焊接科普—向大海宣战

腐蚀：大自然中最伟大的毁灭者，也是影响人类海上活动的祸根。

2016年，NACE国际发布了全球腐蚀报告“腐蚀防护措施，腐蚀技术的应用和经济性（IMPACT）”。经过两年多的研究，这项研究得出了一些惊人的结论：包括腐蚀的代价，以及在防止腐蚀方面的改进空间。

根据IMPACT评估，全球每年因腐蚀所带来的损失为2.5万亿美元：相当于全球GDP的近3.5%，只比英国全年国内生产总值少几千亿美元。

研究称，通过实施有效的防腐措施，这一成本可减少三分之一，即在在3750亿至8750亿美元之间，难怪全世界的公司都在大力投资开发更有效的防腐技术。


海上风电
什么是腐蚀？
腐蚀是一种复杂的现象，有多种腐蚀方式，但本质上，它是金属与环境发生化学反应而发生分解的结果。当金属在原子层面上分解时，它通过电解质（如海水）作用下失去电子，从而失去了金属的特性。

有些金属不容易腐蚀，而有些金属容易腐蚀。但在适当的条件下，即使是最耐化学腐蚀的金属也会腐蚀。甚至贵金属，如金，银和铂，也可能失去金属光泽，因腐蚀造成一个暗淡金属表面。

空气中腐蚀是一个问题，但在海水环境中这个问题尤其突出。腐蚀的过程是因氧气的存在引起的，并且由于大量氯离子的存在而大大加剧，这也就是在海水更容易腐蚀。

我们的第一个方法：阴极保护
在海上，减缓腐蚀速度的主要方法是阴极保护。通常，这涉及到原电池原理或“牺牲”阳极：一块金属连接到需要保护的结构上，这块金属是由更具电化学活性的材料制成。

被保护下结构和金属片连接在一起，形成一个电化学电池。被保护结构是阴极，金属片是阳极。

因为在腐蚀过程中，失去电子是阳极，所以阴极的被保护结构就不会变化。阳极在其所在位置腐蚀，在此过程中分解，牺牲自身以保护阴极（被保护结构）。

这些阳极由铝、锌或镁制成，通常采用板或块。根据定义，它们需要定期更换，由于这样做的成本不高，因此是经济的防腐方法，现在仍然在大量使用。

与在产品结构上涂防腐漆也是一种方法（通常会和阴极保护系统联合使用），这减少了其暴露在海水中的可能性，并有效地减小了电化学电池阴极的尺寸。较小的阴极意味着阳极的牺牲会更慢，使用过程中的成本会降低。

另一种方法：将涂层和阳极结合起来
由于防腐涂层提供了延缓腐蚀和保护阴极作用，提高这两种方法成本效益的一个潜在方法是将它们组合成一个整体。

这就是热喷涂铝（TSA）。在这个过程中，熔融的铝微小液滴以非常高的速度在基层上燃烧，例如钢制风力涡轮机基础桩，在那里基层结合，彼此缠绕。形成一个高度完整的屏障，当任何基层钢板暴露在海水中时，它可以作为一个“分布式”阳极。

铝是一种完美的保护屏障材料，因为它具有非凡的自我修复能力。一旦腐蚀，其表面就会形成一层新的致密氧化层，保护基层金属免受进一步腐蚀。

TSA系统在海上的保护有效期可达50年，维护成本最低。这是很大的节省：一个公司决定用TSA代替传统的油漆和牺牲阳极防腐系统，对两个海上涡轮机基础桩进行防腐处理，预计将节省大约30%的费用。

抵御海浪的冲击
腐蚀并不是海洋结构必须抵抗的唯一破坏力：它们还必须经受住海洋运动的无情攻击。典型的波浪频率大约为每5秒一次，在20年的时间里，海上结构物必须承受超过1.26亿次的冲击。即使所涉及的载荷相对较低，也会产生严重的疲劳损伤。暴露在这种环境中的结构会经历疲劳-材料在反复荷载作用下劣化。海洋结构的设计和建造必须能抵抗高的疲劳载荷，ISO19902和DNVGLRP-C203等设计规范详细规定了这些要求。

这些规范考虑了海水腐蚀的影响：与大气环境中的结构相比，暴露在海水中的结构受到的环境折减系数为3。这意味着，在自由腐蚀条件下，结构在海水中的疲劳设计寿命仅为其在空气中持续时间的三分之一。

下一步：证明TSA涂层零件的疲劳性能

为了安全起见，设计标准倾向于保守，这是可以理解的。然而，随着更有效的防腐技术的出现，有理由会放松一些设计要求。

关于疲劳性能已经有很多数据信息。同样，TSA对腐蚀的影响也得到了广泛的研究。然而，TSA可以提高焊接接头的抗腐蚀性能力，但不能提高的焊接接头的抗疲劳性能。

这些数据可以支持对设计规范的修订，并支持TSA作为传统防腐系统的替代品获得国际认可，从而降低材料使用量、降低维护要求和降低成本。