国内外码头钢管桩的腐蚀状况调查及防护对策

王 放，金 樱，张应辉，罗 强，贠丽君，马瑞丽，陆海东，邓绍敏，姜 波

(北京市燃气集团有限责任公司，北京 100032 )

0 前 言

在经济全球化迅猛发展的时代背景下，海洋经济日益成为各国竞争的重要领域[1]。在海洋开发过程中遇到的海洋环境下的腐蚀问题也越来越值得我们关注[2,3]。海洋环境是一种极其复杂的腐蚀性环境[4-6]，海水是一种强电解质溶液，海水的温度、盐度、溶解氧浓度、pH值、流速以及海洋生物等都是影响腐蚀的重要因素[7,8]，这也使得海洋环境腐蚀性远高于陆地环境[9,10]。

2014年调查发现，我国腐蚀成本约占国内生产总值的3.34%[11]，达到22 000亿人民币，这相当于每位公民承担的腐蚀成本超过1 500元。即使通过腐蚀控制来减少0.1%的腐蚀成本，也能挽回几百亿的经济损失，由此可见腐蚀控制带来的经济效应是非常明显的。而且钢材每减薄1 mm，其强度会下降5%～10%[12]，海洋钢桩的腐蚀不仅会使其功能丧失，还有可能会引起突发性灾害、油气泄漏和海洋环境污染等问题[13-18]。因此，调研国内外码头钢结构的防腐措施和设计方案，总结对比国内外不同海域接收站及码头钢结构的防腐设计优缺点，可以为将来码头钢桩工程防腐施工提供技术支撑，对保证码头防腐的长效性、经济性和可操作性具有重要意义。

1 海洋钢结构腐蚀规律

如图1所示[19]，根据海洋腐蚀环境可以将码头高桩钢桩分为5个不同的区带，分别为海洋大气区、浪花飞溅区、海洋潮差区、海水全浸区和海底泥土区[20, 21]。海洋大气区的腐蚀主要受海盐微粒和陆地大气的影响；在浪花飞溅区，海水飞溅造成的干湿环境以及阳光照射导致的温度升高，会形成最苛刻的腐蚀环境[22]，这个区域的腐蚀速率也是最高的；海洋潮差区作为氧浓差电池的阴极区而受到保护，腐蚀速率较低，但是该区域存在海洋生物污损及好氧菌附着腐蚀现象。在海水全浸区，腐蚀性主要受溶解氧、流速、温度、盐度、pH值、以及污染因素和生物因素等的共同作用的影响；钢桩在海洋潮差区和海水全浸区由于溶解氧浓度的不同会形成腐蚀宏电池，其中溶解氧较多的潮差区成为阴极，腐蚀较轻，溶解氧少的海水全浸区成为阳极，腐蚀较重。海底泥土区中溶解氧的浓度、温度以及厌氧生物的作用是影响该区域钢桩腐蚀性的主要因素。

在浪花飞溅区，表面锈层在湿润情况下作为一种强氧化剂在起作用，锈层中发生还原反应，即Fe3+被还原成Fe2+。在干燥情况下，由于空气氧化作用，锈层中的Fe2+被氧化成Fe3+。这个锈层的自氧化过程在浪花飞溅区反复进行，从而加快了钢铁的腐蚀。图2为普通碳钢在海水全浸区和浪花飞溅区的极化曲线图[23]，从图中可以看出二者阳极溶解速度几乎相等，浪花飞溅区的阴极电流明显大于海水全浸区的阴极电流。这是由于在海水中钢的阴极反应是溶解氧的还原反应，飞溅区的钢由于锈层自身氧化剂的作用使得阴极电流变大。

2 国内外码头钢桩腐蚀状况调研

2.1 国外部分码头腐蚀状况调研

毛里塔尼亚努瓦克肖特港又被称为“友谊港”，始建于1979年，是中国援助非洲的第二大工程项目。该港属于钢桩式结构码头，位于毛里塔尼亚西海岸的中部，撒哈拉沙漠的南端。该港年平均气温为28 ℃，全年平均降雨量约为400 mm。码头钢桩在运营过程中虽然经过了多次修复和保护，但是腐蚀仍然非常严重，特别是浪花飞溅区部分，已经出现大面积的红锈，锈层成片剥落，严重影响到该港口的正常使用，具体腐蚀情况如图3所示。

