海水冷卻塔的腐蝕機(jī)理、防護(hù)及其防腐涂層壽命預(yù)測的研究現(xiàn)狀

朱彬源

（浙江浙能臺州第二發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江臺州 317109）

海水冷卻塔是海水循環(huán)冷卻技術(shù)中應(yīng)用到的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。特大型海水冷卻塔大多為自然通風(fēng)逆流式雙曲線冷卻塔，屬于大型鋼筋混凝土構(gòu)筑物，主要由塔體、蓄水池和塔內(nèi)淋水構(gòu)件組成。與常規(guī)海洋環(huán)境建筑物相比，海水冷卻塔的腐蝕環(huán)境更為惡劣，塔筒外部受到海洋大氣的鹽霧侵蝕，塔筒內(nèi)部處于高溫、高濕的濃縮海水及鹽霧水汽環(huán)境，塔筒頂部還受到紫外線輻照的影響，所以海水冷卻塔混凝土的腐蝕速度遠(yuǎn)高于一般海洋環(huán)境建筑物，所以耐久性是海水冷卻塔面臨的很嚴(yán)峻的問題。

因為海水冷卻塔所處的腐蝕環(huán)境十分復(fù)雜，同樣也非常惡劣，所以僅僅從提升鋼筋混凝土的性能出發(fā)，無法保證海水冷卻塔的耐久性和足夠的使用壽命。目前，對海水冷卻塔采用的最有效的防護(hù)途徑是在其表面涂裝有機(jī)防護(hù)涂層。

本文主要介紹了海水冷卻塔用鋼筋混凝土在服役過程中的腐蝕機(jī)理及其防護(hù)涂層的研究現(xiàn)狀，以期對以后海水冷卻塔的防護(hù)工作提供一定的參考。

1 海水冷卻塔的腐蝕機(jī)理

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在服役過程中受到外在腐蝕性物質(zhì)的影響，表現(xiàn)出腐蝕劣化的現(xiàn)象。鋼筋混凝土的腐蝕主要包括鋼筋的腐蝕和混凝土的劣化。

因為覆蓋鋼筋的混凝土中有大量的微孔結(jié)構(gòu)，使得外界腐蝕性離子如Cl-、SO42-、CO32-等容易擴(kuò)散至鋼筋的表面，導(dǎo)致鋼筋發(fā)生腐蝕。鋼筋的腐蝕過程是首先產(chǎn)生點(diǎn)蝕，隨后便出現(xiàn)大面積的腐蝕。鐵轉(zhuǎn)化成鐵銹，使得其體積增大，導(dǎo)致混凝土因鋼筋膨脹而開裂、起鼓、剝落。腐蝕作用降低了鋼筋的力學(xué)性能，容易導(dǎo)致鋼筋突然斷裂或造成事故。

由于含鹽的海水會滲入混凝土微孔當(dāng)中，與混凝土中的相關(guān)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，會產(chǎn)生結(jié)晶，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，直至開裂。

除了三種腐蝕性離子對鋼筋混凝土的侵蝕之外，還存在著微生物腐蝕和凍融循環(huán)作用等因素對鋼筋混凝土的破壞作用。

總體上來說，海水冷卻塔混凝土的腐蝕破壞是多因素復(fù)合作用的結(jié)果，其中Cl-、SO42-、CO32-是主要原因。當(dāng)幾種因素共同作用下，混凝土的腐蝕程度大于單一因素的腐蝕作用。

2 海水冷卻塔的防護(hù)

為了提高海水冷卻塔的服役壽命，需要解決混凝土的耐久性問題，一般的解決途徑有兩種：①優(yōu)化混凝土的配方，提高混凝土的耐海水腐蝕能力；②在混凝土表面涂覆防腐涂層，提高混凝土的阻隔性能。在實際應(yīng)用中，一般在采用高性能混凝土的基礎(chǔ)上，在其表面涂裝防護(hù)涂層來阻止腐蝕介質(zhì)的侵蝕，預(yù)防和延緩混凝土的腐蝕破壞，提高混凝土的服役壽命。

3 海水冷卻塔防腐涂層的失效機(jī)制

雖然可以通過在冷卻塔表面涂覆有機(jī)涂層可以明顯提升冷卻塔的防護(hù)能力。但是，涂層結(jié)構(gòu)中存在的微孔、縫隙和裂紋等微觀缺陷為外界腐蝕介質(zhì)滲入提供了微觀通道。腐蝕介質(zhì)通過涂層的缺陷進(jìn)入海水冷卻塔中之后，會不斷對其造成侵蝕，最終導(dǎo)致涂層防護(hù)作用的失效。

