膜破坏,使设备逐层暴露加速腐蚀。海上蒸发形成的气泡,借助升腾作用连续冲击设备表面,生成强腐蚀性的电解质膜,可连续腐蚀保护膜受损部位,兼具机械损伤和腐蚀损伤,形成类似蜂窝状的形态。
(6)缝隙腐蚀是由于腐蚀介质在设备结构缝隙内的积存导致,通常在海水中靠氧气维持钝化膜的材料较易形成缝隙腐蚀,因为在氧气含量较高的环境下,持续弥合破裂的钝化膜,更易出现缝隙腐蚀,在飞溅区和全浸区等干湿交替区域较严重。
随着海洋经济的迅猛发展,海洋防腐越来越得到人们的重视,海洋防腐涂料的开发应用更得到国内外的强烈关注。海洋防腐涂料的设计开发技术含量高、资金投入大、研发周期长。须从海洋环境的腐蚀特点出发,以腐蚀的某个或多个机理为切入点,开发出不同的防腐涂料或具备协同作用的涂料体系,以适应不同的腐蚀环境。传统防腐涂料因溶剂污染大、防腐寿命短、耐腐蚀、耐候性不强等原因,在应用中受到限制。随着环保意识的增强,开发更节能绿色的新型海洋防腐涂料也成为时代发展的需求。现有涂料种类繁多,环氧树脂涂料、氟碳树脂涂料、聚氨酯涂料、富锌涂料等在很多领域都得到很大应用,改性方法也是多种多样,但总的来说,现有的研究方法很少从根本上,也就是从结构出发改进树脂的性能,从而导致改性后的涂料性能顾此失彼,很难具有优异的综合性质。
虽然我国的防腐涂料涂装技术获得了较快的发展,但在国内高端海洋涂料市场上依然鲜见国产品牌;国外品牌商则占据了我国海洋防腐涂料市场的主导地位,并纷纷在我国建立独资或合资企业,利用相对廉价的劳动力进一步降低生产成本。在国外企业全面推广水性、无毒、环保涂料,并且前瞻性地研发以谷物、虾壳为原料的生物涂料时,国内涂料产品依然纠结于提高涂料的耐用性上。近年来,我国加强了对现有涂料质量的监督,但我国涂料研发的整体水平仍然远远落后于发达国家。
要提高我国海工涂料的国产化率,首先要从基础研究着手,提高涂料原料,如环氧树脂等的质量,以原料国产化促进涂料国产化,降低生产成本,提高市场竞争力。其次,要提高研发起点,吸取国外的产品研发经验,研发具有15年以上年限的重防腐涂料和涂装技术,设计可在海洋环境中保护海工装备15-30年的重防腐漆和高耐久性长效防腐涂层配套体系;从水性化、新材料等方面着手寻求突破,减少产品对环境的破坏,提高产品技术含量;增强配套涂料体系的科学性与合理性,以适应不同海工产品的涂装要求。再次,国内涂料企业应针对海洋工程的需要,加强涂装工艺的研究,改变手工喷涂方式,大力发展机械化、机器人涂装,以提高生产效率、保证涂装质量、缩短周期、保护环境;建立相应的服务体系网络满足客户的保养维修及其他技术支持需要。
从长远来说,有关方面还要抓紧培养相关专业人才,形成支持可持续发展的人才梯队。目前,我国十分缺乏既能够进行涂料防腐研究又精通涂装施工技术“全能型”研究人员;同时,涂装施工人员大多是未经专业培训的农民工,作为涂装工艺的实施者,其技术水平也直接影响涂装质量,甚至涂膜的防腐性能,因此,培养合格的涂装工人也迫在眉睫。当然,海洋工程业主和建造企业也应提高认识,更多地采用国产涂料产品。