第2章　海洋环境中的腐蚀与防护

2.1　海洋环境不同区带的腐蚀特征

海上风电场处于恶劣的应用环境之中，随着总容量的逐渐扩大，水深也逐渐增加，这对防腐技术提出了更高的要求。海水是一种成分复杂的混合液体，主要由溶解质液体、气体和固体物质三部分组成，其中96%～97%由水组成，3%～4%由溶解于水中的各种元素和其他物质组成。海水中已经发现的化学元素有80多种，但含量差别很大，主要化学元素有氯、钠、镁、钾、硫等，海水成分较稳定，这些元素大多数以离子态存在，氯化物含量高达88.6%，硫酸盐占10.8%。溶解在海水中的气体以CO2和O2为主，O2主要来源于大气和海生植物的光合作用，而CO2主要来自大气和海洋生物的呼吸作用和生物残余的分解作用。一般情况下，水温升高时，O2含量降低，水温降低时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，而且在碱性环境下，CO2还可以与钙离子结合，生成碳酸钙沉淀。海洋腐蚀问题十分复杂，因为各海区环境因素不同，所以其腐蚀规律也不同。从风电场设施腐蚀的角度以及与海水的接触情况，可将海洋环境分为海洋大气区、浪溅区、潮汐区、全浸区和海泥区五个不同的腐蚀区带。以海上风电机组支撑结构为例，将不同区域的环境条件和腐蚀特点进行归纳总结，见表2－1。

从表2－1可以看出，在浪溅区，由于处在干、湿交替区，氧气供应充分，所产生的腐蚀产物没有保护作用，因此腐蚀最严重；在高潮线，由于涨潮时高含氧量海水的飞溅，金属表面的腐蚀也很严重；在潮汐区（平均高潮线与低潮线之间），由于氧浓差电池的保护作用，腐蚀最小；在海水全浸区，即在平静的海水中，腐蚀受氧扩散的控制，其中浅海区腐蚀较重，阴极区往往形成石灰质水垢，并且随深度增加有所减轻；在接近海泥带，由于海洋生物的氧浓差电池和硫化物的影响，腐蚀率增加；在海泥中，由于溶解氧量减少、腐蚀产物不能迁移，因此腐蚀较轻。各区的腐蚀倾向如图2－1所示。

2.1.1　海洋大气区的腐蚀

海洋大气环境中相对湿度大、盐分高，对于暴露在海洋大气区的金属部分，腐蚀介质长期积累后附在钢铁表面形成良好的液态水膜电介质，同时由于钢结构成分中有少量碳原子的存在，极易形成无数个原电池，构成电化学腐蚀的有利条件，从而使金属物体产生腐蚀而生锈，导致其材料的结构和性能出现变化而破坏。

在海洋大气中，氯化钠会随着海水的蒸发在空气中形成氯化钠盐雾，这种盐雾遇水变成氯化钠溶液浮于空气中，加剧钢结构的腐蚀。盐雾腐蚀不仅会破坏海上风电机组的基础结构，而且造成海上风电机组的螺栓等紧固连接件强度降低、叶片气动性能下降、电气部件触点接触不良，使风电机组传动系统、叶片、电气控制系统故障率大大增加，从而引起风电机组停机，更严重的有可能引起风电机组倒塌等安全事故。

2.1.2　浪溅区的腐蚀

浪溅区腐蚀除了海洋大气环境中的腐蚀影响因素外，还受到海浪飞溅的影响，在浪溅区下部还要受到海水的短时间浸泡。浪溅区的海盐粒子含量较高，海水浸润时间长，干湿交替频繁，钢铁腐蚀情况更为严重。通常，钢铁的腐蚀速率会在浪溅区出现峰值。浪溅区的钢表面锈层在湿润过程中作为一种强氧化剂作用，而在干燥过程中，由于空气的氧化作用，锈层中的Fe2＋又被氧化为Fe3＋。上述过程的反复进行，使钢铁的腐蚀加速，造成钢结构损伤严重。一般情况下，同一种钢，在浪溅区的腐蚀速度可比海水全浸区中高出3～10倍，浪溅区成为所有海洋环境中腐蚀最为严重的部位，一旦在这个区域发生严重的局部腐蚀破坏，会使整座钢结构设施承载力大大降低，缩短使用寿命，影响安全生产，甚至导致设施提前报废。

