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海上风电浪花飞溅区长效防腐技术——复层矿脂包覆防腐技术（PTC）

作者
麻福斌 付相可 王静 侯保荣 中国科学院海洋研究所
来源
中国腐蚀与防护网
发布时间
2017-08-14
关键词
海洋, 防腐技术, 浪溅区
领域
腐蚀领域
摘要
海上风电浪花飞溅区长效防腐技术——复层矿脂包覆防腐技术（PTC）
正文
海洋环境中的风力发电的桩基，暴露于强电解质溶液的海水中，与周围介质发生电化学反应而受到腐蚀。特别在浪花飞溅区，腐蚀速度比海水全浸区高出 3 ～ 10 倍。我国目前的防腐措施，水上部分以防腐涂层为主，水下部分采取防腐涂层和阴极保护技术相结合，对于海洋钢结构腐蚀最严重的浪花飞溅区的防腐蚀是整个防腐系统的短板，必须采用耐久长效的防腐蚀措施。 为寻求有效针对浪花飞溅区的防腐技术，中国科学院海洋研究所国家海洋腐蚀防护工程技术研究中心研发了复层矿脂包覆防腐（Petrolatum Tape and Covering system ，简称 PTC）技术，其防腐效果优异、防护寿命长、施工方便、对基材表面处理要求低、可带水作业等优点。 海洋钢桩式结构的腐蚀规律 海洋腐蚀环境可以分成 5 个区带，海洋大气区、浪花飞溅区、海洋潮差区、海水全浸区和海底泥土区。在海洋环境的五个不同腐蚀区带，浪花飞溅区部位的腐蚀最为严重。主要的原因是， 钢表面受到海水的周期性润湿， 处于干湿交替状态，氧供应充分，盐分不断浓缩；加之阳光、风吹和海水环境等协同作用以及锈层的氧化还原过程导致发生最严重的腐蚀。 海洋钢铁设施不同区带的腐蚀速度图 某码头钢桩浪溅区腐蚀状况 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毫米 / 年；而浪花飞溅区为 0.3 ～ 0.5 毫米 / 年。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。对于海洋钢结构来说，大气区使用涂料防腐蚀是一种可行的防护方法，而且价格也比较便宜。但对于浪花飞溅区使用涂料防护，由于其表面处理要求高，不耐冲击，防护时间较短，尽管前期费用较低，但长期成本还是较高的。阴极保护技术和涂层联合使用，可以使水下金属结构物获得最经济和有效地保护。但是，阴极保护技术在海洋潮差区应用时，只有当潮涨上来后才可对浸入海水中的钢桩发挥作用，当潮退以后，则不会发生作用，有效防护时间短；对于浪花飞溅区部位的钢桩，阴极保护基本不会发生作用，不能起到防腐效果。所以对于浪花飞溅区部位来说，必须采取切实有效且长久的防腐蚀措施，充分保障海洋钢结构的安全。 浪溅区包覆防腐技术 1.浪溅区的腐蚀与防护 在浪花飞溅区，涂料因海水冲击易剥落，电化学保护因不能形成稳定电流回路不能充分发挥作用，国内外防腐蚀工作者研究了各种防腐蚀方法，开发了长期耐久的重防腐涂料，包括采用包覆蒙乃尔合金、铜 - 镍合金、不锈钢、牺牲钢、混凝土、橡胶及玻璃钢等。2012 年日本羽田机场新建了飞机跑道全部为钢桩式结构，他们对浪花飞溅区采用了性能优良的不锈钢包覆，在大气区采用包覆钛合金，水下采用阴极保护技术，总防腐面积 360 万平方米，其设计使用寿命为 100年，这种方法价格昂贵，也由于技术难度大，我国还未采用。 我们多年连续研究与国外长期合作，开发了 PTC 复层矿脂包覆防腐技术，这种技术价格便宜，施工方便，表面处理要求低，在国外，已经有应用 35 年以上的应用案例，在国内已经有 10 年以上的应用实践。申请的专利早已被授权，受国家专利法的保护，复层矿脂包覆防腐技术已经成为国家标准，并于 2016 年 5 月 1 日正式实施，也已经申请注册了商标和防伪标志。