海洋能的高效開發利用已成為當前國際社會的研究焦點與實踐熱點。在各類海洋可再生能源中，海上風能、波浪能、潮汐能、溫差能、鹽差能、海上光伏發電以及海流能共同構成了海洋能的主要范疇。地球上海洋能的理論蘊藏量可達數萬億千瓦時，這一數值若能被科學有效地開發利用，其總量將顯著超越人類社會當前對能源的整體需求。我國地域廣袤，海岸線蜿蜒綿長，海岸帶區域蘊藏極為豐富的自然資源。在我國近海海域，海洋能的理論蘊藏量估算約達 15.8 億千瓦，其中具備技術開發潛力的部分更是可達 6.5 億千瓦。大力推動海洋能技術的創新與應用，不僅是我國實現能源結構戰略性調整、構建綠色低碳能源體系的關鍵舉措，亦是保障國家長遠發展和子孫后代可持續福祉的重要途徑。同時我國東部沿海地區人口分布高度集中，能源需求旺盛，海洋能的規模化利用有望為東部沿海城市的高質量發展注入強勁動力。海洋能裝置與配套設施的構建材料多采用鋼材及鋼筋混凝土，其服役過程需長期暴露于海洋生態系統中。但海洋環境堪稱地球上腐蝕性最強烈的自然條件之一，作為電解質溶液的海水，具備高電導率、高氯離子濃度及高溶解氧含量等顯著特性，這使其極易與金屬離子發生復雜的電化學腐蝕反應，進而生成具有高活性的微電池結構。同時海水中大量存在的氯離子，會對不銹鋼材料造成嚴重的點蝕等破壞作用，這直接導致海洋中運行的發電設備系統，其腐蝕速率遠高于其他自然環境，腐蝕損傷程度也更為顯著。不容忽視的是，海洋生物對海洋能裝置的附生長同樣構成了顯著威脅。這些生物體能夠在裝置的金屬或非金屬表面定植，并通過其生命活動與代謝循環對設備結構產生侵蝕性損害。這種生物污損效應具有廣泛的材料普適性，會加速設備的老化進程并縮短其服役周期。據相關調研數據顯示，在海洋能產業的運營維護成本中，由生物附所引發的經濟損失約占總支出的20%。鑒于此，以經濟高效且安全可靠的方式治理海洋能裝備設施所面臨的腐蝕與污損挑戰，對于提升海洋能裝備系統的運行安全系數、延長其服役周期，進而服務于國家經濟發展與國防現代化建設，均具備深遠的現實意義與戰略價值。
1 防腐技術研究進展
1.1 海洋環境腐蝕的原因
在海洋環境中，水體與上空的咸霧均富含氯離子。這些氯離子會對鋼鐵材料表面自然形成的氧化鈍化層造成侵蝕，使其完整性受損，進而使內部的鐵基材直接暴露于腐蝕性介質中。一旦鐵基材暴露，便會與未被破壞的鈍化區域在海水環境下產生顯著的電位梯度，由此構成一個電化學腐蝕體系。在這一體系內，作為陽極的鐵原子會持續發生溶解反應，并最終轉化為紅棕色的銹蝕產物。海洋生態系統常呈現出高濕特性，致使鋼鐵材料的表層極易凝結成水膜，這層水膜恰好為電化學腐蝕過程提供了不可或缺的導電介質。在金屬銹蝕的進程中，相關的電化學反應可通過以下化學方程式（1）和（2）予以闡釋：
在海洋生態系統里，鋼筋混凝土構造的劣化是一項錯綜復雜的多因性進程，其主要誘因可歸納如下。化學層面的侵蝕主要涵蓋氯離子滲透、硫酸鹽侵蝕、鎂鹽侵蝕以及碳化效應等；而物理層面的破壞則包含鹽類結晶壓力、凍融交替作用、水流沖刷與機械磨損等。
1.2 海洋環境腐蝕的危害
在海洋環境中，高鹽度、強濕度及生物黏附等復雜因素引發的腐蝕現象，對海洋能裝置及相關系統造成了多維度的負面影響。這種腐蝕不僅會顯著降低設備的結構完整性與運行安全性，還會直接或間接導致能量轉換效率的衰減，進而對整體項目的經濟收益產生不利影響。具體而言其主要危害體現在以下幾個層面：結構強度削弱導致設備失效；發電效率下降；密封失效導致安全風險；運維成本增加。
1.3 目前主要的防腐技術方法
在海洋工程領域，海洋能裝備系統的鋼結構面臨海洋環境的多重挑戰，因此構建一套系統性的防護體系至關重要。為增強鋼筋材料在該類工況下的耐久性，科學的手段之一是選用具備優異抗腐蝕性能的鋼筋合金材料，這一措施能夠有效提升鋼筋對氯離子等腐蝕性介質的抵御能力，從而延長其在海洋環境中的服役壽命。另外為鋼筋構建額外的防護屏障同樣是行之有效的方法。在混凝土拌制過程中添加諸如阻銹劑之類的化學制劑，能夠借助多種不同的作用機理對鋼筋起到保護作用。
在海洋能裝置的鋼筋混凝土構建體系里，面對海洋環境的復雜挑戰，必須實施多維度的防護方案。其中選用具備高密實度特性的混凝土材料，是構建防護體系的首要前提；與此同時對混凝土外露表面進行有效的防護與隔絕處理，例如涂刷各類功能性涂層，亦是不可或缺的關鍵環節。
1.3.1 防腐涂層技術
在當代海洋工程領域，防腐蝕涂料作為保障水下結構物耐久性的關鍵材料，已形成多樣化的產品體系。當前市場上廣泛應用的品類主要包括環氧系、聚氨酯系、丙烯酸酯系、橡膠類、氟碳樹脂類、有機硅樹脂類、聚脲類以及玻璃鱗片增強型等。這些涂料在性能表現上各有千秋，有的側重耐化學介質侵蝕，有的則在機械強度或耐候性方面具有優勢，其具體的適用工況也因特性差異而各不相同，詳細對比可參見表1。
在海洋工程領域，傳統的防腐蝕涂料往往因含有害化學物質而備受爭議。海洋中的貽貝等生物憑借其獨特的水下附能力，能牢固吸附于礁石、混凝土及鋼結構表面。受此自然現象的啟發，借助單寧酸和三價鐵離子的聚合、沉積、配位和粘附作用，采用單寧酸與鐵離子配位多步法在混凝土上首次制備了 TA/Fe(III)貽貝仿生涂層，揭示了其阻氯機理，給出了最優配方，其單位厚度涂層的抗氯離子效果遠超各類商業涂層，是常用的環氧樹脂商業涂層的 20 多倍，并且其原材料單寧酸是一種天然多酚，廣泛存在于植物和水果中，價格便宜、環保，新涂層原料價格僅為環氧樹脂商業涂層的十二分之一，具有很好的工程應用前景；同時還提出并比較了單寧酸氧化自聚合、單寧酸與鐵離子配位一步法和單寧酸與鐵離子配位多步法三種制備混凝土單寧酸基綠色環保涂層的方法，為海洋鋼筋混凝土的綠色防腐涂層的開發提出了一種新的思路。
表 1 常用的海洋防腐涂料的特點和應用范圍 Tab.1 Characteristics and application scope of commonly used marine anti-corrosion coatings
1.3.2 陰極保護技術
1.3.2.1 犧牲陽極的陰極保護
犧牲陽極保護技術是一種利用電化學腐蝕原理實現金屬防護的方法。其核心機制是將一種電極電位顯著低于被保護金屬材料的活性金屬與基體金屬通過電氣連接，由于犧牲陽極具有更高的化學活性，會優先作為陽極發生氧化反應而逐漸溶解消耗，而被保護的基體金屬則會作為陰極，其表面的腐蝕反應被有效抑制，從而避免了基體本身的腐蝕破壞。在實際應用中，常用的犧牲陽極材料主要包括鋅基合金、鎂基合金以及鋁基合金等。犧牲陽極陰極保護系統的工作原理示意圖可參見圖1(a)。
 圖 1 陰極保護技術的工作原理圖 Fig.1 Schematic diagram of the working principle of cathodic protection technology
1.3.2.2 外加電流保護
施加外加電流的陰極保護技術，其核心原理在于借助外部直流電源，對被保護的金屬結構施加一個定向電流，迫使金屬表面的電位持續維持在一個低于環境腐蝕電位的負電位區間。這一過程能夠有效抑制金屬基體發生氧化反應，從而實現對金屬的長效防護。外加電流陰極保護技術的作用機制示意圖可見圖1(b)。
兩種方式的陰極保護法各自具有其優缺點，工程中需要根據海洋能裝備系統中的應用場景具體選擇，具體的對比如表 2 所示。
表 2 兩種陰極保護法的對比 Tab.2 Comparison of two cathodic protection methods
1.3.3 不同腐蝕分區下的防腐蝕方法
