鋼結構設計原理結課報告

1、一、前言海洋占地球面積71%，陸地僅占29%隨著海洋開發(fā)問題的逐一破解，人類建立海上城市，到海洋居住的夢想已經(jīng)不再遙遠。十八大”我國提出了建設海洋強國的戰(zhàn)略目標，今年“兩會”國家又重新組建了國家海洋局，新成立國家海洋委員會在海洋開發(fā)上，鋼結構有著不可替代的優(yōu)勢，但是，鋼結構作為金屬結構在海洋上也存在著非常不利的一面，那就是腐蝕。據(jù)統(tǒng)計，我國每年因腐蝕問題造成經(jīng)濟損失已經(jīng)達到3000億元。已經(jīng)建成的跨海大橋二、什么是海洋腐蝕？ 海洋腐蝕是金屬構件在海洋環(huán)境中發(fā)生的腐蝕。 海洋環(huán)境是一種復雜的腐蝕環(huán)境。海水本身是一種很強的腐蝕介質，同時波、浪、潮、流又對金屬構件產(chǎn)生低頻往復應力和沖擊，加上海洋微生

2、物、附著生物及它們的代謝產(chǎn)物等都會對腐蝕過程產(chǎn)生直接或間接的加速作用。 海洋結構物腐蝕圖三、海洋腐蝕的機理、典型海洋環(huán)境及腐蝕類型 海洋鋼結構電化學腐蝕過程與電解質電池反應相同，構成這種反應的三個要素是陽極、陰極及導電解質。鋼鐵是鐵元素和滲碳體的混合物，鐵元素的電位較低，滲碳體的電位較高，電位不等的兩種元素在電解質溶液的作用下，構成了以鐵元素為陽極，滲碳體為陰極的原電池。（1）電化學腐蝕機理）電化學腐蝕機理（2 2）熱力學機理）熱力學機理 任何一種元素，在自然界都有一種最穩(wěn)定狀態(tài)，即能量最低狀態(tài)。鋼是由鐵制成的。而鐵是在高爐中用焦炭中的碳對赤鐵礦(Fe2O3) 還原而得到的。鐵銹是鐵氧化物的水

3、合物，其成分類似于赤鐵礦，從而可以解釋在大多數(shù)情況下鋼為何容易生銹，可以認為這個生銹的過程就是形成鋼鐵原始礦石的自然反應。由于自然界的礦石更為穩(wěn)定，因此鋼有轉變?yōu)槠淠芰孔畹头€(wěn)定原始狀態(tài)的趨勢。這便是鋼鐵腐蝕的熱力學機理。典型海洋環(huán)境海洋大氣區(qū)海洋大氣區(qū)：在海洋結構物中，常年不接觸海水的部分。海洋飛濺區(qū)海洋飛濺區(qū)：在海洋環(huán)境中，海水的飛濺能夠噴灑到結構物表面，但在海水漲潮時又不能被海水所浸沒的部分。海洋潮差區(qū)海洋潮差區(qū)：海水漲潮時被海水浸沒的部分。海洋全浸區(qū)海洋全浸區(qū)：常年被海水所浸泡的區(qū)帶。海底泥土區(qū)海底泥土區(qū)：海水全浸區(qū)以下部分。2.局部腐蝕點蝕縫隙腐蝕沖擊（湍流）腐蝕空泡腐蝕電偶腐蝕腐蝕疲

4、勞1.全面腐蝕全面腐蝕是指金屬與介質相接觸的部位，均勻地遭到腐蝕損壞。這種腐蝕隨著時間的延長，變化不大。 點蝕點蝕是金屬表面局部區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)向深處發(fā)展的腐蝕小孔?？p隙腐蝕縫隙腐蝕是指部件在介質中，由于金屬與金屬或非金屬之間形成特別小的縫隙，是縫隙內(nèi)介質處于滯留狀態(tài)引起縫內(nèi)金屬的加速腐蝕。沖擊腐蝕沖擊腐蝕是指在設備和部件的某些特定部位，介質流速急劇增大形成湍流而導致的腐蝕。空泡腐蝕空泡腐蝕是指由于氣泡在金屬表面迅速生產(chǎn)和破滅而發(fā)生的腐蝕。電偶腐蝕電偶腐蝕是兩種不同金屬連接并暴露在海洋環(huán)境中時，會構成原電池而發(fā)生的腐蝕。疲勞腐蝕疲勞腐蝕是金屬結構受到環(huán)境腐蝕和循環(huán)載荷的同時作用所引起的損傷，往往比它

5、們單獨作用引起的損傷相加要嚴重的多。防止腐蝕的措施防止腐蝕的措施能防止腐蝕的原理能防止腐蝕的原理犧牲陽極的陰極保犧牲陽極的陰極保護法護法外加電流的陰極保外加電流的陰極保護法護法與活動性更強的金屬形與活動性更強的金屬形成原電池作正極成原電池作正極利用電解池原理，被利用電解池原理，被保護金屬作陰極保護金屬作陰極隔絕空氣和水隔絕空氣和水或形成原電池作正極或形成原電池作正極防腐蝕技術種類覆蓋層防護技術電化學保護法在金屬制品表面覆蓋保護在金屬制品表面覆蓋保護層或鍍層或鍍不活潑不活潑金屬金屬1.電化學保護 對于鋼結構飛濺區(qū)部位防護都有一定的局限性，因在飛濺區(qū)部位海水浸泡率較低，陰極保護很難均勻起作用，因此

