走向海洋是人類實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要方向，開發(fā)、利用和保護海洋離不開各種海洋工程裝備和設施。由于海洋環(huán)境具有很強的腐蝕性，并且受到復雜的環(huán)境化學-力學的復合作用，海洋工程常常會因為腐蝕、疲勞和磨損而導致材料失效。了解海洋工程的材料失效行為與機理，采取合理有效的防護措施，對避免失效事故的發(fā)生，降低壽命周期費用，延長海洋工程結(jié)構(gòu)的壽命具有重要的意義。

二十一世紀是海洋的世紀

海洋有著非常豐富的資源，是人類的寶貴財富。二十一世紀是海洋的世紀，目前世界上已有100 多個國家將開發(fā)海洋定為基本國策，海洋在人類實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展過程中的重要作用已日益突顯。

我國是海洋大國，我國海洋資源可開發(fā)利用的潛力很大，前景廣闊。海洋正成為支撐我國社會經(jīng)濟發(fā)展和維護國家安全的重要領域。正因為海洋對國家發(fā)展的重要戰(zhàn)略意義，在黨的十八大報告中明確提出了要“提高海洋資源開發(fā)能力，發(fā)展海洋經(jīng)濟，保護海洋生態(tài)環(huán)境，堅決維護國家海洋權(quán)益，建設海洋強國”的目標。要實現(xiàn)建設海洋強國的“中國夢”,離不開海洋工程的發(fā)展，各種海洋裝備和工程設施為進行海洋活動提供了必不可少的手段和前提條件(圖1)。另一方面，隨著海洋探索、開發(fā)、利用和保護的深入，對海洋工程也提出了新的需求，反過來又促進了海洋工程和技術的不斷發(fā)展和進步。

海洋工程裝備和結(jié)構(gòu)物長期在海洋環(huán)境中使用和服役，一方面，海洋環(huán)境和條件不可避免地會影響海洋工程的使用壽命和服役安全，另一方面，海洋工程也會對其周圍的海洋環(huán)境產(chǎn)生影響。因此，在海洋工程結(jié)構(gòu)的設計、建造和使用中必須考慮海洋環(huán)境的作用，同時也要避免海洋工程對海洋環(huán)境和生態(tài)造成不利影響。

海洋腐蝕和海生物污損附著是海洋工程必須面對的重要問題。由于海洋環(huán)境具有極強的腐蝕性，所以了解海洋腐蝕環(huán)境特點、材料在海洋環(huán)境中的腐蝕行為和規(guī)律以及腐蝕控制的方法和措施是非常有必要的。浸泡在海水中的結(jié)構(gòu)物表面會生長海洋生物，這些附著的生物造成污損，不僅增加結(jié)構(gòu)物的載荷，而且會影響海洋工程裝備和設施的使用性能和可靠性。

海洋工程往往結(jié)構(gòu)復雜，并且長期在苛刻的環(huán)境中服役，不僅受到惡劣的海洋環(huán)境的腐蝕作用，而且在工作載荷以及風、海浪、海流、海冰和潮汐等海洋環(huán)境載荷的作用下，易于產(chǎn)生應力腐蝕和腐蝕疲勞損傷。對于一些受到水流沖刷或沖擊的構(gòu)件或船舶及平臺的動力系統(tǒng)的運動部件， 還不可避免地存在磨損問題。腐蝕、疲勞和磨損將影響材料和結(jié)構(gòu)的服役安全和耐久性，是造成海洋工程損傷、失效和破壞的重要原因。而且在很多情況下，是因為同時受到多個因素的復雜交互作用，導致了材料與結(jié)構(gòu)的失效。

海洋工程材料與構(gòu)件的失效與破壞除了縮短海洋工程的服役壽命、影響正常的生產(chǎn)與運行、增大維護維修成本、造成巨大的經(jīng)濟損失以外，還會引發(fā)災難性事故， 造成嚴重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞，危及人員生命與財產(chǎn)的安全。例如，2010 年4 月， 美國墨西哥灣的深水地平線鉆井平臺發(fā)生井噴，引起鉆井平臺爆炸起火并傾覆沉沒， 事故導致11 人喪生，17 人受傷。同時， 累計泄漏的原油達490 萬桶，使墨西哥灣沿岸生態(tài)環(huán)境遭到非常嚴重的破壞。這次事件被認為是美國歷史上最為嚴重的事故， 被定為國家級災難。因此，如何防止海洋工程材料與結(jié)構(gòu)的環(huán)境損傷和失效，延長海洋工程的使用壽命，保障海洋工程結(jié)構(gòu)的完整性、可靠性和安全性，是需要人們給予高度重視、并不懈努力去解決的關鍵工程技術問題。