海洋能裝備系統根據所處的腐蝕區域可能包括海洋大氣區、飛濺區、潮差區、全浸區和海泥區，如圖 2 所示，不同腐蝕分區的防腐蝕方法如表 3 所示。
 圖 2 不同腐蝕分區的示意圖 Fig.2 Schematic diagram of different corrosion zones
表 3 不同腐蝕分區的防腐蝕方法 Tab.3 Corrosion protection methods for different corrosion zones
2 抗生物污損技術研究進展
2.1 海洋環境生物污損的危害
在海洋世界中，藤壺、貽貝這類海洋附著生物為了繁衍生息，往往會選擇礁石、船體、海洋工程設施的 表面等進行附著棲息。這種由海洋生物引發的表面附著現象，在業界通常被稱作海洋生物污損。自人類開啟 波瀾壯闊的海洋探索與開發征程以來，海洋生物污損便如同一個揮之不去的頑疾，長久地困擾人類。海洋附 著生物對海洋生態環境構成潛在威脅，其所帶來的危害主要體現在以下幾個方面：
2.1.1 加速金屬腐蝕
海洋能裝置的金屬表面易受藤壺、貽貝等海洋附著生物的侵襲。這些生物的附著不僅會對涂層造成物理 性破壞，其新陳代謝過程中產生的化學物質還會改變附著區域海水的酸堿度，進而削弱涂層的防護效能，使 金屬的腐蝕進程顯著加速。此外附于裝置表面的藻類在進行光合作用時，會向周圍水體釋放溶解氧，這 一過程同樣可能因改變局部微環境而導致金屬腐蝕速率的提升。
2.1.2 降低能量轉化效率
海洋能裝置的外部表面一旦受到污損生物的附著，便會顯著削弱其能量轉換效能。以潮汐渦輪發電機為 典型案例，諸如藤壺、貽貝及各類藻類等有機體在其葉片表面的密集附著，會使葉片的表面平整度遭到破 壞，進而擾亂原本流暢的流體動力學形態，最終造成水流在通過時產生更為劇烈的漩渦運動并引致摩擦阻 力的攀升。
2.1.3 堵塞管道管路
海洋附著生物在特定海洋能裝置的流體輸送管路內附著，不僅會使管道通徑逐漸縮減，脫落的有機體還 可能對閥門組件造成阻塞，從而顯著削弱海洋能裝備系統的流體傳輸效能。
2.2 海洋環境生物污損的原因與模式
海洋生物附著是一個多階段的復雜演變過程，一般可劃分為四個連續階段。首先是有機分子層的構建， 在此階段，多糖、蛋白質、脂類、腐殖質、核酸及氨基酸等物質，憑借范德華力、氫鍵和靜電力等非共價相 互作用，迅速吸附并沉積于水下材料的表面，進而營造出利于后續生命活動的薄膜微環境。接下來是生物膜 的發育，細菌在有機分子層上定植后，通過分泌由蛋白質和多糖構成的胞外聚合物基質，逐步構建起具有一 定結構和功能的生物膜結構。隨后進入微型附著生物的增殖階段，硅藻及大型海藻的孢子等微型生物以 生物膜為營養基質，開始聚集并持續生長。最終在第四階段，藤壺、貽貝等大型海洋附著生物會借助第三階 段微型附著生物所分泌的粘性物質，牢固附于材料表面，并實現快速的種群擴張與個體生長。海洋生物體對各類海洋能裝備系統的污損作用主要表現為以下幾種典型機制：
2.2.1 生物覆蓋效應
此乃最為直接且廣泛存在的作用機制。諸如藤壺、貽貝、牡蠣、海鞘、珊瑚及海葵等污損生物，會直接 在材料的表面構建起一層緊密且連貫的覆蓋結構。其根本的損害途徑在于，這種覆蓋層會阻礙材料表面與 周遭環境之間必需的物質與能量交換過程。生物附著現象將引發一系列不良后果：不僅會顯著提升裝備 整體的質量與運行阻力，還會對其流體力學特性造成嚴重損害，導致氣動或水動效率大幅降低；傳感器的信 號傳輸也可能因此受到干擾，出現接收失真或屏蔽現象；此外附著層會破壞原有的防腐蝕、防黏附涂層的防 護效能，削弱設備的耐久性；更重要的是附著生物的存在會改變裝備表面的物理化學特性，例如使材料表面 的光潔度下降，以及改變其對水或其他流體的親疏能力。圖 3 中展示了若干典型的海洋附著生物。
 圖 3 各種類型的海洋污損生物 Fig.3 Various types of marine fouling organisms
2.2.2 電化學干擾效應
該現象多見于金屬材質，其根本機制在于附著的微生物群落及其分泌的胞外聚合物膜，通過改變金屬表 面微域的電化學特性，打破了原有的腐蝕電位平衡，進而促使或加劇了電化學腐蝕反應的進行。在這類電化 學干擾作用下，最典型的問題之一便是氧濃差電池的構建。在生物附著形成的覆蓋層遮蔽區域，因附著生物 的呼吸作用持續消耗氧氣，同時覆蓋層本身又對氧氣的自然擴散形成物理阻礙，導致該區域內氧氣含量顯 著降低，成為典型的缺氧環境（陽極區域）。與此同時微生物的生命活動也會產生一系列具有侵蝕性的代謝 產物，例如酸性物質、堿性物質以及硫化物等，這些物質能夠直接分解或破壞金屬表面自然形成的氧化 保護膜，或者通過改變局部區域的酸堿度，進一步加劇金屬的腐蝕進程。此外污損層的存在還能為縫隙腐蝕 的發生創造有利條件，在生物附體與金屬基體的交界面，或者在不同生物體相互聚集的間隙中，常常會形成 狹窄且充滿停滯流體的縫隙空間。這種缺乏氧氣、離子濃度異常升高的環境會顯著加劇縫隙腐蝕的產生。
2.2.3 機械損傷效應
該現象的本質誘因在于附著生物及其代謝產物在水流、波浪、震動、溫濕度波動等外界因素的綜合作用 下，對材料本體或其防護層產生持續性的物理力學沖擊，進而引發結構損壞。這種力學損傷效應將直接造成 多重不良后果：首先會對保護涂層造成不可逆的破壞，在附著力、生長壓力及剝離力的反復作用下，涂層可 能出現裂紋、分層、鼓泡、斷裂，甚至從基材表面完全脫落。與此同時生物膠質在涂層界面的滲透及其吸水 后的體積膨脹，會產生顯著的滲透壓，該滲透壓與外部施加的載荷相互疊加作用，可能致使涂層發生大面積的鼓包與剝離現象。此外污損生物所構建的粗糙表面形態，會對流體的邊界層特性產生擾動，改變其流動狀 態，可能引發并增強局部區域的湍流與渦流效應，從而加速沖刷腐蝕的發生與發展。
上述三種海洋污損機制在自然環境中通常并非孤立存在，而是相互交織、彼此作用，進而共同促使海洋 工程設施的服役性能加速退化。深入剖析此類復雜的耦合作用規律，研發生態兼容的環境友好型防污技術， 對于構建更為高效的防污解決方案具有重要意義。
2.3 目前主要的抗生物污損技術
2.3.1 物理防污法
在當代科技飛速進步的浪潮下，科研工作者已成功開發出多種抗生物污損技術。回顧早期的海洋防污領 域，部分技術雖曾展現出不俗的附著抑制效能，然而其作用周期往往有限，隨時間推移，這類技術逐漸被更 為先進的方案所取代。在海洋工程與工業設施的防護領域，物理防污技術作為最古老的防護手段之一，其核 心原理在于通過非化學的物理作用，將附于設備表面的污損有機體予以清除，進而實現對設施的有效保護。 依據其具體實施方式的差異，物理防污法可細分為機械清除法、超聲波清潔法、射線防護法以及空化射流去 污技術等多種類型。
2.3.1.1 機械清除法
在海洋能裝置的運維過程中，機械清除技術是一種重要的污損生物控制手段。該方法主要通過特定的機 械設備，在設備處于正常停機狀態時，對其外部結構表面附著的污損生物進行物理剝離與清除。應用較為廣 泛的機械清除方式主要包括高壓水流沖擊法、專用工具刮擦法以及高溫灼燒清除法等[38]。其特點是作業效 率高、成本投入較低。然而該方法存在明顯局限：設備運行期間無法中斷進行清理作業，難以在污損生物初 始附著階段實施干預，同時整個操作過程需消耗大量的時間與人力資源。
2.3.1.2 超聲波法
