沿海電廠鋼結構防腐蝕技術現狀及發展趨勢

(1. 華能國際電力股份公司 海門電廠，汕頭 515132； 2. 上海海事大學 商船學院，上海 201306；3. 汕頭大學 工學院，汕頭 515063)

對于長期服役于沿海大氣環境中的電廠鋼結構，耐腐蝕性能是其最重要的性能之一。腐蝕會直接造成鋼結構強度的降低，使鋼結構存在發生變形、斷裂、垮塌等問題的隱患，影響電廠鋼結構設施的生產效率和使用壽命。沿海強腐蝕環境中的防腐蝕技術一直是防腐蝕領域的一個技術難關[1]。沿海地區大氣中水分含量較內陸要高得多，尤其是我國東南沿海地區。該地區屬于高溫、高濕的濕熱大氣環境，海水蒸發量大，使得大氣中的鹽分和離子數相對較高，腐蝕環境也更為惡劣[2]。另外，在這些地區，低附加值、高污染的重工業普遍發達，導致該地區大氣污染嚴重，大氣中SO2、CO2等酸堿性氧化物含量也較高，這些因素都會加重沿海地區鋼結構的腐蝕[3-4]。

傳統的富鋅涂層和熱鍍鋅技術已經很難滿足該地區防腐蝕工作的苛刻要求。因此，隨著科技的發展，研究開發具有維護周期長、成本低、綠色環保的新型防腐蝕技術逐漸成為熱點，這也是保證能源穩定供應，推動經濟持續發展的關鍵環節[5]。通過分析沿海電廠鋼結構腐蝕及防腐蝕技術現狀可以發現該領域存在的不足和未來的發展趨勢。

1 沿海電廠鋼結構的腐蝕現狀

由于鋼結構具有強度高、載荷大、力學性能好、加工簡單以及成本低等特點，因此被廣泛使用于發電廠的廠房、管道、鍋爐及其輔助設施[6-7]。目前，結構鋼大多采用低碳鋼或低合金鋼，如Q235、Q345這一類鋼材的耐腐蝕性能、耐候性以及耐化學性能較差[8]。相較內陸地區，沿海地區的大氣環境更為復雜和惡劣，暴露在大氣中的廠房、設備等構筑物的鋼結構腐蝕嚴重。表1為不同沿海地區鋼結構的腐蝕速率。

表1 不同沿海地區鋼結構的腐蝕速率對比[9]Tab. 1 Comparison of corrosion rates of steel structures in different coastal areas[9]

我國沿海地區多為亞熱帶季風氣候，大氣環境相對惡劣。沿海大氣中所含水汽較多，且該地區氣溫大多較高，使得大氣中所能容納的水蒸氣更多[10]。在沿海地區,大量隨海水蒸發的氯離子與大氣中的水汽形成鹽霧，氯離子的沉降速率隨其含量的升高而增大，不同沿海區域對應的氯離子沉降速率如圖1所示[11]。由表1可見，在鹽度高的沿海地區，氯離子的沉降速率也很高，使建在沿海的電廠、橋梁、塔架等大型鋼結構設施及其結構件與水汽大面積接觸，這些因素極大加速了鋼結構鹽霧腐蝕的發生[12]。而腐蝕產生的金屬鹽會與空氣中的氧氣發生還原反應，生成穩定的金屬氧化物，顯著降低了鋼結構的強度，導致電廠鋼結構的工作性能受到影響甚至倒塌，給電廠的財產和人員安全帶來嚴重威脅[13-14]。而且，近年來由于重污染工業排放的大量廢氣持續積累，大氣中的SO2、CO2等酸性氧化物含量不斷增加積聚。這不僅加速了室外鋼結構腐蝕的發生，而且這些酸根離子的產生使傳統的鍍鋅、鍍鋅鋁合金等防腐蝕技術的作用大打折扣，甚至加速腐蝕，進一步增加了沿海電廠鋼結構防腐蝕工作的難度[15]。

圖1 典型的沿海地區氯離子沉降速率[11]Fig. 1 Chloride ion deposition rates in typical coastal areas

