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侯保荣院士:立防腐界的定海神针——聚焦世界腐蚀日
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关于“世界腐蚀日”

“世界腐蚀日(Worldwide Corrosion Day)”由世界腐蚀组织(WCO)确立。世界腐蚀组织是于 2006 年在纽约注册成立的非营利学术组织。由美国腐蚀工程师国际协会(NACE International)、中国腐蚀与防护学会 (Chinese Society for Corrosion and Protection)、欧洲腐蚀联盟 (European Federation for Corrosion)、澳大利亚腐蚀协会 (Australasian Corrosion Association) 四个组织联合发起。 是一个代表地方及其国家的科学家、工程师和其它团体的世界性组织。在腐蚀和防护的研究中,致力于知识的发展和传播。 2009年经过 WCO 各成员的讨论并一致通过了在世界范围内确立每年的 4 月 24 日作为“世界腐蚀日(Worldwide Corrosion Day)”,其宗旨是唤醒政府、工业界以及我们每个人认识到腐蚀的存在,认识到每年由于腐蚀引起的经济损失在各国的 GDP 中平均超过 3%;同时向人们指出控制和减缓腐蚀的方法。

值此“2018.4.24”世界腐蚀日即将来临之际,中国腐蚀与防护学会不忘初心,牢记使命,开展世界腐蚀日有奖征文专题活动,向各行各业腐蚀科研及生产工作者征集科普文章,以科普角度向公众介绍行业中的腐蚀问题及防护技术,旨在加深公众对制造业中材料腐蚀的认识和了解,普及材料腐蚀学科在装备制造和应用中的重要作用,呼吁全民关注腐蚀,防控腐蚀。

文|侯保荣  中科院海洋研究所

中共十九大报告提出,要加快建设海洋强国,与十八大报告相比,多了“加快”二字。习近平总书记明确要求的“坚持陆海统筹,加快建设海洋强国”也为建设海洋强国再一次吹响了号角。我国拥有300多万平方公里的蓝色国土,1.8万公里的大陆海岸线,蓝色正逐渐渗入中国经济的底色,中国经济形态呈现出前所未有的“依海”特征,海洋已成为新的经济增长点。

伴随着全球对海洋的开发不断向深度和广度扩展,深海之争归根结底为资源之争。深海钻采平台、深海运载潜艇、深海管线、超大型海洋浮式结构、深海航行器等工程设备有望发展成为我国未来的新兴战略型支柱产业,比如2014年失事航班MH 370的黑匣子搜索工作中,深海航行器就发挥了重要作用,但它们在深海特殊环境中的腐蚀状况不同于浅海,深海苛刻的环境对材料的腐蚀防护提出了更高要求,因此深海领域的发展非常依赖于材料科技的突破,特别是专门用于深海探测等尖端产业的材料。工欲善其事,必先利其器,高性能深海工程材料是发展深海工程装备的基础和先导。

除却海洋装备,近年来,伴随着装备制造业的发展,建筑运输机械产业、航空航天工业、原子能工业、能源化工产业、高新武器工业等不断创新升级,其装备长期服役在复杂、恶劣的环境中,腐蚀成为阻碍装备安全运转不可忽视的因素,既要延长使用周期保证结构耐久性,同时还要实现节能环保、高性能和功能化的全方位目标,对腐蚀防护提出了更高要求,也是对综合国力和科技实力的考验。

强大的制造业是国家走向强盛之路的坚实手杖,高质量的装备就是手杖顶端闪亮的宝石,决不能让腐蚀给国家之利器蒙上尘埃。在装备“制造”向“智造”转型升级的智能化时代,如果把数字化比作推进智能制造的“心脏”,那防腐工程就是扞卫整体健康的“皮肤”,只有保证每一颗螺丝都光洁如新,每一台机床都高效运转,每一处码头都井然有序,每一趟列车都平稳运行,才能一步一个脚印的奔跑在前进的路上,早日实现与机器人共舞的智能中国梦。

既然腐蚀是绕不开的问题,就要认识和了解腐蚀问题。

腐蚀到底是如何悄无声息的潜入我们身边的呢?当金属与环境中的水分和气体发生物理、化学反应,导致其表面发生物理溶解或内部发生氧化还原反应,化工行业还常见酸、碱等强氧化性物质,钢铁材料在潮湿环境中工作,易发生原电池反应生成电解质,短时间内就会被腐蚀。.