斯里兰卡汉班托塔港，又称汉班托塔深水港，位于斯里兰卡最南端、印度洋的中部，是世界第一大海湾孟加拉湾的门户。汉班托塔港自2007年起在中国的援助下开始建设，2012年开始运营，日均船只到港量达300余艘。如图4所示，该港口许多的钢桩，浪花飞溅区的腐蚀情况较为严重，其大片的涂料脱落，裸露出钢体，大量的浮锈遍布于钢体之上，且在上部有明显的点蚀现象，钢桩保护工作刻不容缓。

图5所示的是日本某海军基地码头钢桩浪花飞溅区腐蚀照片，从图可以看出，该码头钢桩已经锈蚀非常严重，不但表面出现了大量的厚实锈层，钢桩也出现明显的减薄现象。如果再不采取措施，将会严重影响该码头的安全运行。

2.2 国内部分码头腐蚀状况调研

1981～1994年，南京水利研究所对华东、华南地区29个80年代以前建成的海港进行了腐蚀破坏状况调查[24]。结果如图6所示，有严重破坏(IV级)构件的码头占总数的41.4%左右，其中运行不超过15 a的码头，发生IV级破坏的数量占50%，运行不超过20 a的码头，发生IV级破坏的数量占67%。有III级破坏构件的码头占总数的27.6%，其中运行5～10 a的码头发生III级破坏的数量占50%，运行10～15 a的码头发生III级破坏的数量占50%。有II级破坏构件的码头占总数的31%，其中运行小于10 a的码头发生II级破坏的数量占60%，运行20～25 a的码头发生II级破坏的数量占40%。

2006～2008年，交通部再次组织了一次全国性的调查[25]。调查范围包括中国华北、华东和华南等环境区的31个码头。除外观检查外，还进行了氯离子分布、钢筋锈蚀情况等专项调查测试。调查结果表明：在1987-1996年之间建成并使用了约13～17 a的码头，大部分金属构件表面有腐蚀痕迹，部分构件有严重的腐蚀开裂现象；1996年以后建成并使用了10 a左右的码头，锈蚀现象较轻。码头建设年限越晚，耐蚀性越强，其耐久性增强的原因主要有以下4点：(1)耐久性相关标准的完善；(2)高性能混凝土的应用；(3)高效防腐蚀措施的应用；(4)设计施工水平的提高。这也说明了我国加快海洋防腐新技术的开发，减少海洋腐蚀现象，保障海洋经济健康发展的重要性。

在我国渤海、黄海、东海、南海4大海域沿海，也分布着众多的港口，由于海洋环境不同，其港口腐蚀情况也不尽相同。本工作选择各个海域并着重选择渤海海域具有代表性的港口码头进行了腐蚀调查，以下为具体的调查结果：

2.2.1 渤海海域

如图7所示，2013年对丹东某码头进行调研发现，该码头钢桩使用的是外层包覆聚乙烯保护层的防腐手段，由于冬季浮冰的撞击作用，造成了钢桩聚乙烯保护层的脱落，由于该保护层本身只是将海水和钢桩隔离开，防腐保护作用较差，且未完全脱落的保护层会储存部分海水，对钢桩的腐蚀产生更恶劣的影响，导致该码头处在浪花飞溅区的平台钢桩在海水冲击和电化学腐蚀的共同作用下，出现了严重的腐蚀现象。其局部区域钢结构表面完全被锈层覆盖，点蚀现象非常明显，保护工作迫在眉睫。

