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海洋工程的材料失效与防护
发布时间:2017-09-13T11:09:15

走向海洋是人类实现可持续发展的重要方向,开发、利用和保护海洋离不开各种海洋工程装备和设施。由于海洋环境具有很强的腐蚀性,并且受到复杂的环境化学-力学的复合作用,海洋工程常常会因为腐蚀、疲劳和磨损而导致材料失效。了解海洋工程的材料失效行为与机理,采取合理有效的防护措施,对避免失效事故的发生,降低寿命周期费用,延长海洋工程结构的寿命具有重要的意义。

二十一世纪是海洋的世纪

海洋有着非常丰富的资源,是人类的宝贵财富。二十一世纪是海洋的世纪,目前世界上已有100 多个国家将开发海洋定为基本国策,海洋在人类实现可持续发展过程中的重要作用已日益突显。

我国是海洋大国,我国海洋资源可开发利用的潜力很大,前景广阔。海洋正成为支撑我国社会经济发展和维护国家安全的重要领域。正因为海洋对国家发展的重要战略意义,在党的十八大报告中明确提出了要“提高海洋资源开发能力,发展海洋经济,保护海洋生态环境,坚决维护国家海洋权益,建设海洋强国”的目标。要实现建设海洋强国的“中国梦”,离不开海洋工程的发展,各种海洋装备和工程设施为进行海洋活动提供了必不可少的手段和前提条件(图1)。另一方面,随着海洋探索、开发、利用和保护的深入,对海洋工程也提出了新的需求,反过来又促进了海洋工程和技术的不断发展和进步。

海洋工程装备和结构物长期在海洋环境中使用和服役,一方面,海洋环境和条件不可避免地会影响海洋工程的使用寿命和服役安全,另一方面,海洋工程也会对其周围的海洋环境产生影响。因此,在海洋工程结构的设计、建造和使用中必须考虑海洋环境的作用,同时也要避免海洋工程对海洋环境和生态造成不利影响。

海洋腐蚀和海生物污损附着是海洋工程必须面对的重要问题。由于海洋环境具有极强的腐蚀性,所以了解海洋腐蚀环境特点、材料在海洋环境中的腐蚀行为和规律以及腐蚀控制的方法和措施是非常有必要的。浸泡在海水中的结构物表面会生长海洋生物,这些附着的生物造成污损,不仅增加结构物的载荷,而且会影响海洋工程装备和设施的使用性能和可靠性。

海洋工程往往结构复杂,并且长期在苛刻的环境中服役,不仅受到恶劣的海洋环境的腐蚀作用,而且在工作载荷以及风、海浪、海流、海冰和潮汐等海洋环境载荷的作用下,易于产生应力腐蚀和腐蚀疲劳损伤。对于一些受到水流冲刷或冲击的构件或船舶及平台的动力系统的运动部件, 还不可避免地存在磨损问题。腐蚀、疲劳和磨损将影响材料和结构的服役安全和耐久性,是造成海洋工程损伤、失效和破坏的重要原因。而且在很多情况下,是因为同时受到多个因素的复杂交互作用,导致了材料与结构的失效。

海洋工程材料与构件的失效与破坏除了缩短海洋工程的服役寿命、影响正常的生产与运行、增大维护维修成本、造成巨大的经济损失以外,还会引发灾难性事故, 造成严重的环境污染和生态破坏,危及人员生命与财产的安全。例如,2010 年4 月, 美国墨西哥湾的深水地平线钻井平台发生井喷,引起钻井平台爆炸起火并倾覆沉没, 事故导致11 人丧生,17 人受伤。同时, 累计泄漏的原油达490 万桶,使墨西哥湾沿岸生态环境遭到非常严重的破坏。这次事件被认为是美国历史上最为严重的事故, 被定为国家级灾难。因此,如何防止海洋工程材料与结构的环境损伤和失效,延长海洋工程的使用寿命,保障海洋工程结构的完整性、可靠性和安全性,是需要人们给予高度重视、并不懈努力去解决的关键工程技术问题。