随着我国海上油田、风电等海洋开发的不断深入，海洋钢构设施的不断建立，发展适应我国不同海域、不同结构的长期有效的浪花飞溅区腐蚀防护与修复技术具有极其重要的经济价值和社会意义。 2. PTC复层矿脂包覆防腐系统 PTC 复层矿脂包覆防腐系统由四层紧密相连的保护层组成，包括矿脂防蚀膏、矿脂防蚀带、密封缓冲层和增强玻璃钢保护罩。PTC 技术中矿脂防蚀膏和矿脂防蚀带是该技术的核心部分，添加有抗腐蚀材料，具有优良的保护性、粘附性、与水和空气隔绝性，长期不会变质，强有力地粘附在钢铁设施表面达到长效的防腐蚀效果。坚固的玻璃钢保护罩能够有效的缓解外界机械撞击的破坏，并对内部防蚀膏、防蚀带起到更好的保护效果。矿脂防蚀膏是一种人造的淡褐色油性膏状缓蚀化合物，直接涂抹于钢结构表面，在潮湿环境中具有很好的防腐蚀性能，能够长期高效稳定地使钢结构物在严酷的腐蚀环境免遭腐蚀。 钢管桩包覆防腐技术结构示意图 复层矿脂包覆防腐技术示意图 矿脂防蚀膏中的复合防锈剂中含锈转化剂，可将金属表面的锈层转化为坚硬的螯合化合物，起到除锈、防锈双重作用，降低表面处理的要求，节约人工成本。复合防锈剂还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，因此矿脂防蚀膏可以在水下进行施工。 矿脂防蚀带是一种淡黄色，浸渍有特制化合物的带状防蚀材料。矿脂防蚀带具有良好的柔韧性能，能够增强整体的密封性能，有效阻挡水以及腐蚀性介质入侵，起到强化的腐蚀防护性能。矿脂防蚀带也具有良好的疏水性能，可以在水下施工。 密封缓冲层具有较好的致密性、弹性、隔热性和防水性，除了起到很好的密封效果，还能有效缓冲外界机械撞击对钢结构的损坏。 防蚀保护罩由增强玻璃钢外套、密封缓冲层、挡板、不锈钢螺栓和底部卡箍等部分组成。 增强玻璃钢外套具有高的机械强度、优异的耐腐蚀性、耐热性、 耐磨性和耐久性。 对于规则部位， 可以在工厂预制成型；对于不规则部位，可以在现场制作玻璃钢保护套。采用卡箍加螺栓固定的方式可以保证防蚀保护罩固定牢靠，不易脱落。 该技术获得 3 项国家发明专利，1 项实用新型专利，具有防腐效果好、对结构物附加载荷小、密封性强、机械强度高、抗冲击性能强、防腐年限长（30 年以上）的优点；该技术工艺简单，无需固化、加热、喷砂、动火，施工时间短；基材表面处理低于 St2 级；可带水作业；受热胀冷缩影响小；适于任何形状结构物。绿色环保。 该技术设计和施工时参照国家标准《海洋钢铁构筑物复层矿脂包覆防腐蚀技术》GB/T 32119-2015。 复层矿脂包覆防腐蚀技术（PTC）施工工艺 1.现场准备 根据施工现场条件与施工位置，设计搭建不同的辅助设施或使用工具，创造施工条件。可以搭脚手架、吊篮；也可使用小船、浮筏； 2.钢桩表面处理 为保证矿脂防蚀膏能与钢材表面充分结合，达到最佳的保护效果，需要进行钢材表面处理，用铲刀和高压水枪除去附着的海生物，表面的残留物不应高于 10mm。除锈分为手工除锈和电动除锈。一般不需要喷砂处理。 3.涂抹矿脂防蚀膏 挤出少许矿脂防蚀膏于手掌中间，进行涂抹，使矿脂防蚀膏在钢结构表面均匀分布。对于光滑表面约 300g/m 2 ，锈蚀特别严重处约 400 ～ 500g/m 2 。 钢结构表面处理 涂抹矿脂防蚀膏 4.缠绕矿脂防蚀带 由桩底部向上螺旋状包覆，缠绕时需注意将空气压出，并需保持有 55%的矿脂防蚀带重叠，保证钢桩各处均有2 层以上矿脂防蚀带覆盖。 缠绕矿脂防蚀带 5.安装密封缓冲层 密封缓冲层是本技术中不可分割的一部分，它可以减缓外界冲击的破坏；对内部的矿脂防蚀膏、矿脂防蚀带具有很好的密封效果，同时还可以调整防蚀保护罩的安装偏差。