天津某LNG接收站码头所在海域的海水盐度为3.2%，电阻率约为26 Ω·cm，海水流速约为1.5 m/s，浪高约为3.5 m。港区海域每年冬季有不同程度的海冰出现，初冰日在12月下旬，终冰日在2月下旬，总冰期约60 d，严重冰期年平均为10 d。平均相对湿度为65%，最大相对湿度为100%，最小为3%。日照时间较长，年日照时数为2 500～2 900 h。该LNG接收站钢桩采取涂层加牺牲阳极的防腐保护措施，并留有腐蚀裕量。调查发现，该码头运行2 a左右时间后，其钢桩涂层具有脱落现象，虽然对局部脱落位置进行过修补，但是钢桩上仍出现了明显的锈迹，且在水位变动区有海洋生物附着现象。具体情况如图8所示。

对天津另一个至今已服役7 a的LNG接收站调查发现，其为钢管桩和预应力混凝土梁板结构，整个码头由120根φ1 200 mm和348根φ1 000 mm的钢管桩支撑。钢桩采取涂层加牺牲阳极的防腐保护措施，并留有腐蚀裕量。从图9可以看出该码头钢桩涂层已经出现剥离脱落现象，锈蚀较为严重，且钢桩上出现了较多的海洋生物附着，需要进一步防腐蚀处理。

唐山某LNG接收站所在海域海水盐度为3.0%，全年日照2 600～2 900 h，年平均气温为12.5 ℃，最高温度为32.9 ℃，最低为-14.8 ℃。该LNG接收站于2012年建成，至调研之日已有8 a服役时间。其码头钢管桩采用Q345D低合金高强度结构钢，在水位变动区及水下区采用环氧重防腐涂层的方式进行防腐，其中，水位变动区涂层厚度为1 500 μm，水下区涂层厚度为1 000 μm。如图10所示，目前该码头钢桩水位变动区涂层裂化脱落现象严重，钢桩上有较多的锈蚀区域，影响码头的安全使用。

2.2.2 黄海海域

2007年，对青岛某化工码头调查检测发现，该码头在使用4 a之后，虽然使用涂料对码头钢桩进行了数次修补，但是部分钢管桩在浪花飞溅区和海洋潮差区依然出现了大面积的涂层脱落和海洋生物附着，局部位置在保护层下腐蚀严重，形成了大量的腐蚀坑，最大腐蚀坑深度可以达到4 mm以上，严重威胁着码头的安全运行与长期使用，具体腐蚀情况如图11所示。

2.2.3 东海海域

如图12所示，福建某LNG码头钢桩在水面以上的部分主要采用涂料防护，许多钢桩在运行6 a之后，浪花飞溅区已经有大片的涂料发生了脱落，漏出钢桩本体，涂料下面出现大量的红锈，且有进一步扩大的趋势，通过测量发现，锈蚀最深处将近10 mm，严重影响了码头的安全使用。

2.2.4 南海海域

南海海域海水表层水温高(25～28 ℃)，年温差小(3～4 ℃)，雨量充沛，终年高温高湿，长夏无冬。图13为海南某LNG接受站腐蚀情况，该LNG接收站正式运行已达6 a，码头钢桩在水面以上的部分主要采用涂料防护，从图中可以看出，涂层斑驳脱落，钢桩基体裸露出，潮差区与浪花飞溅区最为严重，其频繁的干湿交替过程和充足的氧气供应，使金属材料在浪花飞溅区的电化学腐蚀速率明显大于海洋大气区和海水全浸区的腐蚀速率，海水的冲击加剧了材料的破坏，呈现出大量的红锈，并有锈层剥落。

2.3 国内外海洋钢结构长效防腐技术调研

腐蚀试验和调查结果表明，在一般情况下，钢在海洋大气中的平均腐蚀速率约为0.03～0.08 mm/a；在浪花飞溅区为0.30～0.50 mm/a；在海洋潮差区为0.10～0.37 mm/a；在海水全浸区中为0.13～0.25 mm/a；在海底泥土区(或砂中)约为0.02～0.08 mm/a[26]。

当然，海洋钢结构的腐蚀速率与不同海域的环境、不同钢种材料等有着密切的关系，不能一概而论[27, 28]。对于普通碳钢、低合金钢等材料，在浪花飞溅区这个部位很容易发生严重的腐蚀破坏，这使整个钢结构物承载力大大降低而影响安全生产，缩短使用寿命，提前报废[29]。目前钢结构大气区普遍采用的防腐技术为涂层防腐；而水下部分主要采用牺牲阳极技术进行腐蚀防护。这2种方法对于大气区异型部件、浪花飞溅区等强腐蚀区带的腐蚀防护并不能起到很好的效果。