當運用超聲波技術時，電子超聲設備會發射特定頻率的聲波，這些聲波會使周圍水體中生成大量微小氣 泡。氣泡在其產生至破裂的動態過程中，會對周圍的水體環境產生顯著擾動，進而對海洋生物的棲息條件造 成破壞。超聲波技術所發出的特定頻率與波形振幅，能夠與細菌及污損生物自身的生理節律或結構特性 產生共振效應，從而干擾其正常的生長代謝過程，最終實現高效的防污效果。不過超聲波技術在實際應用中 仍面臨若干不容忽視的隱患。例如高強度的聲波輻射不僅可能對操作人員的生理健康造成潛在威脅，還可 能對船體表面涂層的防污性能產生不良影響。
2.3.1.3 輻射法
在輻射處理技術的應用過程中，所采用的功能性材料通常具備一定的放射性特質。這種放射性能夠有效 阻止海洋生物在材料表面的附著，或者對已附著的污損有機體起到滅殺作用。該技術存在潛在風險：輻 射作用可能促使涂層材料內部產生未結合的化學基團，這些活性基團之間易發生異常化學反應，進而可能 導致涂料的物理化學性能出現退化。這些反應生成的副產物可能對海洋生物的遺傳物質造成損傷，對海洋 生態系統的原有平衡構成威脅。
2.3.1.4 空穴化水噴射流防污法
空穴化水噴射流防污法核心原理是通過高壓系統將水流加速并噴射至待處理物體的表面，以此清除附 著其上的海洋附著生物。實驗數據顯示：當水流壓力維持在 4 兆帕上下的較低水平時，該防污技術的去污效 能已展現出卓越效果。近年來此技術在我國市場上的應用潛力逐步顯現，不過其實施過程中對資金投入的 要求頗高，且所需設備也較為復雜。其適用領域廣泛，例如可用于去除船底附著的海洋生物與螺旋槳表面的 沉積物；可對海底采油樹、液壓控制閥門、碼頭樁柱等多種復雜結構件進行清洗作業。
2.3.2 化學防污法
在現有海洋防污技術體系中，化學防污策略占據主導地位，其主要技術路徑可概括為以下幾類：
2.3.2.1 防污劑法
目前海洋裝備領域常用的防污劑分為化學防污劑和天然防污劑兩大類。現代化學防污劑的研發與應 用典型代表包括無機銅系化合物氧化亞銅（Cu₂O）、有機銅鋅配位化合物如吡啶硫酮銅與吡啶硫酮鋅、異唑 啉酮類殺生劑 4,5-二氯-2-正辛基-4-異唑啉-3-酮（DCOIT），以及取代脲類化合物 Irgarol1051 等。在海洋工 程領域，氧化亞銅（Cu₂O）憑借其卓越的生物毒性與廣泛的抗菌活性，被公認為一種理想的防污活性成分。這種化合物能夠通過緩慢釋放銅離子，對海洋環境中的附著生物，如藤壺、貽貝等具有顯著的抑制與殺滅效 果。單純依靠氧化亞銅對藻類等微生物的抑制效果往往難以滿足全面防護的需求，故在實際配方設計時，常 需將其與多種有機防污劑進行復配以實現對海洋附著生物的廣譜高效防除。
自然界中存在的防污劑主要可劃分為三大類別。其中一類源于微生物，這類微生物群落能夠借助群體感 應實現細胞的聚集、抗生素的生物合成，以及生物膜的構建與分化。在菌群達到一定密度時，某些菌群會 啟動群體感應淬滅途徑，以此來抑制其他潛在競爭菌群的繁衍。基于這一自然機制所產生的活性物質，為研 發全新的防污技術提供了極具潛力的思路與方向。2001 年，研究揭示，假單胞菌所產生的代 謝物質與聚氨酯涂層相結合，能夠有效抑制藤壺幼蟲的生長與發育進程。2009 年，研究表明，被囊交替假單胞菌能夠合成一系列具有明確靶向性的抗附著活性物質，這些物質對盤管 蟲、藤壺、石莼孢子及多種藻類均展現出廣泛的抑制效能；在海洋植物來源的防污劑研究領域，大型海藻通 常通過分泌特定的化學信息素來抵御污損生物的附著，而從中進行天然產物的分離純化是獲取高效防污劑 的重要途。從馬尾藻中成功分離出三類糖脂化合物，實驗結果顯示其防污性能甚至超越了 傳統的商業防污劑產品。溴化醇類化合物及其衍生物作為紅藻代謝產物的重要組成部分，開展了系統的合成與活性評價研究，在制備的 15 個類似物中，有兩個化合物展現出顯著的海洋防污生物 活性；在源于無脊椎動物的防污劑領域，例如海綿、珊瑚及苔蘚蟲，在長期的海洋生存競爭中，進化出通過 釋放特定次生代謝物質來實現防御天敵、占據生態位及抑制附著生物的生存策略，因此成為當前防污劑研 究的熱點類群。研究報道，科研人員從巴塔哥尼亞區域的海綿生物樣本中成功分 離鑒定出一種膽汁酸類天然產物。該化合物不僅展現出顯著的海洋防污生物活性，其毒性水平亦處于較低 范疇。在側扁軟柳珊瑚的次生代謝產物分離過程中，成功獲得了柳珊瑚酸。該化合物分子結構中 的酮基官能團與碳碳雙鍵是發揮防污效能的核心基團，其作用機制在于可顯著阻礙藤壺幼蟲的附著定殖過程。
2.3.2.2 電解防污法
電化學防污技術基于電解過程的化學原理，其核心機制是在海水環境中通過電化學反應生成具有生物 毒性的物質，從而抑制或殺滅附著在船體等水下結構表面的污損生物。該技術主要有兩種實施路徑：其一為 電解海水工藝，具體而言，當微弱電流通過特定導電涂層時，涂層周邊的海水會發生電解反應，生成次氯 酸根離子，這些離子在船體表面形成一層防護膜，有效阻礙海洋污損生物的附著與滋生。還有一種類型是在 涂覆層里添加具有導電性能的聚合物材料。中國科學院長春應用化學研究所采用高導電聚苯胺作為核 心成分，研發出一種環境友好型導電聚苯胺基海洋防污涂層。實海實驗測試結果表明：歷經逾半年的海水浸 泡周期后，該涂層的表面幾乎未觀察到明顯的污損生物附著現象。
2.3.2.3 可降解型防污涂層法
在防污涂料發展的初期，溶解型防污涂層是典型代表。這類涂層的主要成膜物質為松香及其衍生物，防 污活性成分則是氧化亞銅（Cu₂O），同時輔以其他色填料，經研磨工藝調配而成。松香作為一種天然樹脂酸， 在與弱堿性海水接觸時會產生部分溶解。這種微溶特性使得涂層中分散的 Cu₂O 顆粒隨涂膜的溶脹或侵蝕而 逐漸溶解，釋放出的銅離子（Cu²⁺）通過抑制海洋生物附著發揮防污效果。在實際工程應用過程中，上述防 污涂層存在一個顯著缺陷：其活性防污成分在成膜初期的釋放速率通常偏高，隨后會隨時間推移而呈現衰 減趨勢。這種動態釋放模式不僅導致涂層的整體溶蝕進程難以進行有效調控，更使得其發揮長效防污作用 的周期相對有限，一般僅能維持 1.0 至 1.5 年的防護效果。
20 世紀 70 年代早期，科研人員發現三丁基錫化合物具備廣泛且高效的防污特性，以此為基礎開發的防 污涂料隨后得到了實際應用。當這類防污涂料暴露于弱堿性海水中時，其中的基料樹脂（即丙烯酸錫酯）分 子結構內的酯鍵會發生水解斷裂，從而將具有防污效能的三丁基錫離子釋放出來。與此同時預先填充在涂 膜體系中的 Cu₂O 也會分解并釋放出 Cu²⁺。這兩種活性成分在涂膜表層共同作用，形成了一層能夠有效抑制 海洋生物附著的防護膜。當基體樹脂發生水解反應時，會分解并產生具有強親水性的羧基基團。當涂層受到 海水持續沖刷時，具備親水性的樹脂相會逐漸溶解于海水中，從而使涂層表面暴露出新的未反應區域。這種 現象在材料科學領域被專門定義為“自拋光效應”。然而傳統的三丁基錫類化合物由于其化學結構的穩定性， 在海洋環境中難以被微生物分解，這導致其在海洋生物體內極易發生生物累積，對脆弱的海洋生態系統構成嚴重威脅，甚至可能通過生物富集作用間接危害人類健康。鑒于其顯著的環境風險，這類化合物已被國際 社會全面禁止在防污涂料領域的應用。
在海洋環境中，防污涂料的效能很大程度上取決于其防污劑的釋放機制。傳統的溶解型與自拋光型防污 涂料，其防污成分通常以物理混合的方式分散于涂層基質中，釋放過程主要依賴“滲出擴散”原理。這種物 理釋放模式存在顯著缺陷，易導致防污劑在涂層表面形成微小顆粒脫落，進而引發局部濃度的驟升驟降，即 “暴釋”現象。為克服上述弊端，科研人員提出了化學接枝策略，將防污活性物質通過化學鍵合的方式固 定于成膜樹脂鏈上。此時防污劑的釋放通過樹脂基質在海洋環境中發生的“水解降解”反應，使防污劑分子 逐步從樹脂骨架上斷裂并釋放出來。通過這種方式，防污劑的有效利用率得到顯著提升。研究工作表明，他以二甘醇作為起始劑，將己內酯（CL）作為聚合單體，在催化劑的參與下實施開環聚合 反應，成功合成出聚己內酯預聚體。隨后他向體系中引入丙交酯（LA）單體，進而制備出兩端均帶有羥基 基團的（CL/LA）嵌段共聚物。在此基礎上通過異氰酸酯進行交聯固化處理，最終得到聚酯型聚氨酯涂層。 該涂層展現出了卓越且持久的防污性能。