6、，有進一步研究的必要。此外，即使采用了陰極保護，具體使用效果的檢測至今也還是個難題，難以確定應用效果的好壞。 2.覆蓋層防護 從現(xiàn)在的腐蝕防護現(xiàn)狀看，覆蓋層防護保護海洋鋼鐵構筑物的方法仍是主要的防腐措施。 主要包括： a.金屬熱噴涂保護 d.包覆橡膠護套c.包覆混凝土/玻璃鋼等e.重防腐涂層防護 b.包覆金屬或合金護套 f.多層防護系統(tǒng)五、不同區(qū)域最新防腐蝕技術應用 海底泥土區(qū)海底泥土區(qū)海水全浸區(qū)海水全浸區(qū)海水潮差區(qū)海水潮差區(qū)浪花飛濺區(qū)浪花飛濺區(qū)海底海底 腐腐蝕蝕速度速度平均低潮平均低潮線線平均高潮平均高潮線線鋅加保護鋅加保護 新型包覆防護新型包覆防護重防重防腐涂腐涂層層海洋大氣區(qū)海洋大氣區(qū)防

7、腐油漆涂料五、不同區(qū)域最新防腐蝕技術應用 海底泥土區(qū)海底泥土區(qū)海水全浸區(qū)海水全浸區(qū)海水潮差區(qū)海水潮差區(qū)浪花飛濺區(qū)浪花飛濺區(qū)海底海底 腐腐蝕蝕速度速度平均低潮平均低潮線線平均高潮平均高潮線線鋅加保護鋅加保護 新型包覆防護新型包覆防護重防重防腐涂腐涂層層海洋大氣區(qū)海洋大氣區(qū)防蝕帶防蝕帶襯里襯里防蝕保護罩防蝕保護罩防蝕膏防蝕膏鋼鐵基體鋼鐵基體 表面處理表面處理 涂防蝕膏涂防蝕膏 纏繞防蝕帶纏繞防蝕帶 固定防護罩固定防護罩 包覆防蝕技術應用實例包覆防蝕技術應用實例五、不同區(qū)域最新防腐蝕技術應用 海底泥土區(qū)海底泥土區(qū)海水全浸區(qū)海水全浸區(qū)海水潮差區(qū)海水潮差區(qū)浪花飛濺區(qū)浪花飛濺區(qū)海底海底 腐腐蝕蝕速度速度平

8、均低潮平均低潮線線平均高潮平均高潮線線鋅加保護鋅加保護 新型包覆防護新型包覆防護重防重防腐涂腐涂層層海洋大氣區(qū)海洋大氣區(qū) 鋅加保護是一種優(yōu)質便捷的鋼結構防腐保護方法 ,鋅加保護對基體材料擁有陰極保護和屏蔽保護雙重作用。另外，鋅加保護還具備獨特的重融性 ,新的鋅加涂層與原有的鋅加鍍層可完全融合 ,便于維修補涂。鋅加保護與傳統(tǒng)有機涂料相比 ,具有很強的陰極保護作用并且可以作為良好的底層 ,其耐腐蝕能力高于常規(guī)的富鋅底漆 56倍 ,防腐保護年限可達到 2530年。 在海洋全浸區(qū)的腐蝕程度比大氣區(qū)嚴重 ,但比飛濺區(qū)要輕。全浸區(qū)一般采用陰極保護或涂料與陰極保護的聯(lián)合保護 ,而很少單獨采用涂料保護 ,原因

9、是目前防銹、污涂料使用期限很難達到海洋鋼結構設計要求期限。而鋅加保護技術在涂層保護和陰極長效保護的雙重作用下 ,具有較長的防腐保護年限從而可以彌補一般涂料使用年限的不足。作用。海水中有大量微生物，鋼鐵生銹的前期主要是非生物的腐蝕，后期微生物的作用就顯現(xiàn)出來。有些微生物容易在鋼鐵表面附著，形成生物膜。通常認為，硫酸鹽還原細菌（SRB）能夠代謝海水中的硫酸鹽形成硫化氫，硫化氫對鋼鐵腐蝕產(chǎn)生嚴重影響，導致鋼鐵的局部腐蝕破壞，嚴重的甚至導致腐蝕 穿孔。不過，研究人員發(fā)現(xiàn)，還有一些微生物能在鋼鐵表面形成電活性生物膜，它能將電子傳遞給鋼鐵表面，這等同于鋼鐵被陰極保護起來。所以，也許將來有可能利用微生物膜來保護金屬。微生物技術 目前，中國科學院金屬研究所 材料環(huán)境腐蝕研究中心 納米復合涂料課題組針對海洋工程設施防腐蝕難題研制出了納米氧化鋅濃縮漿，并以此為基礎進一步研制出了納米復合聚氨酯面漆、納米復合環(huán)氧玻璃鱗片中間漆、納米復合環(huán)氧富鋅底漆等新型防腐涂料。 當然由于成本問題，這些新型納米涂料只是在某些海洋設施防腐工程的示范項目中有所應用，并未能得到廣泛推廣使用。但是，我們相信隨著納米材料技術領域研究的不斷深入，一定會有更好更經(jīng)濟更實用的防腐材料