如表1所示，根据ISO12944典型腐蚀环境分类，LNG场站主要包括C4～CX的环境特征，是极为严苛的腐蚀环境。在海洋钢结构工程中，常用腐蚀防护手段主要有5种，分别为增加腐蚀裕量、采用耐海水钢、使用涂层防护、使用电化学防腐以及使用包覆防腐，其中前2种方法是用来提高材料基体的性能，后3种方法是采用的防护技术。

表1 ISO-12944典型腐蚀环境分类Table 1 ISO-12944 classification of typical corrosive environments

在这5种防腐技术中，腐蚀裕量只对防止均匀腐蚀破坏有意义，且在应用中增加了结构物的载重及较高的成本，对于应力腐蚀、点蚀、氢脆和缝隙腐蚀等非均匀腐蚀，用增加腐蚀裕量的办法来防止腐蚀效果不佳。图14为海洋常用钢不同腐蚀区域腐蚀速率图，图中表示了各个实验钢片与平均高潮位(HTL)和平均低潮位(LTL)相对距离的腐蚀速率，其中纵坐标为试片距离防漂流载重箱底的距离，通过对比发现，17NiCuP钢在浪花飞溅区的腐蚀速率明显小于10Cr2AlMo钢，但是在海水全浸区明显高于10Cr2AlMo钢。这说明采用不同的耐海水钢时，在不同的腐蚀区带，其耐蚀程度也不同，难以保证各区带的腐蚀情况一致。

在涂料防护方面，一般在C4和C5腐蚀环境下采用的涂料为富锌底漆，且通过干膜厚度来满足涂层设计寿命或耐久力。富锌底漆按其成膜物质可分为有机、无机、有机/无机掺合3种类型。有机富锌底漆最为常用的是环氧富锌底漆。无机富锌底漆按成膜物分有水玻璃、硅酸乙酯及磷酸盐等。涂料在海水的冲击下容易出现破损现象，维修时，需要表面粗糙度的等级要求较高，水下部分维修困难，维修维护成本高[30]。阴极保护在水下区域拥有较好的防腐蚀效果，在水上部分防腐效果较差。包覆防腐技术可以大致分为有机包覆、无机包覆和矿脂包覆3类，其中有机包覆技术是指将聚乙烯、氨基甲酸乙酯弹性体、环氧树脂等有机包覆材料包覆在钢材表面以达到防腐蚀目的的防腐蚀施工方法，其膜厚比涂层厚度大，防腐蚀性、耐冲击性能优异，但是存在着容易老化和渗漏的缺点。无机包覆技术是指运用水泥砂浆、混凝土或金属等无机类材料对钢结构进行包覆防腐蚀的技术，是一种初期成本较低的防腐蚀方法。但由于因漂流物冲击及材料本身老化等原因，混凝土中容易出现较多的裂纹，引起海水的渗透，一定时间后会导致腐蚀效果下降。相比较而言，在浪花飞溅区采用矿脂包覆的工艺具有表面处理要求较低、水中施工容易、使用寿命长的优点，是较为可取的方案[31]。

图15为日本羽田机场防腐蚀工程，该机场跑道平台建在海面上，并使用钢桩作为支撑结构，工程设计的防腐蚀使用年限为100 a，其钢桁梁部位采用钛罩板覆盖，以阻断风雨以及飞溅盐分的侵蚀；钢桁梁内部采取改性环氧涂料涂装，并设置除湿器、换气扇以及送气管道等除湿系统，将桁梁内空气相对湿度控制在50%以下，以达到防止涂料老化的目的。位于浪花飞溅区、海洋潮差区及海洋大气区的钢管桩部位，采用耐海水不锈钢包覆。使用的耐海水不锈钢是奥氏体耐海水不锈钢SUS312L，也就是人们通常说的“超级不锈钢”，其与一般的奥氏体不锈钢(SUS304、SUS316L)相比，铬和钼的含量高，因此具有更好的耐孔蚀性及耐缝隙腐蚀性。从图中可以看出，该防护方法整体防护效果较好，没有出现明显的腐蚀现象。在位于海水全浸区及海底泥土区的部位，则采用了成熟的、且易于维护管理的Al-Zn-In牺牲阳极进行腐蚀防护。通过上述腐蚀防护方法的应用，使整个跑道的维护管理费用降至最低，同时也实现了降低使用寿命期内成本的目标，是目前世界上先进的腐蚀防护工程。