2.3.2.4 光催化防污涂層
光催化技術作為一種前沿的氧化降解手段，借助半導體基光催化劑在可見光激發下所展現的氧化還原 特性，能夠高效產生活性氧簇（ROS）。這些活性氧物種主要包括羥基自由基（-OH）、超氧陰離子自由基（O₂⁻） 以及過氧化氫（H₂O₂）等，具備極高的化學氧化電位和生物毒性。通過這些特性，光催化可直接對微生物進 行滅活，分解生物表面的黏附物質，有效阻止和抑制生物膜的構建過程，并對大型污損生物的幼體產生毒殺 作用。然而光催化技術其對特定波長光照的依賴性、長期運行的穩定性等問題，仍然是當前學術界與產業界 研究的技術瓶頸。
近年來，細菌耐藥性問題的日益嚴峻與有機染料引發的水體污染問題，已成為環境治理領域亟待解決的 關鍵挑戰。為此 創新性地設計合成了一類新型復合光催化材料釩酸銦/釩酸銀（InVO4/AgVO3）。 通過系統的實驗驗證，其表面特性與催化活性研究結果表明，當引入適量的 InVO4 作為摻雜組分時，顯著優 化了 AgVO3 的電子-空穴分離效率與光吸收能力，從而極大地提升了該復合催化劑的光催化性能。但 InVO4/AgVO3 復合體系存在一個顯著缺陷，即其制備成本居高不下，因此其實際推廣存在較大阻礙。
2.3.3 仿生防污法
仿生防污法的核心原理在于模擬自然環境中特定植物或動物體表所具備的獨特微觀構造，通過這種結 構特征阻礙污損有機體的附著，進而達成長效防污的目的。鑒于化學防污手段可能引發的生態問題，目 前學術界正日益關注從生物界獲取靈感，發展環境友好型的非化學防污策略。例如科研人員已開始借鑒海 洋生物如鯊魚皮以及螃蟹外殼的天然防附著機制，同時也在探索模仿非海洋生物，如荷葉表面的超疏水自 清潔效應、昆蟲翅膀的微納結構以及壁虎足部的干粘附原理等，以期開發出新型仿生防污材料與技術。 當前學術界存在兩個備受關注的研究方向。其一致力于從生命體中分離并獲取具備抗附著性能的生物活性 成分，進而將其應用于研發含有此類活性物質的防污涂料。其二則側重于通過人工設計具有特定微觀或宏 觀表面結構的材料，借鑒并模擬生物體表面的天然防污機制，從而賦予材料自身的抗附著能力。
模仿荷葉的微米級乳突效應制備了一個超疏水的仿生結構，測試中可以有效地避免污損生物 的附著。制備了具有自清潔效果的仿生鯊魚皮結構，防污性能相比常規涂層顯著提升。使用低溫掃描電鏡技術結合不同的樣品，發現領航鯨皮膚的平均孔徑約 0.20 µm2，附著在皮膚表面的微生物 會被流水沖刷移除，這種類型的表面可以讓領航鯨皮膚實現自我清潔。借鑒了肉芝軟珊瑚的抗附 著機制，選用與珊瑚表面彈性特性相匹配的硅橡膠作為基材，依據軟珊瑚的微觀構造進行仿生設計，成功研 制出具備多級復合結構的防污涂層。該仿生涂料在靜態浸泡與動態流場環境下均展現出卓越的海洋生物附 著抑制效果。
借鑒豬籠草的自然構造，科研人員開發出具有仿生特性的液體接觸界面。2011 年，在其研究 中率先提出了“液體注入多孔表面”（Slippery Liquid Infused Porous Surfaces，簡稱 SLIPS），亦被稱作“超 滑表面”。相較于超疏水材料所構建的空氣層，超滑界面采用了互不相溶的液體膜予以替代。這類低表面能 液體被充分填充于具有多孔微納結構的基底孔隙之中。通過對液體在水介質中的界面張力及溶解特性進行精準調控，該體系得以呈現出更為優異的表面可控性與長期穩定性。為提升潤滑層與基材的界面結合強度， 通常采用氟基化合物、硅烷類偶聯劑等低能材料對微納結構化表面進行化學修飾。此類處理可有效降低表 面自由能，從而為穩定的滑移界面提供堅實的物理化學基礎。
當前，超滑界面在抗污技術領域展現出卓越的應用前景。巧妙地將肉桂醛這一具有抗菌特性 的物質作為增效成分，成功構建了一種納米多孔的液態界面。在該體系中潤滑油層首先發揮作用，憑借其極 低的表面能特性，有效阻止了微生物在界面的附著定植。而一旦潤滑油消耗殆盡，肉桂醛則會迅速啟動其生 物殺滅功能，作為第二重防御機制對殘留的微生物進行清除。在抑菌防藻效能評估過程中，該涂層材料對測 試藻類展現出近乎百分之百的生長抑制效果。采用石蠟與硅油的混合體系作為潤滑介質，借助真 空滲透技術構建出具備超疏液特性的表面。其關鍵機制在于，石蠟在低溫環境下發生結晶并形成核化結構， 在此過程中有效地吸附并儲存了硅油。在抗污性能測試過程中，其表面微生物附著量經測定僅為 2.6%。相 較于未經任何處理的純鋁基材，該數值下降幅度高達 96%，充分證實了該材料具備卓越的防污效能。
低表面能防污涂料主要借助涂層自身具備的低界面張力與優異的排斥特性等物理化學性能達成防污功 效。海洋環境中污損生物的早期定植過程里，低表面能防污涂料使得微生物所排泄的胞外聚合物難以在表 面上充分鋪展，從而阻礙了海洋附著生物于涂層表面的有效定植。依據 提出的界面能理論曲線，當材 料表面能處于 22~25 mN/m 時，污損生物的附著力達到最小值，此時材料展現出最優的抗生物附著性能。 聚硅氧烷、含氟化合物及氟硅共聚物所構成的低表面能材料體系，是低表面能防污涂層領域中具有代表性 的技術方案。
盡管低表面能防污涂層展現出獨特性能，但其實際應用仍面臨多重挑戰，難以在海洋工程領域實現規模 化推廣。這一局限主要源于三個方面：其一該類涂層的防污機制高度依賴海水的動態流動，在靜態環境 中其防污效能顯著衰減；其二由于不添加傳統防污劑，其抗污譜較窄，例如硅藻等微生物在有機硅類低 表面能材料表面定植，可能為后續大型污損生物提供溫床；其三低表面能特性導致涂層與基底材料間的 界面結合力較弱，同時其自身力學強度亦有不足，易在長期服役或受外力沖擊時發生開裂與脫落，嚴重削弱 其防污持久性。為應對上述挑戰，科研人員研發出多種創新型修飾策略，例如對低表面能防污材料實施 雙親性修飾，以及構建自分層涂層結構等。為顯著增強低表面能防污涂層的結合強度與防污效能，創新設計了一種有機硅基自分層低表面能防護涂層。該防護體系以天然酚類化合物、聚二甲基硅氧烷 （PDMS）及醚酰亞胺為原料構建而成。其獨特的分子架構賦予涂層優異特性：親水性的酚羥基主要分布于 涂層底層，通過分子間氫鍵及金屬配位鍵的協同作用，顯著提升了涂層與各類基材表面的界面結合力。各類 海洋環境下的抗生物污損技術的效能對比，已系統整理于表 4 之中。
表 4 不同的海洋抗生物污損技術的比較 Tab.4 Comparison of different marine antifouling technologies 
3 不同海洋能裝備系統的防腐與抗生物污損技術
3.1 海上風能裝備系統
海洋風電裝置常年處于復雜多變的海洋環境中，需應對鹽霧侵蝕、電化學腐蝕、波浪載荷沖擊及海洋微 生物附著等多重考驗。采取高效的防腐蝕技術與生物污損控制手段，是確保設備穩定運轉、提升服役周期并 減少運維開支的關鍵環節。
