第2章　海洋環境中的腐蝕與防護

2.1　海洋環境不同區帶的腐蝕特征

海上風電場處于惡劣的應用環境之中，隨著總容量的逐漸擴大，水深也逐漸增加，這對防腐技術提出了更高的要求。海水是一種成分復雜的混合液體，主要由溶解質液體、氣體和固體物質三部分組成，其中96%～97%由水組成，3%～4%由溶解于水中的各種元素和其他物質組成。海水中已經發現的化學元素有80多種，但含量差別很大，主要化學元素有氯、鈉、鎂、鉀、硫等，海水成分較穩定，這些元素大多數以離子態存在，氯化物含量高達88.6%，硫酸鹽占10.8%。溶解在海水中的氣體以CO2和O2為主，O2主要來源于大氣和海生植物的光合作用，而CO2主要來自大氣和海洋生物的呼吸作用和生物殘余的分解作用。一般情況下，水溫升高時，O2含量降低，水溫降低時O2含量增加。海水中CO2的溶解度是有限的，但海洋植物可以消耗大量的CO2，而且在堿性環境下，CO2還可以與鈣離子結合，生成碳酸鈣沉淀。海洋腐蝕問題十分復雜，因為各海區環境因素不同，所以其腐蝕規律也不同。從風電場設施腐蝕的角度以及與海水的接觸情況，可將海洋環境分為海洋大氣區、浪濺區、潮汐區、全浸區和海泥區五個不同的腐蝕區帶。以海上風電機組支撐結構為例，將不同區域的環境條件和腐蝕特點進行歸納總結，見表2－1。

從表2－1可以看出，在浪濺區，由于處在干、濕交替區，氧氣供應充分，所產生的腐蝕產物沒有保護作用，因此腐蝕最嚴重；在高潮線，由于漲潮時高含氧量海水的飛濺，金屬表面的腐蝕也很嚴重；在潮汐區（平均高潮線與低潮線之間），由于氧濃差電池的保護作用，腐蝕最小；在海水全浸區，即在平靜的海水中，腐蝕受氧擴散的控制，其中淺海區腐蝕較重，陰極區往往形成石灰質水垢，并且隨深度增加有所減輕；在接近海泥帶，由于海洋生物的氧濃差電池和硫化物的影響，腐蝕率增加；在海泥中，由于溶解氧量減少、腐蝕產物不能遷移，因此腐蝕較輕。各區的腐蝕傾向如圖2－1所示。

2.1.1　海洋大氣區的腐蝕

海洋大氣環境中相對濕度大、鹽分高，對于暴露在海洋大氣區的金屬部分，腐蝕介質長期積累后附在鋼鐵表面形成良好的液態水膜電介質，同時由于鋼結構成分中有少量碳原子的存在，極易形成無數個原電池，構成電化學腐蝕的有利條件，從而使金屬物體產生腐蝕而生銹，導致其材料的結構和性能出現變化而破壞。

在海洋大氣中，氯化鈉會隨著海水的蒸發在空氣中形成氯化鈉鹽霧，這種鹽霧遇水變成氯化鈉溶液浮于空氣中，加劇鋼結構的腐蝕。鹽霧腐蝕不僅會破壞海上風電機組的基礎結構，而且造成海上風電機組的螺栓等緊固連接件強度降低、葉片氣動性能下降、電氣部件觸點接觸不良，使風電機組傳動系統、葉片、電氣控制系統故障率大大增加，從而引起風電機組停機，更嚴重的有可能引起風電機組倒塌等安全事故。

2.1.2　浪濺區的腐蝕

浪濺區腐蝕除了海洋大氣環境中的腐蝕影響因素外，還受到海浪飛濺的影響，在浪濺區下部還要受到海水的短時間浸泡。浪濺區的海鹽粒子含量較高，海水浸潤時間長，干濕交替頻繁，鋼鐵腐蝕情況更為嚴重。通常，鋼鐵的腐蝕速率會在浪濺區出現峰值。浪濺區的鋼表面銹層在濕潤過程中作為一種強氧化劑作用，而在干燥過程中，由于空氣的氧化作用，銹層中的Fe2＋又被氧化為Fe3＋。上述過程的反復進行，使鋼鐵的腐蝕加速，造成鋼結構損傷嚴重。一般情況下，同一種鋼，在浪濺區的腐蝕速度可比海水全浸區中高出3～10倍，浪濺區成為所有海洋環境中腐蝕最為嚴重的部位，一旦在這個區域發生嚴重的局部腐蝕破壞，會使整座鋼結構設施承載力大大降低，縮短使用壽命，影響安全生產，甚至導致設施提前報廢。