针对青岛某化工码头的腐蚀状况，2007和2009年采用复层矿脂包覆技术对其码头钢桩进行了2期的腐蚀修复，修复后码头钢桩更加整洁美观。修复前后的对比如图16所示。

2016年，在对青岛某化工码头钢桩使用复层矿脂包覆8 a后，将包覆层打开对防腐效果进行验证。如图17所示，检验结果表明，在海洋严酷的腐蚀条件下，复层矿脂包覆层多年后依然能够起到良好的保护效果，钢桩光滑无锈蚀。2019年9月，再次对该技术11 a的防护效果进行现场检查，见图18。从图18a可以看出，防护罩非常完整，没有任何破损现象，保护状态完好，可以满足至少30 a的保护寿命。如图18b所示，剖开钢桩保护套，擦掉油脂，可以看到钢桩内部表面光滑，基本为包覆前状态，无锈蚀现象，这也说明复层包覆技术具有较好的保护作用。

同时与未保护的钢桩相对比发现，没有采用复层矿脂包覆防腐的钢桩，表面涂层破损严重，锈迹斑斑，腐蚀情况已经非常严重，如图19所示。

2.4 有效防腐蚀方案

根据海洋钢桩特定的环境，提出较为有效的防腐蚀方案。如图20所示，该方案在海水全浸区及海底泥土区域采用铝合金牺牲阳极的阴极保护法。在腐蚀环境恶劣的海洋潮差区以及浪花飞溅区采用复层矿脂包覆的防腐技术(PTC)，该技术材料由4层紧密相连的保护层组成，即矿脂防蚀膏、矿脂防蚀带、密封缓冲层和防蚀保护罩。其中矿脂防蚀膏、矿脂防蚀带是复层矿脂包覆防腐技术的核心部分，含有高效的缓蚀成分，能够有效地阻止腐蚀性介质对钢结构的侵蚀。密封缓冲层和防蚀保护罩具有良好的整体性能，不但能够隔绝海水，还能够抵御机械损伤对钢结构的破坏。将矿脂防蚀膏、矿脂防蚀带、密封缓冲层和防蚀保护罩4个部分有机地结合在一起，并用专用工具和螺栓将边缘法兰闭合在一起后，具有密封性能好、操作稳定性高、施工方便、防腐蚀寿命可达30 a以上、维护管理成本低等优点。在易于施工和腐蚀环境相对较好的海洋大气区使用成本相对较低的重防腐涂料防护方法。该类型涂料在化工大气和海洋大气环境里一般可使用10 a或15 a以上，在酸、碱、盐等介质里及一定温度的腐蚀条件下，一般也能够使用5 a以上，使用寿命比一般防腐涂料更长。重防腐涂料的干膜厚度一般要达到200～300 μm以上，甚至上千微米。

3 结 论

针对码头钢桩的腐蚀现状及防治技术应用效果开展调研发现，在海洋潮差区及浪花飞溅区采用涂料的防腐蚀方法，在使用数年后，涂层易发生脱落，发生较为严重的腐蚀现象，影响码头的安全使用。在该区域采用复层矿脂包覆技术能够有效地对钢桩提供保护，减轻腐蚀现象。对钢桩整体较为有效的防腐蚀的方案为：在海水全浸区及海底泥土区域采用牺牲阳极的阴极保护法。在腐蚀环境恶劣的海洋潮差区以及浪花飞溅区采用复层矿脂包覆的防腐技术，在海洋大气区使用涂料防护。