我國沿海省市大多經濟發達，但繁榮的背后伴隨著的是巨大的能源消耗。這些地區的火力電廠、風力電廠、核電站以及其他形式的大型電廠數量約占全國的70%以上，這使得沿海地區鋼結構的腐蝕問題進一步凸顯。由于腐蝕的嚴重危害，我國將腐蝕因素列為21大電廠危害之一，全球每年因腐蝕而發生的事故屢見不鮮，損失巨大。1991年投產的大港電廠在運營四年后的首次大修中就發現鍋爐水冷管減薄現象嚴重，不得不更換新管，而一年后又出現大面積減薄，不得不停產進行全面換新，造成嚴重經濟損失。煙臺地區龍湯一、二線，龍東線、龍沈線等沿海電廠的出線桿塔塔架及線路因常年遭受濕熱大氣侵蝕發生嚴重腐蝕，多處出現裂紋、減薄和穿孔等現象，嚴重影響了電廠的工作效率，并給電廠財產和人員安全造成巨大威脅。2004年、日本美濱核電站3號反應堆渦輪機房水管因腐蝕發生穿孔，引起高溫高壓水蒸氣大量泄漏，造成4人死亡7人受傷的重大安全事故。

2 沿海電廠鋼結構防腐蝕技術研究及應用進展

沿海電廠尤其是火電廠由于工作環境惡劣，其鋼結構發生腐蝕的概率和速率都較大，圖2為汕頭某電廠部分鋼結構腐蝕情況。電廠鋼結構主要包括廠房鋼結構、鍋爐鋼架、管道、出線桿塔以及部分發電設備等，其主要腐蝕失效形式有點蝕、局部腐蝕、均勻腐蝕、應力腐蝕、疲勞腐蝕、磨損腐蝕以及化學腐蝕(酸雨腐蝕)等，嚴重影響了鋼結構的使用性能和壽命，甚至危及生產和人員的安全[16]。所以，沿海地區電廠鋼結構的腐蝕防護尤為重要。現階段，發電廠鋼結構腐蝕防護的主要技術措施包括：涂料涂層防護技術、熱鍍鋅防護技術、熱噴涂防護技術、電化學保護、耐蝕材料等[17-18]。

(a) 照片一

(b) 照片二圖2 某沿海電廠鋼結構腐蝕現狀Fig. 2 Corrosion status of steel structures in a coastal power plant:(a) photo 1; (b) photo 2

2.1 涂料涂層防護技術

在沿海及海洋環境中的鋼結構多選用重防腐蝕涂料，主要有富鋅重防腐蝕涂料、帶銹涂料、納米涂料、含氟涂料以及聚脲彈性體涂料等。傳統電廠鋼結構防護涂料多選用富鋅涂料。近年來，傳統富鋅涂層性能已經不能滿足防腐蝕的需要，研究人員開始對傳統富鋅涂料進行改良，同時聚脲彈性體涂料也開始在沿海電廠鋼結構防護中進行試驗。

電廠鋼結構防腐蝕所用的環氧重防腐蝕粉末涂料因其鋅粉含量較高，導致涂層致密性不夠、附著力低、配套性差等問題，而且加工過程中產生的鋅蒸氣對人體有一定危害，使富鋅涂料的使用受到了限制[14，19]。近幾年，研究人員通過改性使其性能得到大幅提高，逐漸成為沿海電廠最主要的重防腐蝕涂料。薛鵬等[20]在傳統環氧富鋅涂料中引入石墨烯代替部分鋅粉，采用原位改性和預分散工藝將石墨烯分散于富鋅涂料中，使涂層的耐鹽霧腐蝕時間達到2 500 h以上，而傳統富鋅涂層的耐鹽霧腐蝕時間僅為600 h，其防腐蝕性能得到極大提升。在位于舟山的國家電網浙江電力有限公司寧波供電公司500 kV變電聯網工程中，對于380 m輸電高塔架全部采用石墨烯重防腐蝕涂層進行腐蝕防護，并對其進行了長時間全方位的監測。圖3為涂裝完成后的塔架。監測結果表明，上述涂層的防腐蝕性能可以基本滿足沿海鋼結構防腐蝕技術的設計要求，按照數據推測，石墨烯重防腐蝕涂層有望達到較高的防腐蝕效果。