海洋風電的基礎結構主要可劃分為兩類：其一為適用于沿海灘涂與潮間帶區域的混凝土重力式基礎；其 二則是應用于遠海區域的導管架式基礎。重力式基礎通常通過在打入海底的管樁頂部澆筑鋼筋混凝土承臺 來構建，而風機的塔筒便直接固定在該承臺上。鑒于海洋工程中混凝土承臺的施工作業環境具有特殊性，其 面臨復雜多變的自然條件，包括高鹽霧侵蝕、高濕環境、潮汐周期頻繁更迭等挑戰。這些不利因素不僅顯著 增加了現場施工的技術難度，也對后期維護工作構成了極大障礙。因此針對此類混凝土結構，對其防腐防污 涂層的性能提出了更為嚴苛的標準，理想情況下，涂層的防護周期應盡可能延長，以確保結構在服役期內的 長期穩定性與耐久性。下文將依據部件的具體部署位置，對其腐蝕控制措施展開系統性闡述。
根據腐蝕環境的分類，處于海洋大氣區為風輪葉片、風輪導流罩、機艙罩、塔筒筒體、浮式平臺，海上 風機塔筒大部分處于海洋大氣區，塔筒外表面防腐涂料體系一般采用富鋅底漆+環氧云鐵中間漆+脂肪族聚 氨酯面漆，這種防腐方法是海上風能裝備常用的三層涂料組合防護技術，各層分工明確、相互配合，實現對 金屬結構的長效防腐：底層的富鋅底漆直接接觸金屬表面，鋅成分能主動犧牲自身、保護鋼材不被腐蝕，同 時增強與金屬的附著力，相當于給金屬“穿”了一層“防銹底衣”。中層的環氧云鐵中間漆夾在底、面漆之 間，像“防護緩沖層”，能進一步阻擋海水、鹽霧等腐蝕介質滲入，還能提高整體涂層的厚度和強度，讓防 護更耐用。面層的脂肪族聚氨酯面漆是最外層的“防護罩”，耐海水、耐日曬雨淋，能抵抗海洋大氣中的鹽 霧、濕度侵蝕，同時保持表面平整，減少灰塵、鹽分堆積，延長整個涂層的使用壽命。
飛濺區中往往會周期性地被海水短暫浸潤，這種持續的干濕循環現象，使得金屬材料極易發生腐蝕。研 究表明在這種惡劣條件下，普通碳鋼的腐蝕速率顯著高于塔架其他部位。鑒于海上風機底部結構長期暴露 于此類極端環境，工程實踐中通常會選用無機環氧涂層或玻璃鱗片環氧涂層作為主要的防護手段，以有效 抵御腐蝕，保障塔架結構的長期安全運行。
在潮汐漲落過程中，水位處于高低交替變化的區域被定義為潮差區。此區域內風機基礎的鋼結構塔架長 期反復暴露于周期性干濕交替的環境中，這種持續的濕潤與干燥循環作用顯著加速了鋼鐵材料的腐蝕進程。 此區域是海洋風電設備實施防腐處理的關鍵環節。通常金屬設備的表面預處理多采用鋅鉻膜涂層技術，其 作用是在材料的截面處構建一層防護屏障；對于電氣元件的密集布置區域，則需實施密封防潮與散熱降溫 措施，以此降低腐蝕進程的速率。
在全浸區中，風機導管架平臺的中下部結構以及鋼鐵材質的樁腿等構件長期處于海水的持續浸泡狀態。 在此環境下溶解氧、海流運動、水體鹽度變化以及海洋生物附著等多重因素，均會對鋼鐵材料產生復雜的腐 蝕作用。相較于大氣區，全浸區的腐蝕速率更為顯著；然而其腐蝕程度又明顯低于周期性干濕交替的飛濺 區。當前工程實踐中，普遍采用陰極保護技術與重防腐涂層相結合的復合防護體系，以協同提升海上裝備的防腐蝕效果與服役耐久性。在此情形下為進一步提升涂覆作業的效能，全浸區域的表面處理通常采用與潮 差區域相同類型的防護材料，只是在涂覆厚度方面進行適當縮減。
海泥區主要由飽和海底沉積物構成，是一種比較復雜的腐蝕環境。在近岸及潮間帶區域安裝樁基式風力 發電機時，需將鋼制樁體插入海泥環境。該區域因同時具備土壤腐蝕特性與海水侵蝕行為，構成了極具挑戰 性的腐蝕體系。針對此類工況，工程實踐中常于樁身水下外壁設置鋅合金塊，通過犧牲陽極的陰極保護技 術，對鋼制樁體實施有效的腐蝕防護。在實際應用中，防腐涂料亦是可選方案之一，其施工時所形成的防護 層通常無需過厚，便能滿足基本的防腐需求。
海洋風電設備系統的抗生物污損措施關鍵在于采用防污涂料。作為當前應用最為廣泛的海洋風電防污 手段，自拋光共聚物涂料在潮差區、全浸區和海泥區展現出卓越效能。低表面能涂層與仿生防污涂層憑借其 環境友好特性，無需依賴有毒殺生劑即可實現防污效果。除此之外對海洋能裝置進行周期性的檢測與養護， 同樣是抑制生物附著的關鍵措施。圖 4 展示了針對海上風電設備系統實施分區防護的具體方案。
 圖 4 海上風能裝備系統分區域防腐防污方式示意圖Fig.4 Schematic diagram of anti-corrosion and anti-fouling methods of offshore wind energy equipment system by region
3.2 波浪能裝備系統
波浪能發電裝置的主流類型包括鴨式、振蕩水柱式、振蕩浮子式及擺式等。這類裝置通常由能量采 集單元與能量轉換單元構成，部分設備還需附加固定或漂浮的安裝基座。安裝基座多采用半潛式結構體，例 如船體型浮體或固定式樁基。采集單元直接響應波浪力作用，將海洋表面波動能量轉化為裝置自身的機械 動能、液壓介質的壓力能或水體的位能等；轉換單元則進一步將所采集的波浪能轉化為特定形態的機械能， 或直接輸出為電能。安裝基座的主要功能是承載多組采集與轉換單元，通過單套錨泊系統即可實現多個波 浪能裝置的集群化部署。
波浪能發電裝置通常借助浮體或搖板等結構來收集海洋表面的動能，這類設備長期暴露于潮差變化顯 著的浪濺區域，通常為實現防護目的，會優先選用重防腐涂料體系，或通過噴涂金屬鍍層并輔以封閉涂層的 復合防護工藝。
轉換系統通常不會直接暴露于海水之中，多被固定在作業平臺之上，或者借助防護外殼將其封閉于一個 獨立的艙室環境內。這類設備的主要防護挑戰在于抵御海洋大氣中鹽霧的侵蝕作用，其工作環境屬于典型 的海洋大氣腐蝕區域。針對普通鋼材制造的零部件，其防護策略需根據工作狀態差異化實施：在非工作區域及非配合表面，可采用金屬噴涂結合封閉涂層的復合防護技術；而在運動接觸或配合表面，則應選用專用潤 滑脂以形成有效保護屏障。對于機艙外殼、導流罩等主機外圍護罩結構，以及軸承座、齒輪箱殼體、發電機 端蓋等涉及旋轉運動部件的結合面，均應通過專項密封設計來構建有效的物理隔離屏障，以阻斷腐蝕性介 質的侵入路徑。
波浪能發電裝置所配備的安裝基座長期暴露于復雜多變的海洋腐蝕工況下，其主體結構通常采用鋼筋 混凝土或者鋼材構建而成。鑒于此類平臺在海洋大氣帶與全浸區域的覆蓋面積較為廣闊，因此，針對不同區 域的防腐蝕技術方案，需綜合考量設計水深、預期波高、目標使用年限以及具體的海洋環境區劃進行差異化 設計與實施。對于海洋大氣區，當前主流的防護手段主要包括高性能防腐涂料體系的涂裝處理，或采用金屬 噴鍍結合封閉涂層的復合防護工藝。在進行表面涂裝時，應選用具備優異耐候性能的涂料體系，其中聚氨酯 類面漆是較為常用的選擇。在防護體系構建方面，對于暴露于惡劣環境的區域，可考慮選用氟碳基涂料或聚 硅氧烷類等涂層。在飛濺區，重防腐型涂層體系的應用是關鍵，或通過金屬噴涂結合封閉涂層的方式實施防 護，亦或采用包覆玻璃鋼、合金材料以及樹脂砂漿等創新技術手段。在潮差區，通常采用犧牲陽極與涂層協 同防護的策略。而在全浸區除了犧牲陽極與涂層聯合保護外，若施工條件允許，單獨采用陰極保護技術亦是 可行方案。至于海泥區，陰極保護為主要防護手段，若存在特殊需求，可輔以涂料防護措施。
在波浪能裝備系統的防污技術中，需依據不同組件的特性差異化選用防護技術。對于浮體表面及能量采 集板等長期處于靜態狀態的大面積區域，可優先考慮硅基防護涂層或仿生防污涂層；而針對完全浸沒于水 體的結構部件，則可采用自拋光型防污涂層或具備環境可降解特性的防護材料；至于鉸鏈、軸承等動態活動 部件，為避免機械維護操作對設備運行精度的潛在影響，建議采用超聲波輔助與防護涂層相結合的綜合防 污策略。波浪能裝備系統的分區防腐防污設計方案如圖 5 所示。