材料的防護和延壽，是指在全壽命周期內(nèi)，通過采取各種預防和維護措施，系統(tǒng)控制材料和結(jié)構(gòu)的腐蝕、疲勞、磨損等造成的累積損傷和破壞，從而保證材料和結(jié)構(gòu)的服役安全和耐久性，使之達到甚至超過設計的使用壽命。海洋工程的材料防護和延壽不僅具有顯著的經(jīng)濟效益，同時還具有巨大的社會效益。

海洋工程環(huán)境及其影響

涉及海洋工程的環(huán)境因素有很多，包括氣溫、氣壓、風、降水等海洋氣象因素; 海浪、潮汐、海流、風暴潮、海嘯、海冰以及海水的溫度、鹽度、密度等海洋水文環(huán)境要素;海岸及海底的地形、地貌、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、土壤特性等地理地質(zhì)條件以及腐蝕環(huán)境和生物因素等。

風、海浪、海流、海冰等是海洋工程結(jié)構(gòu)物必須考慮的主要環(huán)境載荷，它們隨時間和空間發(fā)生變化，是一個隨機過程。潮汐是影響海洋工程受力和水位高程的重要因素。在海洋工程設計中，必須要考慮這些海洋環(huán)境因素的變化規(guī)律和多年一遇的極值，海洋工程的設計環(huán)境條件不僅關系到結(jié)構(gòu)物的安全度和可靠性，而且也會影響其技術經(jīng)濟性。因此合理選取海洋工程環(huán)境條件是非常關鍵的。海洋工程上受到的環(huán)境載荷會影響其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，引起某些細長結(jié)構(gòu)件的渦激振動，導致疲勞和斷裂。

海洋環(huán)境的強腐蝕性是海洋工程面臨的關鍵問題之一。傳統(tǒng)上，根據(jù)腐蝕特點的差異，海洋環(huán)境從上至下可以分為五個不同的區(qū)帶，即海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、潮差區(qū)、海水全浸區(qū)以及海底泥土區(qū)。每個海洋區(qū)帶的物理、化學以及生物因素有著較大的差別，因而對材料的腐蝕影響也明顯不同。

根據(jù)環(huán)境的范圍和尺度的差異，海洋工程腐蝕環(huán)境還可分為宏觀環(huán)境或大環(huán)境和微觀環(huán)境或稱為小環(huán)境。大環(huán)境主要是海洋工程所在地域的氣候環(huán)境、水文環(huán)境、地理和地質(zhì)環(huán)境等，大多為自然腐蝕環(huán)境; 小環(huán)境是指海洋工程結(jié)構(gòu)物的一些局部環(huán)境。對于同一結(jié)構(gòu)物，不同部位所處的環(huán)境可能有很大的不同，因而每個海洋工程結(jié)構(gòu)物上都會有許多的小環(huán)境存在。由于小環(huán)境才是結(jié)構(gòu)物直接接觸的環(huán)境，所以在腐蝕控制的選材和結(jié)構(gòu)設計中不僅要考慮大環(huán)境的影響，更要考慮小環(huán)境的作用。事實上，很多結(jié)構(gòu)物的腐蝕損傷都是由于小環(huán)境作用在局部區(qū)域發(fā)生，而一些關鍵結(jié)構(gòu)部位的損傷則會導致整個海洋工程結(jié)構(gòu)物的失效或破壞。海洋環(huán)境對金屬材料的腐蝕影響較為復雜，不但不同金屬存在差異，同種金屬在不同海洋環(huán)境中的腐蝕形態(tài)也不同。海洋腐蝕的形態(tài)主要包括： 均勻腐蝕、點蝕、縫隙腐蝕、選擇性腐蝕、晶間腐蝕、電偶腐蝕、雜散電流腐蝕、應力腐蝕開裂、腐蝕疲勞、沖刷腐蝕、空泡腐蝕和生物腐蝕等。在一般情況下，均勻腐蝕是最常見的腐蝕形態(tài)，但從材料應用及工程角度出發(fā)， 局部腐蝕對海洋工程結(jié)構(gòu)的安全危害更大， 因此，在考慮海洋環(huán)境中材料的腐蝕與防護問題時，對局部腐蝕應予以特別重視。

海生物污損對海洋工程結(jié)構(gòu)物的影響和危害是個不容忽視的問題。微生物通常會加速金屬的腐蝕，而宏觀生物污損通常會促進金屬表面局部腐蝕的發(fā)生，并且增加了額外的載荷和流體阻力，造成管路系統(tǒng)堵塞，導致運動部件和儀器設備的失效。