材料的防护和延寿,是指在全寿命周期内,通过采取各种预防和维护措施,系统控制材料和结构的腐蚀、疲劳、磨损等造成的累积损伤和破坏,从而保证材料和结构的服役安全和耐久性,使之达到甚至超过设计的使用寿命。海洋工程的材料防护和延寿不仅具有显著的经济效益,同时还具有巨大的社会效益。

海洋工程环境及其影响

涉及海洋工程的环境因素有很多,包括气温、气压、风、降水等海洋气象因素; 海浪、潮汐、海流、风暴潮、海啸、海冰以及海水的温度、盐度、密度等海洋水文环境要素;海岸及海底的地形、地貌、地质结构、土壤特性等地理地质条件以及腐蚀环境和生物因素等。

风、海浪、海流、海冰等是海洋工程结构物必须考虑的主要环境载荷,它们随时间和空间发生变化,是一个随机过程。潮汐是影响海洋工程受力和水位高程的重要因素。在海洋工程设计中,必须要考虑这些海洋环境因素的变化规律和多年一遇的极值,海洋工程的设计环境条件不仅关系到结构物的安全度和可靠性,而且也会影响其技术经济性。因此合理选取海洋工程环境条件是非常关键的。海洋工程上受到的环境载荷会影响其结构稳定性,引起某些细长结构件的涡激振动,导致疲劳和断裂。

海洋环境的强腐蚀性是海洋工程面临的关键问题之一。传统上,根据腐蚀特点的差异,海洋环境从上至下可以分为五个不同的区带,即海洋大气区、浪花飞溅区、潮差区、海水全浸区以及海底泥土区。每个海洋区带的物理、化学以及生物因素有着较大的差别,因而对材料的腐蚀影响也明显不同。

根据环境的范围和尺度的差异,海洋工程腐蚀环境还可分为宏观环境或大环境和微观环境或称为小环境。大环境主要是海洋工程所在地域的气候环境、水文环境、地理和地质环境等,大多为自然腐蚀环境; 小环境是指海洋工程结构物的一些局部环境。对于同一结构物,不同部位所处的环境可能有很大的不同,因而每个海洋工程结构物上都会有许多的小环境存在。由于小环境才是结构物直接接触的环境,所以在腐蚀控制的选材和结构设计中不仅要考虑大环境的影响,更要考虑小环境的作用。事实上,很多结构物的腐蚀损伤都是由于小环境作用在局部区域发生,而一些关键结构部位的损伤则会导致整个海洋工程结构物的失效或破坏。海洋环境对金属材料的腐蚀影响较为复杂,不但不同金属存在差异,同种金属在不同海洋环境中的腐蚀形态也不同。海洋腐蚀的形态主要包括: 均匀腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、选择性腐蚀、晶间腐蚀、电偶腐蚀、杂散电流腐蚀、应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳、冲刷腐蚀、空泡腐蚀和生物腐蚀等。在一般情况下,均匀腐蚀是最常见的腐蚀形态,但从材料应用及工程角度出发, 局部腐蚀对海洋工程结构的安全危害更大, 因此,在考虑海洋环境中材料的腐蚀与防护问题时,对局部腐蚀应予以特别重视。

海生物污损对海洋工程结构物的影响和危害是个不容忽视的问题。微生物通常会加速金属的腐蚀,而宏观生物污损通常会促进金属表面局部腐蚀的发生,并且增加了额外的载荷和流体阻力,造成管路系统堵塞,导致运动部件和仪器设备的失效。