为安装方便，在实际施工过程中，是将该密封缓冲层事先粘贴在玻璃钢保护罩的内面，连同玻璃钢保护罩一同安装。 6.安装防蚀保护罩 防护罩由底向上安装。在安装防护罩时，要对准法兰位置，用耐腐蚀性能优良的 316L 不锈钢螺栓固定。螺栓需用专用扳手拧紧；注意螺栓上紧的顺序及扭力矩大小，最大扭力矩为 28NM。 在法兰接缝处安装挡板，挡板与防护罩材料相同，以防止安装防护罩时刮破防蚀带，并起到在法兰处的密封作用。 防蚀保护罩安装 7.安装卡箍及端部密封 在防护罩下端部安装支撑卡箍，防止玻璃钢外壳下滑；并在其缝隙处使用水中固化型环氧树脂密封；防护罩上端部同样用水中固化型环氧树脂密封。 复 层 矿 脂 包 覆 防 腐 蚀 技 术（PTC） 部分工程实例 湛江港400#码头钢桩腐蚀修复工程（2009年） 江苏盐城大丰港钢桩腐蚀修复工程（2011年） 宁波中化兴中码头腐蚀修复工程（2011年） 丹东华能电厂码头腐蚀修复工程 （2013年）此项目位于辽宁丹东，冬季最低温度可达零下二十度， 工程周边海域冬季结冰现象严重。应用PTC技术防腐三年后，经现场检查，不仅耐腐效果好，而且耐严寒和浮冰撞击的能非常优异。 复层矿脂包覆防腐技术在海上风电设施上的应用 海上风电机组一般位于近海，按部位划分，风机基础结构处于飞溅区、潮差区、全浸区及海泥区，风机机组、叶片和塔架等处于大气区。其腐蚀环境和腐蚀特征等同于海洋环境下钢结构的腐蚀规律。 相比较于码头钢管桩， 风电基础桩径特别大、 高程高、 桩柱呈圆锥状、 结构复杂；而且施工面临风大、泥泞、浪高；距离远、半日潮，往返交通工具速度慢，花时间长，可作业时间短；施工架手架搭建难度大施工脚手架搭建难度大等制约因素。 经过研究和实际实验，取得了以下技术方面的突破，并成功将复层矿脂包覆防腐技术应用于海上风电桩基上： ①针对风电基础直径大的特点，采用上下左右多片保护罩组合、紧固的方式，解决了风电结构外保护罩的问题。 ②针对风电上的复杂结构（防撞管、爬梯和线缆管等），采用 FRP 现场成型技术进行保护罩制作；预制保护罩和现场特殊开口处，应用钛合金铆钉固定等工艺，解决了风电基础复杂结构部位的施工难题。 ③针对风电基础呈锥型上细下粗的特点，根据实际包覆位置的直径变化，提前设计好模具，预制玻璃钢。 ④海上风电机组所处自然环境复杂，有些机组离岸较近，退潮时可直接露出泥土区，由于长时间在海里浸泡，部分地方淤泥较深。若需在退潮时进驻现场，选择适宜的陆地交通工具，要对轮胎做特殊处理，以及提前勘探好路线。 色覆后钢桩图 结论 复层矿脂包覆防腐技术具有施工方便、对基材表面处理要求低、可带水作业等优点。采用该技术对风机基础浪花飞溅区进行保护，可延长维修周期、延长风机基础的使用寿命，节省维修保养费用，确保生产正常进行。 实现特大直径、锥形、较高包覆高度、复杂结构的海上风电钢桩潮间带、浪花飞溅区复层矿脂包覆防腐的首用案例；实现包覆技术应用中保护罩大直径，上下左右多片组合、紧固的世界难题；成功采用预制玻璃钢保护罩和现场制作玻璃钢保护罩、复杂结构处钛合金铆钉固定修补相结合的工艺解决了风电基础复杂结构部位的施工难题。 复层矿脂包覆防腐技术已经取得了很大成功，获得了国家专利和通过了国家标准： 更多关于材料方面、材料腐蚀控制、材料科普等方面的国内外最新动态，我们网站会不断更新。希望大家一直关注中国腐蚀与防护网http://www.ecorr.org 责任编辑：殷鹏飞 《中国腐蚀与防护网电子期刊》征订启事 投稿联系：编辑部 电话：010-62313558-806 邮箱：fsfhzy666@163.com 中国腐蚀与防护网官方 QQ群：140808414

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