海洋工程的腐蝕控制

海洋腐蝕的控制方法主要包括：防腐蝕設計、材料的合理選用、海洋涂料、陰極保護、金屬涂層以及腐蝕監(jiān)檢測技術等。

防腐蝕設計是防止海洋工程材料發(fā)生腐蝕所要做的首要工作，是指在進行海洋工程設計時，要充分考慮腐蝕防護的要求， 進行合理的設計，以減輕甚至消除腐蝕可能造成的危害。

材料選用首先要滿足海洋工程結(jié)構(gòu)的力學性能和功能要求(設計目的)，同時還必須要考慮工藝性能(如加工性能、焊接性能等)、環(huán)境適應性(腐蝕、磨損、老化等性能)，以及經(jīng)濟性(獲得較好效費比)。當環(huán)境適應性不能滿足要求時， 需采取防護措施，避免提早產(chǎn)生腐蝕失效。海洋工程常用材料主要有碳鋼及低合金鋼、不銹鋼、銅及銅合金、鋁及鋁合金、鈦及鈦合金以及非金屬及復合材料等。

涂料是海洋工程最常用的防腐手段， 其成膜后形成的涂層可以將腐蝕介質(zhì)和金屬基體隔離開，有的涂層還具有緩蝕和陰極保護的作用。常用的海洋防腐涂料有富鋅涂料、環(huán)氧樹脂涂料、聚氨酯涂料、氯化橡膠涂料、玻璃鱗片涂料等。海洋防腐涂料正朝著高性能、環(huán)保、易施工等方向發(fā)展，如聚硅氧烷涂料、氟碳涂料、無溶劑涂料、低表面處理涂料等。

陰極保護是防止海水中金屬腐蝕的有效方法。犧牲陽極和外加電流陰極保護在實際工程中都得到了廣泛的應用，但兩者各有特點，適用于不同的場合。《海洋工程的材料失效與防護》介紹了各種犧牲陽極材料的性能、外加電流陰極保護系統(tǒng)的組成與特點以及陰極保護的設計技術，包括傳統(tǒng)的經(jīng)驗設計、縮比模型實驗設計和數(shù)值模擬優(yōu)化設計方法。

同時，針對不同的海洋工程裝備和設施，論述了實際工程中采用的具體技術和方法，涉及的主要內(nèi)容包括：船舶的腐蝕控制、鋼質(zhì)港工設施的腐蝕控制、跨海大橋的腐蝕控制、海上油氣資源開采設施的腐蝕控制、海水利用系統(tǒng)的腐蝕控制等， 可供海洋工程的設計、建造、使用和維護部門的相關技術人員參考。

海洋工程混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性與延壽技術

鋼筋混凝土在海洋工程中得到廣泛應用，例如，海底隧道、跨海大橋、海港碼頭等大型海洋基礎設施都大量采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。由于海洋環(huán)境強腐蝕性特點， 如何保證這些海洋工程鋼筋混凝土構(gòu)筑物的使用壽命，使其具有良好的耐久性是工程技術人員和業(yè)主均十分關注、也必須高度重視的關鍵問題。

由于海洋環(huán)境本身的嚴酷性，或沒有采取有效的措施，許多海洋工程結(jié)構(gòu)物往往達不到設計使用年限要求，產(chǎn)生耐久性問題(圖2)。世界上不同地區(qū)關于混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生劣化和損傷的事例有很多文獻報道。例如，美國聯(lián)邦公路管理局于1991 年發(fā)布的調(diào)查結(jié)果表明，全國有226000 座橋梁和立交橋(約占全國總數(shù)的39%)發(fā)生了鋼筋腐蝕，存在病害。

目前我國正處在經(jīng)濟快速發(fā)展，基礎設施大規(guī)模建設的高潮時期，更應該吸取國外發(fā)達國家在海洋工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方面的經(jīng)驗，給予足夠的重視，在設計之初就應堅持高標準、嚴要求，并采取有效的措施以保證混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，降低其全壽命周期的費用。

影響海洋環(huán)境中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素有很多，主要包括混凝土材料和施工質(zhì)量、氯離子誘發(fā)的鋼筋銹蝕、碳化、凍融循環(huán)、磨損和沖刷、化學侵蝕以及生物作用等。其中海洋環(huán)境氯離子的作用導致鋼筋銹蝕是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的最重要因素之一。