分析認(rèn)為，海水冷卻塔防腐涂層的失效過程為：在開始階段，涂層的防護(hù)性較好，雖然涂層中的微觀缺陷為水、氧和其他腐蝕性離子的滲入提供了擴(kuò)散通道，腐蝕介質(zhì)通過吸附、擴(kuò)散和溶滲作用進(jìn)入涂層，但尚未到達(dá)混凝土內(nèi)部；經(jīng)過一段時間的傳輸后，腐蝕介質(zhì)到達(dá)混凝土內(nèi)部，電化學(xué)腐蝕反應(yīng)隨即開始發(fā)生。一方面，腐蝕介質(zhì)促使鋼筋發(fā)生腐蝕；另一方面，酸性的腐蝕介質(zhì)與堿性的混凝土發(fā)生反應(yīng)，使得混凝土的理化性質(zhì)發(fā)生變化，最終導(dǎo)致混凝土材料發(fā)生溶脹變形，涂層隨即發(fā)生變形、脫落。

此外，涂層在服役過程中，太陽光輻射、海水的沖刷作用等都能進(jìn)一步加劇涂層的失效。

為浙江某沿海電廠的海水冷卻塔服役一定時間后，有機(jī)涂層在腐蝕介質(zhì)腐蝕、海水沖刷、陽光照射等的共同作用下，涂層出現(xiàn)了不同的程度的破壞，肉眼可見泛黃、失光、剝落、開裂。

圖1 浙江某沿海電廠海水冷卻塔表面上有機(jī)防護(hù)涂層服役一定時間后的照片

4 海水冷卻塔防腐涂層的壽命預(yù)測

作為一種基本的防護(hù)材料，海水冷卻塔防腐涂層的使用壽命對被防護(hù)的混凝土結(jié)構(gòu)的使用影響重大，直接影響了被保護(hù)構(gòu)件的性能及壽命。在生產(chǎn)實踐中，經(jīng)常需要對在役的防腐涂層進(jìn)行檢測和維修，對其性能進(jìn)行量化評估，為判斷涂層能否繼續(xù)使用提供依據(jù)。

國內(nèi)很多學(xué)者對混凝土防腐涂層的使用壽命的預(yù)測進(jìn)行了研究。常用的研究方法是結(jié)合現(xiàn)場暴露試驗和實驗室人工加速模擬實驗，通過兩者之間的相關(guān)性，對防腐涂層的服役壽命進(jìn)行預(yù)測。

人工加速模擬實驗可以根據(jù)需要加快腐蝕進(jìn)程從而縮短實驗周期，具有易實現(xiàn)、可重復(fù)性強(qiáng)、周期短等特點(diǎn)，因此成為最普遍采用的腐蝕實驗方法。海洋混凝土腐蝕實驗關(guān)注的環(huán)境參數(shù)包括溫度、濕度、風(fēng)力風(fēng)向、侵蝕離子種類及含量和pH等，室內(nèi)實驗可以根據(jù)研究目標(biāo)所需要的環(huán)境參數(shù)，有目的剔除其他的干擾變量，并且在室內(nèi)可采用的測試手段也更加多樣。宋立元在制作的試樣中預(yù)先加入一定量的氯化鈉，并通入電流來加速鋼筋的銹蝕，通過實驗的損傷形態(tài)研究涂層的防護(hù)性能。劉志勇分別模擬大氣區(qū)鹽霧與碳化共同作用和潮差區(qū)凍融與干濕循環(huán)共同作用下混凝土的耐久性實驗，依據(jù)國外的相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)并結(jié)合實驗儀器確定實驗參數(shù)變化范圍，制定實驗程序，建立了適用于海洋混凝土的壽命預(yù)測模型。

雖然實驗室模擬實驗已經(jīng)比較成熟和完善，但是即使最先進(jìn)的模擬設(shè)備也難以重現(xiàn)實際的自然環(huán)境。因此，建立海洋環(huán)境暴露試驗站是獲得與實際自然環(huán)境相一致的評價指標(biāo)最可靠方法，其測試結(jié)果可用于修正模擬實驗中的偏差，目前世界上已經(jīng)建立一些了針對不同氣候環(huán)境的暴露試驗站。世界上率先創(chuàng)建的海洋暴露試驗站的國家是美國，位于芬迪灣 Treat Island 海洋暴露試驗站。隨后，荷蘭、德國、法國和中國等國家也都陸續(xù)在沿海地區(qū)建造了海洋暴露試驗站。根據(jù)海港地區(qū)的氣候特點(diǎn)，我國分別在青島、廈門、榆林和舟山等地建立海水腐蝕試驗站，形成全國海水腐蝕試驗站網(wǎng)。