 圖 5 波浪能裝備系統分區域防腐防污方式示意圖 Fig.5 Schematic diagram of anti-corrosion and anti-fouling methods of wave energy equipment system by region
3.3 潮汐能裝備系統
海洋潮汐乃是月球及太陽引力與地球自轉這兩種力量共同作用下，在海面形成的周期性漲落現象。當海 水在鉛直方向發生水位升降時，此現象被稱作潮汐；而當海水在水平方向產生定向流動時，則稱之為潮流。 全球各個海域每日都會經歷漲潮與退潮現象[95]。相較于其他可再生能源形式，潮汐能展現出穩定且可靠的 獨特優勢，其輸出不受氣象條件等自然變量的明顯干擾。此外，潮汐能發電裝置的運行維護成本相對較 低，且其設備壽命較長。
潮汐能裝備系統主要包含幾個關鍵部分，每一部分都需要針對性的防護策略。首先是潮汐渦輪機，它是 轉換潮流動能的核心，包含葉片、輪轂、傳動系統和支撐結構。葉片作為直接承受高速水流沖擊和生物附著的部件，通常選用高強度、耐腐蝕的復合材料制造，并在表面涂覆耐磨、低表面能的污損釋放型防污涂料， 利用水流自然沖刷掉附著生物。輪轂和傳動系統外殼等關鍵金屬部件，則優先采用超級雙相不銹鋼或鎳基 合金，并在其表面施加多層高性能環氧/聚氨酯防護涂層。對于內部的鋼制傳動軸等，則實施陰極保護，并 填充特殊防腐潤滑脂[99]。
固定裝置（例如塔架、樁基）將渦輪穩固于海底基巖，這些結構長期處于海水的持續浸泡之中并暴露于 潮差區和飛濺區。為應對此類惡劣工況，這些水下構件通常會采用多層重防腐涂料體系進行防護，并且輔以 犧牲陽極的陰極保護技術。潮差區和飛濺區通常會采用加厚涂層、鋪設耐磨襯里等強化措施，部分關鍵部位 甚至會通過局部鑲嵌蒙乃爾合金或鈦合金等耐腐蝕合金材料，以進一步提升其抗腐蝕與抗磨損能力 。
在潮汐能發電站的水利樞紐工程里，像攔河大壩、水閘以及導流槽這類水工建筑承擔引導水體流動的關 鍵功能。為保障這些混凝土構建物的長期穩定性，必須采用具備優異抗海水侵蝕性能的超高性能混凝土。對 于內部鋼筋結構，應優先選用環氧涂層鋼筋，同時輔以外加電流式陰極保護技術，以全方位提升鋼筋的耐蝕 能力。針對閘門的關鍵易損區域，如啟閉頻繁或摩擦較為劇烈的部位，則會額外設置不銹鋼覆層以增強耐磨 性與抗損傷能力。此外為防止流道內壁因生物附著而導致過流斷面減小，會在該區域施涂專門的防污涂料。
在海洋能源傳輸系統中，水下電纜與連接裝置是實現電力高效輸送的核心組件，而金屬防護結構及接口 部位則構成了保障系統長期穩定運行的關鍵環節。針對電纜的鎧裝防護，工程實踐中常采用具備高耐腐蝕 性的鍍層鋼絲或鋁制護套的措施。在船舶及海洋工程結構體的關鍵貫穿區域，必須采用專用水密填料函。 針對各類輔助系統，包括但不限于管路、泵閥、傳感探測元件等，其防腐蝕與防生物附著設計需進行差異化 考量：對于與海水直接接觸的輸送管道，優先選用銅鎳合金材質；若采用鋼制管道，則應在其內壁涂覆高性 能防腐涂層或內襯橡膠層，同時對管道外部實施全面的防腐處理，以形成雙重防護體系。關鍵部件如閥門與 泵體通常采用雙相不銹鋼或專用青銅材質。對于精密傳感視窗，藍寶石或石英玻璃是常用材料，同時可通過 局部紫外線輻射或微型清潔刷裝置對其表面進行持續維護。圖 6 展示了潮汐能裝置系統在不同區域的防 腐與防污策略。
 圖 6 潮汐能裝備系統分區域防腐防污方式示意圖 Fig.6 Schematic diagram of anti-corrosion and anti-fouling methods of tidal energy equipment system by region
3.4 海流能裝備系統
海流能發電裝置的基本原理，是借助海洋水體中持續穩定且流向相對固定的水流所蘊含的動能，來驅動 發電設備運轉。該類裝置的核心組件一般為水輪機，當高速海流沖擊水輪機的葉片時，會對葉片施加作用 力，進而促使葉輪按照固定方向持續旋轉。當葉輪以旋轉方式運動時，其動能會經由傳動機構高效地傳遞至 發電機裝置。海流能發電裝置其核心構成通常涵蓋以下關鍵組件：能量采集與轉換模塊，主要由水輪機 葉輪與發電主機組成。葉輪作為直接接收水流驅動力并實現轉動的核心部件；而發電主機則承擔將葉輪輸 出的機械旋轉能量轉化為可用電力的關鍵功能。承載與構造組件，對于水上作業平臺而言，此部分需配 備浮體以產生浮力，確保裝置穩定懸浮于作業深度；導流筒則包裹在渦輪外側；錨定系統則通過固定裝置將整個平臺穩固于海底基巖之上。至于防護與輔助模塊，首先是防護構造，例如在渦輪兩側設置的平行導流板 及板間的隔離欄，其作用為阻擋海洋廢棄物纏繞渦輪葉片，同時導流板亦可對海流走向起到一定的規整作 用；其次是控制單元，一般包含蓄電池組、主控計算機等設備，用于電能的存儲、輸出調控及裝置運行狀態 的實時監測。
在能量捕獲轉換單元中，針對葉輪、發電機等金屬構件，可采用仿生超滑表面涂層等高性能防護技術。 此外對于高速螺旋槳等關鍵部件，可應用高性能無錫自拋光防污涂料。在支撐與結構系統方面，主框架、 塔筒及機艙外殼等主體結構的防護需根據不同服役環境進行差異化設計。在大氣區，推薦采用環氧富鋅底 漆、環氧中間漆與聚氨酯面漆的復合涂裝體系。而對于全浸區，則可選用環氧玻璃鱗片涂料或聚合物基重防 腐涂層。針對系泊與固類工程構件，諸如鋼纜索、重力式錨具、負壓式錨定裝置等，可綜合運用涂層防護體 系與陰極保護技術進行協同防護。在重力錨的外表面施加環氧樹脂涂層，對于處于潮差區等易受強烈腐蝕 環境的部件，可借助海洋中波浪與洋流所蘊含的動能，驅動摩擦納米發電機運轉，進而產生周期性變化的電 場環境，從根本上抑制生物污損膜的形成。海流能裝備系統分區域防腐防污方式如圖 7 所示。
 圖 7 海流能裝備系統分區域防腐防污方式示意圖 Fig.7 Schematic diagram of anti-corrosion and anti-fouling methods by region of ocean current energy equipment system
3.5 溫差能裝備系統
海洋溫差能發電的關鍵機制在于借助海洋表層與深層水體間恒定的溫度梯度，驅動熱力學循環以產生 電力。具體而言工作流程如下：首先將上層溫度較高的海水引入蒸發器，用以加熱并使一種低沸點工質蒸 發，從而形成具有較高壓力的蒸汽；此蒸汽隨后驅動渦輪旋轉，進而帶動發電機輸出電能。完成能量轉換后 的低壓蒸汽，會進入冷凝器，在此被來自深海的冷水冷卻，重新凝結為液態工質；之后液態工質經工質泵加 壓處理，再次返回蒸發器，完成整個循環過程。表層溫暖海水與深層寒冷海水間存在顯著的溫度差，一般需 達到 20 攝氏度以上。在此條件下工質通過在系統內完成蒸發吸熱與冷凝放熱的相變過程，形成穩定的能量 傳遞，進而驅動渦輪機械運轉，最終將海洋的熱能高效轉化為可用的電能。
海洋溫差能發電體系的構成主要涵蓋四大關鍵模塊。其一為表層溫水處理單元，該單元由溫水采集裝 置、輸送管路、雜質過濾組件以及驅動水泵構成，后者將表層海水加壓并輸送至能量轉換的核心部件——蒸 發器。其二是深層冷水供應系統，包含深入深海的冷水采集口、具備耐壓特性的超長直徑垂直輸水管路、穩 固的管道支撐架構以及用于將深層低溫海水提升至熱交換裝置的高功率水泵。其三是工質能量循環模塊， 作為整個發電流程的能量樞紐，由蒸發器、驅動渦輪運轉的發電機組、實現熱量交換的冷凝器、推動工質循 環的專用工質泵以及連接各設備的密閉管路與控制閥門組成，特定的低沸點工質在此閉環系統內持續流轉 以完成能量傳遞。其四是電力匯集與輸出系統，其功能是對渦輪機組產生的原始電力進行電壓調整、電流轉換或穩定性優化處理，隨后通過海底輸電線路將凈化后的電力輸送至陸地電網或直接供給海洋作業平臺。