海洋工程的腐蚀控制

海洋腐蚀的控制方法主要包括:防腐蚀设计、材料的合理选用、海洋涂料、阴极保护、金属涂层以及腐蚀监检测技术等。

防腐蚀设计是防止海洋工程材料发生腐蚀所要做的首要工作,是指在进行海洋工程设计时,要充分考虑腐蚀防护的要求, 进行合理的设计,以减轻甚至消除腐蚀可能造成的危害。

材料选用首先要满足海洋工程结构的力学性能和功能要求(设计目的),同时还必须要考虑工艺性能(如加工性能、焊接性能等)、环境适应性(腐蚀、磨损、老化等性能),以及经济性(获得最佳效费比)。当环境适应性不能满足要求时, 需采取防护措施,避免提早产生腐蚀失效。海洋工程常用材料主要有碳钢及低合金钢、不锈钢、铜及铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金以及非金属及复合材料等。

涂料是海洋工程最常用的防腐手段, 其成膜后形成的涂层可以将腐蚀介质和金属基体隔离开,有的涂层还具有缓蚀和阴极保护的作用。常用的海洋防腐涂料有富锌涂料、环氧树脂涂料、聚氨酯涂料、氯化橡胶涂料、玻璃鳞片涂料等。海洋防腐涂料正朝着高性能、环保、易施工等方向发展,如聚硅氧烷涂料、氟碳涂料、无溶剂涂料、低表面处理涂料等。

阴极保护是防止海水中金属腐蚀的有效方法。牺牲阳极和外加电流阴极保护在实际工程中都得到了广泛的应用,但两者各有特点,适用于不同的场合。《海洋工程的材料失效与防护》介绍了各种牺牲阳极材料的性能、外加电流阴极保护系统的组成与特点以及阴极保护的设计技术,包括传统的经验设计、缩比模型实验设计和数值模拟优化设计方法。

同时,针对不同的海洋工程装备和设施,论述了实际工程中采用的具体技术和方法,涉及的主要内容包括:船舶的腐蚀控制、钢质港工设施的腐蚀控制、跨海大桥的腐蚀控制、海上油气资源开采设施的腐蚀控制、海水利用系统的腐蚀控制等, 可供海洋工程的设计、建造、使用和维护部门的相关技术人员参考。

海洋工程混凝土结构的耐久性与延寿技术

钢筋混凝土在海洋工程中得到广泛应用,例如,海底隧道、跨海大桥、海港码头等大型海洋基础设施都大量采用钢筋混凝土结构。由于海洋环境强腐蚀性特点, 如何保证这些海洋工程钢筋混凝土构筑物的使用寿命,使其具有良好的耐久性是工程技术人员和业主均十分关注、也必须高度重视的关键问题。

由于海洋环境本身的严酷性,或没有采取有效的措施,许多海洋工程结构物往往达不到设计使用年限要求,产生耐久性问题(图2)。世界上不同地区关于混凝土结构发生劣化和损伤的事例有很多文献报道。例如,美国联邦公路管理局于1991 年发布的调查结果表明,全国有226000 座桥梁和立交桥(约占全国总数的39%)发生了钢筋腐蚀,存在病害。

目前我国正处在经济快速发展,基础设施大规模建设的高潮时期,更应该吸取国外发达国家在海洋工程混凝土结构耐久性方面的经验,给予足够的重视,在设计之初就应坚持高标准、严要求,并采取有效的措施以保证混凝土结构的耐久性,降低其全寿命周期的费用。

影响海洋环境中钢筋混凝土结构耐久性的因素有很多,主要包括混凝土材料和施工质量、氯离子诱发的钢筋锈蚀、碳化、冻融循环、磨损和冲刷、化学侵蚀以及生物作用等。其中海洋环境氯离子的作用导致钢筋锈蚀是影响混凝土结构耐久性的最重要因素之一。

由于影响混凝土结构耐久性的因素非常复杂,因此如何提高混凝土结构的耐久性以及延长在役混凝土工程结构的使用寿命是一项复杂的系统工程,需要采取一系列的技术与管理措施,并贯穿于结构从设计、建造到使用和维护的全寿命周期。提高混凝土结构耐久性的技术途径包括合理的设计和施工、从材料本身来提高耐久性(如采用高性能海工混凝土和耐腐蚀加强筋等)、以及采取额外的防护措施等,如采用混凝土保护涂层、混凝土表面硅烷浸渍处理、缓蚀剂以及电化学保护技术。