Cheewaket 等將粉煤灰混凝土置于海洋現(xiàn)場暴露10年，研究了混凝土的抗壓強(qiáng)度、水灰比和粉煤灰摻量等因素對耐侵蝕能力的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，降低水灰比和提高粉煤灰摻量都能明顯降低氯離子擴(kuò)散系數(shù)。在實際應(yīng)用中，要綜合考慮使用合適的配比。 Wu等對北部灣三個地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)氯離子濃度進(jìn)行了現(xiàn)場測試，研究了氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨時間變化的老化因數(shù)，結(jié)果表明，飛濺區(qū)對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響比潮汐區(qū)和大氣區(qū)更為嚴(yán)重。

室內(nèi)模擬實驗擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是僅根據(jù)短時間室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)在真實海洋環(huán)境下的耐久性略微缺乏說服力；室外實驗暴露試驗的數(shù)據(jù)可靠性較高，但是時間周期較長。因此，考察模擬環(huán)境與真實環(huán)境中海洋混凝土腐蝕規(guī)律的相關(guān)性，并依據(jù)相關(guān)性對涂層的壽命進(jìn)行預(yù)測，成為相關(guān)學(xué)者的研究重點(diǎn)。金立兵提出了“多重環(huán)境時間相似理論”，該理論選取第三方為參照物，參照物和研究對象有相同或相似的環(huán)境條件，并且具有一定的服役年限，依次建立了室內(nèi)模擬與海洋環(huán)境之間的相似關(guān)系，并利用該理論結(jié)合室內(nèi)模擬對杭州灣跨海大橋的耐久性進(jìn)行了預(yù)測，預(yù)測結(jié)果與實際趨勢基本一致。王晶晶等研究了環(huán)氧涂層在室內(nèi)紫外人工老化和室外海洋環(huán)境中自然老化之間的關(guān)聯(lián)性，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)人工老化的效果強(qiáng)于自然海洋環(huán)境中涂層的老化效果，還通過光澤度測試得出涂層的老化加速因子約為5。張順淇等通過研究防腐涂層的色差變化，研究了實驗室加速老化和自然環(huán)境暴露兩種方法之間的相關(guān)性，通過相關(guān)系數(shù)確定與自然暴露最為接近的實驗室加速老化工藝，從而對涂層的服役壽命進(jìn)行預(yù)測。

目前對于海水冷卻塔防腐涂層的壽命預(yù)測的研究較多。但是其研究方法總體上來說還是以實驗室模擬實驗結(jié)合室外暴露實驗的方式進(jìn)行，通過實驗考察兩者之間的相關(guān)性，最終實現(xiàn)對涂層壽命的服役壽命進(jìn)行預(yù)測。但是，對于每種涂層壽命預(yù)測的方法還只是側(cè)重在一兩個因素，而涂層在服役過程中往往會受到多種因素的相互作用，且其服役環(huán)境也會隨著天氣等因素的變化瞬息萬變。因此，目前該領(lǐng)域的研究還存在著很大的局限性，還有很多可以繼續(xù)深入研究的地方。

海水冷卻塔的平穩(wěn)運(yùn)行直接影響著電廠的生產(chǎn)效率，因此保證海水冷卻塔的安全意義重大。因為影響海水冷卻塔的腐蝕過程的因素較多，所以目前還沒有一套行之有效的預(yù)測其防腐涂層服役壽命的科學(xué)方法。借鑒前期研究人員的相關(guān)研究成果，結(jié)合海水冷卻塔的實際服役環(huán)境，通過實驗室加速實驗和現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方式，才能探索出一套適合預(yù)測海水冷卻塔的服役壽命的科學(xué)有效的方法。

5 結(jié)語

海水冷卻塔是電廠發(fā)電過程中應(yīng)用到的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，海水冷卻塔在服役過程中會受到腐蝕性介質(zhì)、微生物、紫外線輻照等因素的破壞作用，因此其服役過程中的耐久性是一個極其重要的問題。為了提升海水冷卻塔的服役壽命，往往需要在其表面涂覆有機(jī)防腐涂層。有機(jī)防腐涂層在服役過程中長期受到侵蝕破壞而逐漸導(dǎo)致防護(hù)失效，因此需要定期對涂層進(jìn)行維護(hù)和更換。為了掌握涂層的維護(hù)、更換時間，需要通過涂層的壽命預(yù)測技術(shù)來提供正確有效的指導(dǎo)。國內(nèi)外研究人員對海水冷卻塔防腐涂層的壽命預(yù)測進(jìn)行了大量的研究，但是受限于目前的檢測技術(shù)以及實際環(huán)境的復(fù)雜性，該研究還存在著很大的局限性，需要進(jìn)一步深入系統(tǒng)的研究。