(a) 整體形貌

(b) 局部形貌圖3 石墨烯重防腐蝕涂料涂裝后的舟山輸電塔架Fig. 3 Zhoushan transmission tower after painting of graphene heavy anti-corrosion coating: (a) overall morphology; (b) partial morphology

聚脲彈性體涂層是指由異氰酸酯與氨基化合物相互反應生成的一種彈性體物質。聚脲彈性體(SPUA)具有優異的施工性，固化時間短、施工環境要求低且效率高，性能較為穩定，無揮發性溶劑，屬于環境友好型材料，具有較好的應用前景。蒼南發電廠和海豐發電廠地處沿海，對防腐蝕技術要求較高。江蘇朗科環保科技有限公司聯合中國電建集團河南工程公司共同負責兩所電廠的建設，采用WXPUS-110型第三代超強防腐蝕聚脲材料對電廠相關設備、管路等鋼結構進行防腐蝕施工，取得較好的防腐蝕效果。

2.2 熱鍍鋅及其合金防護技術

熱鍍鋅是通過將鋼、不銹鋼、鑄鐵等金屬構件浸入到高溫熔化的鋅液中使其表面得到一定厚度的鋅層，以起到防腐蝕的作用[21-24]。1837年，法國人索里爾第一次將熱鍍鋅工藝應用到工業生產中并申請了專利。1983年，奧地利首次在電力系統設施的建設中使用了鍍鋅封閉技術即將發電廠的鋼結構鍍鋅后馬上采用涂料涂裝密封，這種技術使得鋼結構單次使用時間達到40 a以上，且期間不需要維護，極大地增強了鋼結構的防腐蝕效果。近幾十年來，隨著冷軋帶鋼的高速發展，熱鍍鋅工藝被廣泛應用并不斷改進，成為防腐蝕領域的一大熱點。此外，合金鍍也獲得了一定的應用，它是20世紀后半期熱鍍最關鍵的進步。目前，在鎳合金工藝基礎上又開發出熱鍍Zn-Ni-Sn-Bi合金，其適用于硅含量在0.5%(質量分數)以下的鋼材，該合金鍍層可以明顯抑制含硅鋼熱鍍時的圣德林效應[25]。20世紀90年代，日本日新制鋼公司開發了商品名為ZAM的鋅鋁鎂鍍層材料，其耐蝕性為傳統鍍鋅層18倍，被稱為第四代高耐蝕鍍層材料。

圖4為熱鍍鋅技術在我國某電廠鋼柵格板中的具體應用。我國在20世紀50年代初期才由鞍鋼從前蘇聯引進了第一條熱鍍鋅生產線；到了70年代，我國從德國引進了第一條帶鋼熱鍍鋅生產線；經過幾十年的發展，進入21世紀后，我國熱鍍鋅技術逐漸達到歐美發達國家的生產水平。由于傳統熱鍍鋅工藝耗能高、污染重，再加之產能過剩，我國相繼出臺了多部淘汰落后產能，企業轉型升級的法規，最近，又出臺了熱鍍鋅廠不可再建新廠的法規，使得熱鍍鋅產業面臨著巨大的危機，不得不向大型化、專業化趨勢發展。同時熱鍍鋅產品也有向著低能耗、多功能、輕量化、高性能以及高壽命等特點發展的趨勢。在熱鍍鋅過程中加入合金元素幾乎不提高生產成本，但是鍍層的使用壽命得到了顯著提高，是一種比較理想的熱鍍鋅替代技術。如高強度熱軋熱鍍鋅鋼ZJ500是安陽鋼鐵股份有限公司針對出口到美國的光伏電站支架用熱浸鋅鋼材專門研制的特種鋼材，該產品采用中碳+低硅+錳+鈦的合金化成分，具有較高的力學性能和防腐蝕性能[26]。