由于影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素非常復雜，因此如何提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性以及延長在役混凝土工程結(jié)構(gòu)的使用壽命是一項復雜的系統(tǒng)工程，需要采取一系列的技術與管理措施，并貫穿于結(jié)構(gòu)從設計、建造到使用和維護的全壽命周期。提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的技術途徑包括合理的設計和施工、從材料本身來提高耐久性(如采用高性能海工混凝土和耐腐蝕加強筋等)、以及采取額外的防護措施等，如采用混凝土保護涂層、混凝土表面硅烷浸漬處理、緩蝕劑以及電化學保護技術。

例如，上海東海大橋是國內(nèi)第一座特大型跨海橋梁，設計基準期為100 年。由于位于外海，海況非常惡劣，給大橋結(jié)構(gòu)的耐久性提出了挑戰(zhàn)。該跨海大橋就采用了以高性能海工混凝土為基礎的綜合防護策略， 并依據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)所處部位和環(huán)境條件，通過增大混凝土保護層厚度和采用必要的補充防腐蝕措施， 如涂裝防腐涂層等，以使大橋達到設計的壽命要求。

海洋工程結(jié)構(gòu)的環(huán)境- 力學損傷行為與預防

在海洋環(huán)境腐蝕及環(huán)境載荷(主要是風、浪、流)作用下，海洋平臺結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生多種破壞形式，包括極限強度破壞，即在外載荷應力達到或超過其最大承載能力(由于腐蝕原因，導致平臺凈截面削弱，從而使得其最大承載能力降低) 的破壞;失穩(wěn)破壞，指平臺所受到的最大壓應力達到或超過許用的失穩(wěn)壓縮應力的破壞; 脆性破壞，指含裂紋的平臺結(jié)構(gòu)裂紋尖端應力強度因子達到了材料的斷裂韌性，從而導致靜載下的裂紋失穩(wěn)擴展斷裂;腐蝕疲勞斷裂破壞，指在海洋環(huán)境腐蝕及交變載荷作用一定循環(huán)次數(shù)后，含裂紋平臺結(jié)構(gòu)的裂紋突然失穩(wěn)擴展斷裂。例如，1979 年我國的“渤海2 號” 石油平臺在渤海受到寒潮大浪的襲擊而沉沒;1983 年美國ACT 石油公司的“爪哇?！碧柶脚_在南海受到波高8.5 米的臺風大浪襲擊而沉沒。

《海洋工程的材料失效與防護》以海洋平臺為對象，介紹了海洋工程結(jié)構(gòu)應力腐蝕和腐蝕疲勞發(fā)生的條件、過程和機理，海洋工程結(jié)構(gòu)的抗疲勞設計方法，腐蝕疲勞強度和裂紋擴展速率的測試方法，以及海洋工程結(jié)構(gòu)的安全性評估。同時，介紹了海洋工程結(jié)構(gòu)環(huán)境-力學損傷的預防方法，包括防止海洋平臺結(jié)構(gòu)應力腐蝕和腐蝕疲勞的措施、海洋平臺結(jié)構(gòu)設計所采用的安全措施等。

船舶及海洋工程動力系統(tǒng)中的磨損失效與預防

柴油機是目前船舶及海洋工程中的主要動力源。船舶機械運轉(zhuǎn)時，設備中有相對運動的摩擦副零件會在其配合表面產(chǎn)生摩擦，引起表面磨損。即使在正常運轉(zhuǎn)情況下零件表面的摩擦、磨損也是不可避免的。摩擦、磨損使得機器的性能逐漸變壞，效率降低，甚至完全失效。

例如，柴油機的曲軸和軸承之間由于軸瓦裝配錯誤、潤滑油中斷等原因會造成軸與軸承干摩擦，導致軸承工作溫度升高，使軸承合金熔融，產(chǎn)生黏著磨損。若不及時處理，會導致曲軸被黏著，軸瓦抱死，停止轉(zhuǎn)動。輕者會使軸頸表面出現(xiàn)拉毛、過熱等損傷。重者會使柴油機失去動力，曲軸扭矩過大而嚴重損傷。

《海洋工程的材料失效與防護》介紹了摩擦和磨損的種類與機理，分析了船用柴油機氣缸套與活塞環(huán)、曲軸與軸承之間的摩擦與磨損事例，介紹了改善內(nèi)燃機摩擦磨損性能的措施以及磨損失效零部件的各種修復方法和技術。

結(jié)束語

腐蝕、疲勞和磨損是造成海洋工程損傷和破壞的主要原因，海洋工程的材料延壽對保障海洋裝備和結(jié)構(gòu)物的完整性、可靠性和安全性，促進資源保護和可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義?！逗Ｑ蠊こ痰牟牧鲜c防護》介紹了海洋環(huán)境的特點，海洋工程的材料失效形式、機理及其影響因素，海洋工程的防護方法和延壽技術等內(nèi)容。