一旦仪器仪表的微小部件被破坏,整个设备的精确度便难以保障,差之毫厘谬以千里,严谨的科研事业容不得一丝误差;一颗小小的螺丝、螺帽的锈蚀,近则导致身边的汽车铁路停运,远则可能导致卫星发射系统故障;一处螺栓、法兰的腐坏,可能引起塔筒桥梁的垮塌,引发巨大的安全隐患甚至事故损失。当大型装备的工作寿命被腐蚀大大缩短,加之维修费用昂贵,失效后还会对环境造成二次污染,可见腐蚀是安全问题,也是生态文明问题。中国工程院重大咨询项目成果汇编的《中国腐蚀成本》中报告,2014年我国的腐蚀成本为2.1万亿元人民币,占当年GDP的3.34 %,相当于平均每人需要承担约1555元的腐蚀成本。因此急需采取必要的防腐手段,给我国各大型装备保驾护航、延年益寿。

以海洋环境为例,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五个不同的腐蚀区带。钢铁结构在海洋大气与内陆大气中有着明显的不同。


海洋大气湿度大、盐分多,盐分积存钢铁表面与水膜形成导电良好的液膜电解质,是电化学腐蚀的有利条件,加深了腐蚀程度。我国许多海港附近的运输管道、石油储罐、桥梁拉锁等长期处于严酷环境中,高湿气候与盐雾气氛破坏涂层,加快了其老化失效的过程。

浪花飞溅区是指海水的飞沫能够喷洒到其表面,但在海水涨潮时又不能被海水所浸没的部位,因为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,浪花的冲击又有力地破坏钢材的保护膜,加上阳光、风吹和海水环境的协同作用,成为海洋腐蚀最为严重的区域。海港码头和海上风电装备等海洋构筑物的钢桩面临着严重的腐蚀威胁,更甚者有坍塌的风险隐患。

从高潮位到低潮位的区域称为潮差区。在潮差区的钢铁表面经常接触饱和了空气的海水。由于潮流的原因,在冬季有流冰的往复运动,钢铁设施会受到浮冰的撞击。

全浸区长期浸泡在海水中,比如导管架平台的中下部位。钢铁的腐蚀会受到溶解氧、流速、盐度、污染和海生物等因素的影响,由于钢铁在海水中的腐蚀反应受氧的还原反应所控制,所以溶解氧对钢铁腐蚀起着主导作用。

海泥区位于全浸区以下,主要由海底沉积物构成,既有土壤的腐蚀特点,又有海水的腐蚀行为。海泥区含盐度,电阻率低,但是供氧不足,所以一般的钝性金属的钝化膜是不稳定的。海泥中含有的硫酸盐还原菌,会在缺氧环境下生长繁殖,海底沉积物的物理性质、化学性质和生物性质随海域和海水深度而异,都会对钢材造成比较严重的腐蚀。


目前,我国已有300多个海洋油气平台、27座跨海大桥屹立在海上,同时建设了大量的海港码头和海上风电装备等海洋建构筑物。既然腐蚀问题是客观存在的,就要寻求有效措施解决好腐蚀问题。

研究表明,越早开展腐蚀防护,防腐蚀成本越低。美国学者Sitter曾用“五倍定律”来形象地描述钢筋混凝土设施维护的重要性,他指出,在设计阶段对钢筋防护方面减少了1美元,那就意味着,当发现钢筋锈蚀时采取补救措施将需要追加维修费5美元,而在混凝土表面出现顺筋开裂时再采取措施将追加维修费25美元,当结构严重破坏时采取措施将追加维修费125美元。可见腐蚀是棘手的经济和国计民生问题。因此,应在钢铁设施修建初期就进行“主动防腐”,有目的、有地针性地对于海洋环境中的防护短板进行“科学防腐”,采用环保技术“绿色防腐”,达到“长效防腐”的目的,通过较少的费用,获得长久的经济效益。


目前主要防护方法包括涂料、加厚钢板、阴极保护、耐海水钢以及不锈钢玻璃钢包覆等,对待不同区域的腐蚀问题要提出因地制宜的解决方案,但各方法仍存在亟待填补的保护漏洞。如用于大气区的涂料往往防护寿命较短,对于已建设施的修复十分困难;加厚钢板的焊缝腐蚀与点蚀现象严重,且会大大增加结构物的载重,大多数已被其他方法代替;阴极保护多用于海水全浸区及部分潮差区,而在浪花飞溅区则没有防护效果;不锈钢包覆方法对材料的耐蚀性要求较高,且焊接处极易发生焊缝腐蚀,同时较高的成本也让多数项目望尘莫及。针对大气区钢结构腐蚀防护的短板,国家海洋腐蚀防护工程技术研究中心开发的“氧化聚合型包覆防腐蚀技术(OTC)”可以很好地解决以上难题,通过防蚀膏、防蚀带及外防护剂组成的三层配套体系,与螺栓、法兰等形状不规则的异型节点紧密贴合,隔离腐蚀性因子。而其另一项针对潮湿环境的“复层矿脂包覆防腐蚀技术(PTC)”可带锈带水施工,矿脂防蚀膏的缓蚀成分,能够有效的阻止腐蚀性介质对钢结构的侵蚀,密封缓冲层和保护罩的整体性能,能够隔绝海水,抵御机械损伤对钢结构的破坏。只有保证海陆工程装备在湿热、阴冷、暴晒下正常运转,解决迫在眉睫的科学问题,打造安全耐久、光洁如新的“中国好材料”,才能以“中国速度”平稳迈向“中国制造”的平台,打造“中国智造”的品牌。

 
 
 
 
 
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