考慮到溫差能裝置長期暴露于高鹽高濕且生物附著嚴重的海洋環境中，系統內所有功能組件均必須進 行全面的防腐與防污處理。在核心熱交換系統方面，傳熱管與管板通常優先采用鈦合金材料，盡管該材 料成本較高，但其卓越的耐氯離子點蝕及耐電化學腐蝕性能，可顯著提升設備在海水中的長期穩定性。犧牲 陽極保護法和外加電流陰極保護技術被廣泛應用于管道內壁。與此同時工程實踐中常將管道內電解防污系 統與周期性低劑量化學藥劑投加方案相結合來保障取水管道的長期穩定運行。海洋工程中與水體直接接觸 的各類金屬構件，例如泵體外殼、控制閥門、輸送管道的外表面以及支撐架構等，均應實施多層防護處理。 核心防護措施包括涂覆具備高強度抗腐蝕性能的防護涂層，如環氧樹脂、聚氨酯或玻璃鱗片增強型涂料，同 時輔以陰極保護技術。針對易受海洋生物黏附的設備外部，通常采用添加防污毒劑的自拋光型防污涂料或 有機硅基低表面能防污涂層，其主要功能在于抑制海洋附著生物的滋生，從而有效降低流體阻力，保障設備 的熱交換效率。溫差能裝置系統的分區防腐防污設計方案如圖 8 所示。
 圖 8 溫差能裝備系統 Fig.8 Temperature difference energy equipment system
3.6 鹽差能裝備系統
利用不同水體間的鹽濃度梯度如海水與淡水來獲取能量的技術，被稱為鹽差能。其核心機制是滲透作用 的應用。當兩種具有不同鹽度的溶液被半透膜分離時，水分子會自發地從鹽濃度較低的一側向鹽濃度較高 的一側滲透，這種水分子的定向遷移會形成滲透壓，或直接驅動離子進行定向移動，從而實現能量的轉化與 利用。當前主流的技術手段涵蓋反電滲析與壓力延遲滲透兩種方式。在反向電滲析技術里，溶液中的鹽度差 異會促使帶正電與負電的離子，借助交替布置的陰離子交換膜和陽離子交換膜，朝特定方向移動。這種離子 的定向遷移過程，能夠在膜堆兩端的電極間形成穩定的直流電輸出。壓力延遲滲透工藝其核心原理是，當淡 水與高壓海水在半透膜兩側形成接觸時，水分子會自發地從鹽度較低的淡水區域向鹽度較高的海水區域滲 透。這一滲透現象會導致海水側的靜水壓顯著上升，隨后，這部分具有較高能量的高壓水可直接用于驅動渦 輪發電機組運轉，進而實現電能的轉化。
一個完整的鹽差能轉換裝置由若干緊密耦合的關鍵組件構成。其首要環節為溶液的凈化與輸運模塊， 該模塊的功能是將咸水與淡水引入系統內部，一般包含取水設施、加壓泵、流體管路、控制閥門以及不可或 缺的前期過濾設備，用于清除水中可能對膜結構造成阻塞的懸浮顆粒物、水生藻類或微生物群落。再者能量 轉換是系統的核心環節，其構成因技術路線而異。在反電滲析技術中，該單元以交替排列的陰離子交換膜與 陽離子交換膜為核心構建膜堆，并通過位于膜堆兩端的電極及電解液室實現電流的高效收集與傳導。而壓 力延遲滲透系統的能量轉換核心，則聚焦于承受顯著壓力梯度的關鍵半透膜模塊，同時輔以壓力交換器等 設備對高壓側流體的壓力進行調控。能量轉換環節中，在反向電滲析技術架構內，電極所輸出的直流電往往 需借助逆變器的作用，轉化為可供系統運行的交流電；而在壓力延遲滲透過程中，高壓狀態下的水流則是直 接驅動水輪機或渦輪機，進而通過機械傳動方式帶動發電機完成能量轉化。系統的最后構成部分是調控與 輔助系統，其核心功能在于對流量、壓力、鹽濃度以及電壓電流等關鍵運行參數進行實時監測與精準調控，以此保障整個能量轉換系統的高效與穩定運作。
考慮到滲透能裝置長期暴露于具有強烈侵蝕性的海洋環境中，實施可靠的防腐蝕與防附著策略具有不 可或替代的重要性。作為能量轉化的關鍵組件，離子交換膜及半透膜的材質必須展現出卓越的耐酸堿侵 蝕性能，其表面常通過特殊涂層工藝進行處理，從而構建起兼具物理阻隔與化學防護的雙重屏障。在對溶液 進行處理及輸送的管路系統、控制閥門、輸送泵體以及承壓設備等金屬構件的防護設計中，核心策略在于甄 選具備耐化學侵蝕性能的工程材料，諸如超低碳不銹鋼、鈦合金以及氏合金等特種合金材料。與此同時針對 關鍵部件的表面處理亦至關重要，可通過涂覆高性能防腐涂層或構建陰極保護系統來實現，其中后者可采 用犧牲陽極法或外加電流法。同時科研領域正致力于研發具備本征抗黏附特性的新型表面材料，以及集成 化的在線監測系統，旨在實現污垢生成過程的精準預警與清洗周期的智能調控。圖 9 展示了鹽差能裝置 系統分區防腐防污的具體實施方案。
 圖 9 鹽差能裝備系統分區域防腐防污示意圖 Fig.9 Schematic diagram of salt differential energy equipment system by regional anti-corrosion and anti-fouling
3.7 海上光伏能裝備系統
海上光伏能裝備系統的核心機制是借助太陽能電池板將太陽輻射能直接轉換為電能，其顯著特征在于 將整套能量轉換裝置安放在海洋環境里。從能量轉換原理而言，與陸地光伏系統并無差異，均遵循光伏效應 的基本規律：當由特定半導體材料構成的光伏電池受到陽光照射時，光子會使電池內部的電子被激發，進而 產生直流電。然而海洋環境所產生的顯著降溫作用，往往有助于增強光伏組件的光電轉換效能，其核心原因 在于，太陽能電池在低溫工況下通常展現出更為出色的運行表現。
一個典型的海上光伏能系統主要由以下幾個核心部分組成：首先是光伏組件本身，即太陽能電池板，它 們是能量轉換的核心，通常被封裝在堅固的框架和防護玻璃下；其次是浮體結構，負責承載光伏組件并使其 穩定漂浮在水面上，這些浮體可以是剛性平臺、柔性薄膜浮體或充氣式結構；第三是錨固系統，通過錨鏈或 纜繩將整個浮式平臺牢牢固定在預定海域的海床上，或通過樁基支撐上部光伏組件，防止其漂移；第四是電 力收集與傳輸系統，包括水下電纜、匯流箱、逆變器以及升壓變壓器等，用于將產生的電力高效輸送至岸上 電網或儲能設施；最后是監控與控制系統，用于實時監測系統性能、環境參數并進行必要的遠程操作。
針對光伏板組件而言，其外部的鋁合金邊框及內部的接線盒均需采用特制的防腐涂層技術，具體包括多 層環氧樹脂、聚氨酯或者氟碳材料的涂覆工藝，同時必須保障接口處具備卓越的密封性能，以此有效阻隔海 鹽霧氣與潮濕水汽對組件內部線路及太陽能電池片的侵蝕破壞。浮體架構的構建材料必須具備卓越的抗腐 蝕性能，可優先選用高密度聚乙烯、纖維增強塑料等高分子材料，或對混凝土、金屬基材實施專項防腐工藝 處理，以提升其耐介質侵蝕能力。針對金屬構件，特別是鋼制連接節點與水下錨固裝置，陰極保護技術是目 前應用最廣泛的長效防護手段。海洋電力輸送系統的核心構成要素為水下電纜，其外部防護體系包含多層關鍵技術。首先電纜的護套材料需具備卓越的阻水性能與抗腐蝕能力，通常選用高阻水、耐酸堿的特種復合 材料。其次為增強機械強度與耐久性，鎧裝結構一般通過鍍鋅工藝處理低碳鋼或采用鎳基耐蝕合金材料。最 后在電纜接頭部位，采用多重冗余密封設計，并灌注專用的防水絕緣膠 。
海上光伏能裝備系統領域目前應用最為廣泛的防污手段是防污涂料。傳統型防污漆，如含銅或有機錫成 分的產品，或者不含錫元素的自拋光共聚物漆，以及以硅酮為基礎的低表面能防污漆。物理防污策略主要涵 蓋兩類核心途徑：其一通過在易受污損的關鍵結構部位加裝防污涂層帶，形成物理屏障以阻隔海洋生物；其 二采用表面微納結構設計技術，利用仿生微結構或超疏水表面改變生物與基底的接觸狀態，從而抑制附著。 此外電化學防污技術作為另一重要技術路徑。為確保水下機器人系統的長期穩定與高效作業，定期對其進 行水下探測與清潔維護，或根據表面附著生物及污垢的積累情況實施人工保養，也是保障設備持續發揮效 能的關鍵環節。圖 10 展示了針對海上光伏電站各類裝備單元所采用的差異化區域防腐與防污處理方案。