2.1.3　潮汐區的腐蝕

在潮汐區鋼鐵表面經常會與含有飽和氧氣的海水接觸，由于海洋潮汐變化的原因而使鋼鐵腐蝕加劇，在有浮游物體和冬季流冰的海域，潮汐區的鋼鐵還會受到撞擊。

2.1.4　全浸區的腐蝕

全浸區的鋼結構全浸于海水中，如測風塔管架平臺的中下部位，長期浸泡在海水中的鋼鐵腐蝕會受到溶解氧、海水流速、鹽度、污染物和海洋生物等因素的影響。由于鋼鐵在海水中的腐蝕反應受氧的還原反應所控制，所以在全浸區中，溶解氧對鋼鐵的腐蝕起到主導作用。

2.1.5　海泥區的腐蝕

海泥區位于全浸區以下，主要由海底沉積物構成。海底沉積物的物理性質、化學性質和生物性質隨海域和海水深度的不同而不同。

海泥區實際上是飽和的海水土壤，它是一種比較復雜的腐蝕環境，既有土壤腐蝕特點，又有海水腐蝕特性。海泥區含鹽度高、電阻率低，但是供氧不足，所以一般鈍性金屬的鈍化膜是不穩定的。海泥區含有硫酸鹽還原菌，會在缺氧環境下生長繁殖，會對埋入海泥區的鋼鐵造成比較嚴重的腐蝕。

2.1.6　腐蝕環境的分類標準

材料在不同大氣環境中的腐蝕破壞程度差異很大，例如，距海邊24.3m處的鋼腐蝕速度為距海邊243.8m處的大約12倍。試驗表明，若以Q235鋼板在我國拉薩市大氣腐蝕速率為1，則青海察爾漢鹽湖大氣腐蝕速率為4.3，廣州市為23.9，湛江海邊為29.4，相差近30倍。因此，在防腐蝕工程設計和制定產品環境適應性指標時，均需按大氣腐蝕環境分類進行。

大氣環境分類一般有兩種方法，一種是按氣候特征劃分，即自然環境分類；另一種是按環境腐蝕嚴酷性劃分。后者更接近于應用實際而被普遍采用。國際標準ISO 9223～9226便是根據金屬標準試片在環境中自然暴露試驗獲得的腐蝕速率、綜合環境中大氣污染物濃度和金屬表面潤濕時間進行分類，將大氣按腐蝕性高低分為5類，即C1，很低；C2，低；C3，中；C4，高；C5，很高。

在涂料界，國際標準化組織頒布了更有針對性的標準：ISO 12944—1～8：1998《色漆和清漆—保護漆體系對鋼結構的防腐保護》（Paints and varnishes—Corrosion protection of steel structures by protective paint systems），這是一部在國際防腐界通行的、權威的防護涂料與涂裝技術指導性國際標準。目前，國內涂料、涂裝行業、腐蝕與防護行業及相關設計研究院所、高等學校等在重大防腐工程設計、招投標及施工過程中都使用這一綜合性標準。該標準將大氣環境進行了系統的分類，根據不同大氣環境的腐蝕性及其特征污染物質的污染程度，將涂料產品面對的大氣環境大致分為鄉村大氣、城市大氣、工業大氣和海洋大氣四種類型。表2－2給出了ISO 12944—2標準對大氣腐蝕環境的分類方法及典型環境舉例，可見海洋大氣的腐蝕等級屬于最嚴重的腐蝕類別C5－M。

由于導致腐蝕產生的環境因素除了大氣還包括各類水質和土壤方面的影響，所以標準ISO 12944—2規定了鋼結構在水下和土壤中的腐蝕環境分類見表2－3，可見海水中全浸區的腐蝕環境類別屬于I2，海泥區屬于I3。

20世紀90年代，我國制定并頒布了類似標準，即GB/T 15957—1995《大氣環境腐蝕性分類》。該標準系以裸露的碳鋼（以A3鋼為基準）在不同大氣環境下腐蝕等級劃分和防護涂料及其類似防護材料品種選擇為重要依據。該標準主要根據碳鋼在不同大氣環境下暴露第1年的腐蝕速率（mm/a），將腐蝕環境類型分為無腐蝕、弱腐蝕、輕腐蝕、中腐蝕、較強腐蝕、強腐蝕六大等級，并給出不同腐蝕環境下的腐蝕速率，見表2－4。