圖4 熱鍍鋅在鋼柵格板中的應用Fig. 4 Application of hot dip galvanizing to steel grid panels

2.3 熱噴涂防護技術

熱噴涂技術是一種重要的金屬表面強化防護技術，該技術所形成的涂層具有較強的組織結構。它是由無數極其微小的熔融或半熔融態金屬顆粒以一定的作用力平鋪堆疊到金屬工件表面形成的鑲嵌式涂層。常見的熱噴涂保護涂層有熱噴鋅涂層、鋁涂層及鋅-鋁合金涂層三種，具有物理隔離和陰極保護雙重防腐蝕功效。熱噴涂技術是現階段防腐蝕性能最佳的防護技術[27-28]。

熱噴涂技術由瑞士人肖普在1910年發明。1953年，美國焊接學會在工業大氣區、海洋大氣區、海浪濺射區以及海水浸泡區等環境中進行了熱噴涂鋅鋁涂層的掛片試驗，試驗報告表明，該技術可以形成可靠的保護涂層。之后，許多發達國家先后將熱噴涂鋅鋁涂層技術確認為唯一可以在復雜環境中保護鋼結構20～40 a不失效的技術。20世紀50年代，上海噴涂機械廠最早采用熱噴涂鋅涂層技術對淮南輸電線路鐵塔進行防腐蝕處理，該鐵塔在25 a間沒有發生任何腐蝕現象，且涂層防護狀態依然較好，不需維護修補[29]。廣東源天工程公司在水力發電樞紐鋼結構中采用了熱噴涂鋅涂層，并對該項目進行了大量掛片試驗，結果表明，相較傳統涂料涂層，熱噴涂鋅涂層防腐蝕效果較好，可以滿足20 a以上的防腐蝕需求。

2.4 陰極保護

陰極保護多應用于海洋及沿海環境中鋼結構的防腐蝕。當前，陰極保護中作為陽極使用最多的有鎂陽極，鋅陽極和鋁陽極三種材料。其中，鎂陽極對鋼的驅動電壓較大，因此多用于土壤介質中；鋅陽極的驅動電壓較鎂陽極的低，但電流效率高，故在土壤和水介質中皆可使用；鋁陽極則多用于船舶與海洋工程及港口建設領域[30]。我國大部分基層變電站或發電廠的接地線大多采用傳統的銅接地網布局。沿海地區土壤電阻率偏低，故采用銅接地網布局的成本較高，而且該設置會給附近鋼結構產生很強的副作用，在這種情況下，陰極保護技術的價值就凸顯出來[31]。

目前，部分廠區已經采用傳統鍍鋅鋼材配合陰極保護(犧牲陽極或外加電流)的雙重保護。沿海地區地下大量海水滲透致使該區域的土壤含鹽量較大，電阻率較低，鋼結構在這種環境中極易發生快速腐蝕，如廣東媽灣電廠、上海石化熱電廠及天津楊柳變電站等沿海電廠的鋼結構都發生了不同程度的腐蝕，極大縮短了維修周期。為應對此問題，福建莆田新建燃氣電廠采用銅材接地網的陰極保護保護方案，雖成本較高，但其維護量較少，且防護效果更加明顯。

2.5 耐蝕性材料

耐候鋼的研發起源于20世紀初歐美發達國家，其具有耐大氣腐蝕性好、強度高、韌性好、抗疲勞性能好等優點[32-33]。目前，廣泛生產應用的耐候鋼以添加Cu、P、Cr、Ni、Ti、Si、Al等元素為主。20世紀60年代，美國首先將耐候鋼替換鍍鋅鋼用于建造電廠電塔等大型鋼結構設施，并在瑪薩諸塞州和賓西法尼亞州大范圍使用，但并未達到預期效果。日本在耐候鋼領域發展最快，先后研制了River-Ten鋼、含錳JIS SMA41系列鋼、Cupten60鋼等高性能耐候鋼，制定了IS G3114焊接結構用耐候型熱軋鋼材標準，并不斷進行修訂。

