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(shè)施。由于海洋環(huán)境具有很強的腐蝕性，并且受到復(fù)雜的環(huán)境化學(xué)-力學(xué)的復(fù)合作用，海洋工程常常會因為腐蝕、疲勞和磨損而導(dǎo)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(jì)是海洋的世紀(jì)

海洋有著非常豐富的資源，是人類的寶貴財富。二十一世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，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(lǐng)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(shè)海洋強國”的目標(biāo)。要實現(xiàn)建設(shè)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(shè)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(shù)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(shè)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(shè)施的使用性能和可靠性。

海洋工程往往結(jié)構(gòu)復(fù)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(fēng)、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(yīng)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(fù)雜交互作用，導(dǎo)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(zāi)難性事故， 造成嚴(yán)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(dǎo)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(yán)重的破壞。這次事件被認(rèn)為是美國歷史上最為嚴(yán)重的事故， 被定為國家級災(zāi)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(guān)鍵工程技術(shù)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(yù)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(shè)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(fēng)、降水等海洋氣象因素; 海浪、潮汐、海流、風(fēng)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(fēng)、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(shè)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(shè)計環(huán)境條件不僅關(guān)系到結(jié)構(gòu)物的安全度和可靠性，而且也會影響其技術(shù)經(jīng)濟性。因此合理選取海洋工程環(huán)境條件是非常關(guān)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(dǎo)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(guān)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(xué)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(shè)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(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位的損傷則會導(dǎo)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(fù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)致運動部件和儀器設(shè)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(shè)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(shù)等。

防腐蝕設(shè)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(shè)計時，要充分考慮腐蝕防護的要求， 進行合理的設(shè)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(xué)性能和功能要求(設(shè)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(yīng)性(腐蝕、磨損、老化等性能)，以及經(jīng)濟性(獲得較好效費比)。當(dāng)環(huán)境適應(yīng)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(fù)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(yīng)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(shè)計技術(shù)，包括傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計、縮比模型實驗設(shè)計和數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計方法。

同時，針對不同的海洋工程裝備和設(shè)施，論述了實際工程中采用的具體技術(shù)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(shè)施的腐蝕控制、跨海大橋的腐蝕控制、海上油氣資源開采設(shè)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(shè)計、建造、使用和維護部門的相關(guān)技術(shù)人員參考。

海洋工程混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性與延壽技術(shù)

鋼筋混凝土在海洋工程中得到廣泛應(yīng)用，例如，海底隧道、跨海大橋、海港碼頭等大型海洋基礎(chǔ)設(shè)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(shù)人員和業(yè)主均十分關(guān)注、也必須高度重視的關(guān)鍵問題。

由于海洋環(huán)境本身的嚴(yán)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(shè)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(guān)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(chǔ)設(shè)施大規(guī)模建設(shè)的高潮時期，更應(yīng)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(shè)計之初就應(yīng)堅持高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)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(xué)侵蝕以及生物作用等。其中海洋環(huán)境氯離子的作用導(dǎo)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(fù)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(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要采取一系列的技術(shù)與管理措施，并貫穿于結(jié)構(gòu)從設(shè)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(shù)途徑包括合理的設(shè)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(xué)保護技術(shù)。

例如，上海東海大橋是國內(nèi)第一座特大型跨海橋梁，設(shè)計基準(zhǔn)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(chǔ)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(shè)計的壽命要求。

海洋工程結(jié)構(gòu)的環(huán)境- 力學(xué)損傷行為與預(yù)防

在海洋環(huán)境腐蝕及環(huán)境載荷(主要是風(fēng)、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(yīng)力達到或超過其最大承載能力(由于腐蝕原因，導(dǎo)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(yīng)力達到或超過許用的失穩(wěn)壓縮應(yīng)力的破壞; 脆性破壞，指含裂紋的平臺結(jié)構(gòu)裂紋尖端應(yīng)力強度因子達到了材料的斷裂韌性，從而導(dǎo)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“爪哇海”號平臺在南海受到波高8.5 米的臺風(fēng)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(yīng)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(shè)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(xué)損傷的預(yù)防方法，包括防止海洋平臺結(jié)構(gòu)應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞的措施、海洋平臺結(jié)構(gòu)設(shè)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(yù)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(shè)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(dǎo)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(dǎo)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(yán)重?fù)p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(fù)方法和技術(shù)。

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。《海洋工程的材料失效與防護》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(shù)等內(nèi)容。