 圖 10 海上光伏能裝備系統分區域防腐防污示意圖 Fig.10 Zonal anti-corrosion and anti-fouling schematic diagram of offshore photovoltaic energy equipment system
根據前文，不同的海洋能裝備系統的防腐和抗生物污損技術如表 5 所示。
表 5 不同的海洋能裝備系統的防腐與抗生物污損技術 Tab.5 Corrosion protection and antifouling technologies for different marine energy equipment systems 
4 當前海洋能裝備系統面臨的挑戰
4.1 單一防腐防污材料的環境通用性不足
海洋生態系統的不同區域在腐蝕行為上呈現出顯著的特異性，單一的防護技術往往難以應對復雜多變 的腐蝕挑戰。針對特定海域環境，必須制定并實施具有針對性的防腐防污策略。以浪濺區為例，在此環境下 若僅依賴傳統的單一涂層防護方式，極易因機械力的反復沖擊而導致涂層體系失效，無法提供持久有效的 保護。針對部署于遠洋深海或特殊作業環境的裝備而言，其面臨的溫度波動更為嚴酷，比如在高溫海水與極 寒介質之間發生的驟然轉換。這種急劇的熱脹冷縮現象，將對防護涂層與基材之間的力學匹配性能提出嚴 苛挑戰。
4.2 長效防護問題與運維成本較高
海洋環境中存在的多因子耦合腐蝕使得長效防護問題較難解決，陰極保護中犧牲陽極需定期更換，外加 電流系統依賴持續供電與監測，深海維護困難。復雜海洋能結構易形成腐蝕死角，潮汐能渦輪葉片高速水流 沖擊加劇涂層磨損。現有材料的服役壽命普遍較短，無法滿足海洋能裝備 20~30 年的設計壽命要求，導 致頻繁維護和高昂運維成本，制約了海洋能產業化發展。對于現有材料的工作壽命問題，需進一步研究才能 實現結構長效安全運行和運維成本較低的目標。
4.3 實驗室環境模擬結果較難準確預測實際工程壽命
在科研實踐中，實驗室環境的模擬往往難以做到盡善盡美。如傳統的鹽霧腐蝕試驗裝置，其功能相對單 一，主要聚焦于特定的鹽霧條件，卻無法精準再現海洋大氣中紫外線的持續照射、海水動力帶來的機械磨 損，以及微生物群落附著滋生等多種環境因素的協同作用，這直接造成了實驗數據與實際應用場景之間出 現偏差。
4.4 實際大量使用的有機聚合物涂料多含有毒有害物質
當前廣泛應用的有機高分子涂料，在其制造環節往往會產生若干有毒有害成分，進而造成生態環境的負 面影響。以應用歷史悠久且應用范圍廣闊的環氧樹脂為典型例證，其生產過程幾乎無法脫離雙酚 A 的使用。 雙酚 A 作為一種應用領域極廣的化工原料，因人類各項活動的影響，已在河流等水體環境及其棲息生物體 內被頻繁檢出，甚至在人體的血液、尿液等生理體液中也能發現該物質及其代謝產物的存在。其 他一些類型的防護膜與環氧涂層具有相似特性，這些防護膜系在施工階段會釋放出易揮發的有機化合物， 這些物質不僅對周邊大氣生態系統構成潛在威脅，也會對從事涂裝作業人員的身體健康造成不良作用。此 外當涂層經過老化而發生剝落時，因其通常難以自然降解，會在生物體內不斷累積。這種累積不僅對生態平 衡構成潛在威脅，也可能通過食物鏈等途徑對人類的健康狀態產生不容忽視的危害。因此開發對生態系統 擾動更為輕微、更具環境友好特性的海洋防腐涂料已成為當務之急。
5 未來展望
從當前研究趨勢看，海洋能裝備防腐與抗生物污損技術未來發展的核心方向在于數字孿生技術與實時 監測系統的深度整合。這一趨勢標志著傳統的非在線檢測模式正經歷一場顛覆性的革新。過去，很多地方依 靠人工定期巡查或實驗室樣本分析來檢測設備，這種方式往往存在明顯的時間差，無法實時追蹤設備在復 雜海洋環境中遭受的腐蝕與附著情況。現在，最新一代技術體系會在導管架、葉片及密封件等核心部件部署 高密集度、超小型化的在線監測傳感系統，動態采集腐蝕速度、涂層完整性、海洋生物附著密度等關鍵性能 參數，同時記錄水溫、鹽度、水流速度及波浪力等海洋環境要素。通過物聯網技術，這些數據能實時傳輸和 高效整合。和傳統的方式不同，這種機制實現了從“消極應對”向“積極預判”的轉變，為風險的早期識別與預警打下了堅實基礎。依托數字孿生技術架構，大數據分析與人工智能算法的深度融合，能增強系統 的安全防護效能與設備運維管理水平，在裝備剩余壽命預測及智能決策支持領域有很大應用價值。傳統 的預防性維護模式依賴預設的固定檢修周期，容易出現兩種問題：一是過度維護，造成資金和資源浪費；二 是維護疏漏，可能引發設備突發性故障。未來的技術生態里，會構建一個貫穿裝備完整服役周期的數據中 樞，融合多維度信息資源，比如實時采集的設備運行狀態數據、海洋環境歷史記錄、裝備初始設計參數、材 料性能指標，還有日常維護與故障處理檔案。借助大數據技術對多源異構信息進行清洗、整合與挖掘，能揭 示不同海洋環境下腐蝕與污損現象的內在規律。融合機器學習算法后，不僅可以識別早期腐蝕的微弱信 號特征，還能依據設備失效歷史數據構建剩余壽命預測模型，評估防護涂層剩余使用壽命以及關鍵部件風 險等級。在此基礎上，人工智能技術能為預防性維護策略提供智能決策支持。比如說，當系統預測到某區域 涂層將在未來數月內失效時，會綜合考量海洋氣象條件、現有運維資源等因素，自動生成最優的維修時機、 材料選擇以及修復范圍方案，實現更精準高效的運維管理目標。
從長遠的發展規劃和實際產業應用來看，未來的技術體系會更強調不同領域之間的配合與智能技術的 結合，還會通過把不同學科的知識深度融合來解決一些關鍵難題。傳統的化學防污劑雖然能在短時間內阻 止海洋生物附著在設備表面，但它可能會對海洋環境造成污染，這和海洋能源持續發展的核心想法是沖突 的。在構建對環境友好的防護系統時，智能技術會和生態防護的方法結合得更緊密。比如研究人員參考了天 然防污物質的工作原理，做出了一種能根據情況自動反應的緩慢釋放裝置。這個裝置用數字孿生技術， 能一直實時觀察和判斷表面有沒有生物附著。當觀察到的數據到了提前設定的警戒值時，裝置就會精準放 出少量防污劑，這樣就不會像傳統方法那樣一次性使用過多化學藥劑，減少了對生態的危害。面對深海、極 地這些特殊地方的防護問題，需要把不同學科的知識和力量集中起來。材料學領域在研究能承受高壓、抵抗 低溫變化還能自己修復的新型涂層；海洋工程學科通過分析結構力學，給防護系統提供重要的數據支持；人 工智能領域在研究能在惡劣數據環境下正常工作的抗干擾計算方法；生態學研究則在評估各種防護措施對 生態系統的影響，確保這些措施不會破壞環境。
綜上所述，海洋能裝備防腐與抗生物污損技術的未來發展，會朝著數字化、智能化和生態化的方向走，依靠數字孿生、大數據、虛擬仿真這些先進技術，改變傳統防護方法被動應對的局面。這些技術不僅能讓裝 備更可靠，防護效果更持久，還能通過收集不同海域的實際運行數據，找出防護系統失效的原因和薄弱的地 方，為技術更新提供依據。長遠來看，這些技術突破會推動海洋能產業實現綠色、高效和持續發展，降 低整體的開發成本，助力“雙碳”目標的實現。同時還能讓我國在海洋能源技術領域的國際競爭力更強，為 建設海洋強國提供關鍵的技術支持。
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