例如,上海东海大桥是国内第一座特大型跨海桥梁,设计基准期为100 年。由于位于外海,海况非常恶劣,给大桥结构的耐久性提出了挑战。该跨海大桥就采用了以高性能海工混凝土为基础的综合防护策略, 并依据混凝土结构所处部位和环境条件,通过增大混凝土保护层厚度和采用必要的补充防腐蚀措施, 如涂装防腐涂层等,以使大桥达到设计的寿命要求。

海洋工程结构的环境- 力学损伤行为与预防

在海洋环境腐蚀及环境载荷(主要是风、浪、流)作用下,海洋平台结构可能产生多种破坏形式,包括极限强度破坏,即在外载荷应力达到或超过其最大承载能力(由于腐蚀原因,导致平台净截面削弱,从而使得其最大承载能力降低) 的破坏;失稳破坏,指平台所受到的最大压应力达到或超过许用的失稳压缩应力的破坏; 脆性破坏,指含裂纹的平台结构裂纹尖端应力强度因子达到了材料的断裂韧性,从而导致静载下的裂纹失稳扩展断裂;腐蚀疲劳断裂破坏,指在海洋环境腐蚀及交变载荷作用一定循环次数后,含裂纹平台结构的裂纹突然失稳扩展断裂。例如,1979 年我国的“渤海2 号” 石油平台在渤海受到寒潮大浪的袭击而沉没;1983 年美国ACT 石油公司的“爪哇海”号平台在南海受到波高8.5 米的台风大浪袭击而沉没。

《海洋工程的材料失效与防护》以海洋平台为对象,介绍了海洋工程结构应力腐蚀和腐蚀疲劳发生的条件、过程和机理,海洋工程结构的抗疲劳设计方法,腐蚀疲劳强度和裂纹扩展速率的测试方法,以及海洋工程结构的安全性评估。同时,介绍了海洋工程结构环境-力学损伤的预防方法,包括防止海洋平台结构应力腐蚀和腐蚀疲劳的措施、海洋平台结构设计所采用的安全措施等。

船舶及海洋工程动力系统中的磨损失效与预防

柴油机是目前船舶及海洋工程中的主要动力源。船舶机械运转时,设备中有相对运动的摩擦副零件会在其配合表面产生摩擦,引起表面磨损。即使在正常运转情况下零件表面的摩擦、磨损也是不可避免的。摩擦、磨损使得机器的性能逐渐变坏,效率降低,甚至完全失效。

例如,柴油机的曲轴和轴承之间由于轴瓦装配错误、润滑油中断等原因会造成轴与轴承干摩擦,导致轴承工作温度升高,使轴承合金熔融,产生黏着磨损。若不及时处理,会导致曲轴被黏着,轴瓦抱死,停止转动。轻者会使轴颈表面出现拉毛、过热等损伤。重者会使柴油机失去动力,曲轴扭矩过大而严重损伤。

《海洋工程的材料失效与防护》介绍了摩擦和磨损的种类与机理,分析了船用柴油机气缸套与活塞环、曲轴与轴承之间的摩擦与磨损事例,介绍了改善内燃机摩擦磨损性能的措施以及磨损失效零部件的各种修复方法和技术。

结束语

腐蚀、疲劳和磨损是造成海洋工程损伤和破坏的主要原因,海洋工程的材料延寿对保障海洋装备和结构物的完整性、可靠性和安全性,促进资源保护和可持续发展具有重要的意义。《海洋工程的材料失效与防护》介绍了海洋环境的特点,海洋工程的材料失效形式、机理及其影响因素,海洋工程的防护方法和延寿技术等内容。