2.1.3　潮汐区的腐蚀

在潮汐区钢铁表面经常会与含有饱和氧气的海水接触，由于海洋潮汐变化的原因而使钢铁腐蚀加剧，在有浮游物体和冬季流冰的海域，潮汐区的钢铁还会受到撞击。

2.1.4　全浸区的腐蚀

全浸区的钢结构全浸于海水中，如测风塔管架平台的中下部位，长期浸泡在海水中的钢铁腐蚀会受到溶解氧、海水流速、盐度、污染物和海洋生物等因素的影响。由于钢铁在海水中的腐蚀反应受氧的还原反应所控制，所以在全浸区中，溶解氧对钢铁的腐蚀起到主导作用。

2.1.5　海泥区的腐蚀

海泥区位于全浸区以下，主要由海底沉积物构成。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的不同而不同。

海泥区实际上是饱和的海水土壤，它是一种比较复杂的腐蚀环境，既有土壤腐蚀特点，又有海水腐蚀特性。海泥区含盐度高、电阻率低，但是供氧不足，所以一般钝性金属的钝化膜是不稳定的。海泥区含有硫酸盐还原菌，会在缺氧环境下生长繁殖，会对埋入海泥区的钢铁造成比较严重的腐蚀。

2.1.6　腐蚀环境的分类标准

材料在不同大气环境中的腐蚀破坏程度差异很大，例如，距海边24.3m处的钢腐蚀速度为距海边243.8m处的大约12倍。试验表明，若以Q235钢板在我国拉萨市大气腐蚀速率为1，则青海察尔汉盐湖大气腐蚀速率为4.3，广州市为23.9，湛江海边为29.4，相差近30倍。因此，在防腐蚀工程设计和制定产品环境适应性指标时，均需按大气腐蚀环境分类进行。

大气环境分类一般有两种方法，一种是按气候特征划分，即自然环境分类；另一种是按环境腐蚀严酷性划分。后者更接近于应用实际而被普遍采用。国际标准ISO 9223～9226便是根据金属标准试片在环境中自然暴露试验获得的腐蚀速率、综合环境中大气污染物浓度和金属表面润湿时间进行分类，将大气按腐蚀性高低分为5类，即C1，很低；C2，低；C3，中；C4，高；C5，很高。

在涂料界，国际标准化组织颁布了更有针对性的标准：ISO 12944—1～8：1998《色漆和清漆—保护漆体系对钢结构的防腐保护》（Paints and varnishes—Corrosion protection of steel structures by protective paint systems），这是一部在国际防腐界通行的、权威的防护涂料与涂装技术指导性国际标准。目前，国内涂料、涂装行业、腐蚀与防护行业及相关设计研究院所、高等学校等在重大防腐工程设计、招投标及施工过程中都使用这一综合性标准。该标准将大气环境进行了系统的分类，根据不同大气环境的腐蚀性及其特征污染物质的污染程度，将涂料产品面对的大气环境大致分为乡村大气、城市大气、工业大气和海洋大气四种类型。表2－2给出了ISO 12944—2标准对大气腐蚀环境的分类方法及典型环境举例，可见海洋大气的腐蚀等级属于最严重的腐蚀类别C5－M。

由于导致腐蚀产生的环境因素除了大气还包括各类水质和土壤方面的影响，所以标准ISO 12944—2规定了钢结构在水下和土壤中的腐蚀环境分类见表2－3，可见海水中全浸区的腐蚀环境类别属于I2，海泥区属于I3。

20世纪90年代，我国制定并颁布了类似标准，即GB/T 15957—1995《大气环境腐蚀性分类》。该标准系以裸露的碳钢（以A3钢为基准）在不同大气环境下腐蚀等级划分和防护涂料及其类似防护材料品种选择为重要依据。该标准主要根据碳钢在不同大气环境下暴露第1年的腐蚀速率（mm/a），将腐蚀环境类型分为无腐蚀、弱腐蚀、轻腐蚀、中腐蚀、较强腐蚀、强腐蚀六大等级，并给出不同腐蚀环境下的腐蚀速率，见表2－4。