我國在耐候鋼方面起步較晚，但發展較快。近年來我國已經成功研制出強度級別達到500 MPa以上的耐候鋼，并先后制定了相關的行業標準[34]。現在，國內性能較好的耐候鋼有武鋼鐵生產的09Cu-P-TiRE、SPA-H耐候鋼、寶鋼生產的Q235NH耐候鋼和珠鋼生產的多強度級別的Ti合金鋼ZG系列耐候鋼[10]。其中，Q235NH耐候鋼為電廠酸性環境專用鋼。2006年，電力研究院進行了耐候鋼在輸電線塔中的應用研究，對耐候型冷彎角鋼結構件及模型進行了力學性能及耐腐蝕性能的試驗分析，結果顯示，耐候鋼各項性能均好于普通Q235鋼[35]。該項目建設的輸電線塔于2008年順利通過驗收，促進了耐候鋼在我國電廠電站及輸電設施的進一步推廣應用[36]。此后，在廈門，舟山等沿海地區的電廠電站及輸電設施中進行了大范圍的試點應用，目前所有項目運行狀況良好。

2.6 復合材料

復合材料一般是由金屬或非金屬基體和增強材料兩種及兩種以上組分優化組合而成的新材料，其不僅保持了各組分原有的性能特點，而且通過優選組分的互補關聯還可以使復合材料擁有單一組分不具備的性能[37]。目前，比強度和比剛度較高的復合材料主要有碳纖維增強復合材料、玻璃纖維復合材料以及芳綸纖維復合材料等，可以代替鋼結構的復合材料主要是纖維增強聚合物復合材料(FRP)，采用FRP不僅可以有效防止工程結構腐蝕的發生，還可以使結構輕量化[38]。在FRP發展之初，其主要被用于高科技領域，如飛行器、高鐵、特種船舶等。隨著復合材料技術的發展，FRP也逐漸作為代替傳統鋼結構的新材料應用于船舶與海洋工程、發電設施、橋梁結構等大型工程領域，因此具有很好的發展前景和市場。

20世紀60年代，日本最早將玻璃纖維增強復合材料應用在電廠輸電桿塔中，從而消除了風偏對桿塔的影響。在此領域，歐美國家依然走在世界最前列，技術也較為成熟。1975年美國Kennecott Copper電廠在煙囪的建設中首次采用功能性玻璃鋼防腐蝕體系，該體系使用至今仍狀況良好。此后的幾十年中，該復合材料被廣泛使用在煙囪等結構的腐蝕防護中。2006年，Ebert公司在特定沿海地區試驗的全復合材料桿塔依然運行良好，十年內未出現由銹蝕、磨損等原因導致的結構問題。2009年，絕緣、抗附著、耐腐蝕的復合材料開始用于國家電網在輸電桿塔，且運行狀況良好[12]。華東理工大學聯合上海防腐蝕新材料工程技術研究中心進行了復合材料在大型風力發電葉片上的試驗研究。該研究將真空灌注型環氧樹脂體系MERICAN 3311A/B與其他兩款同類型產品用于風電葉片，并進行性能試驗，結果表明，MERICAN 3311A/B體系產品具有最佳的性能，可較好地滿足沿海發電設備對腐蝕、耐磨等性能的要求[39]。

3 結論

沿海電廠對鋼結構防腐蝕工作要求極為苛刻，傳統的防腐蝕技術如富鋅重防腐蝕涂料、熱鍍鋅等不能起到長效防腐蝕作用，滿足高防腐蝕性能標準，故適用于高鹽、強酸和強堿大氣環境，且具有環保、節約、高效等特點的新型防腐蝕技術成為防腐蝕領域的研究焦點。近年來，隨著各種高新技術的發展，防腐蝕領域的新材料和新工藝正不斷被開發應用，并取得較好的應用效果，展現出廣闊的應用前景和極高的商業價值，如石墨烯重防腐蝕涂料、熱噴涂技術、復合新材料等。與傳統防腐蝕技術相比，它們具有耐腐蝕性能強、維護成本低、綠色環保、節約資源等優點，符合材料和工藝的環境友好型和資源節約型社會的標準要求，是沿海電廠鋼結構最有效的新型防腐蝕技術，已經成為應對海洋及沿海大氣環境的防腐蝕技術的發展趨勢。