海洋是國家戰(zhàn)略資源的重要基地，提高海洋資源發(fā)展能力，對于實施海洋強國戰(zhàn)略，促進(jìn)經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義。然而在海洋服役環(huán)境中的基礎(chǔ)設(shè)施和重要工業(yè)設(shè)施腐蝕問題嚴(yán)重，腐蝕已經(jīng)成為影響船舶、近海工程、遠(yuǎn)洋設(shè)施服役安全、壽命、可靠性的最重要因素，倍受世界各國政府和工業(yè)界的高度重視。隨著“一帶一路”規(guī)劃的起航，“海洋強國”戰(zhàn)略的確立，海洋資源的開發(fā)逐步邁向超過 300 米的海域，對于在深海的嚴(yán)酷服役環(huán)境下的材料有了新的要求，因此，大力發(fā)展海洋防腐新材料和新技術(shù)，保障海洋設(shè)施安全與可靠性、延長海洋工程裝備的使用壽命刻不容緩。為了科普海洋材料腐蝕防護(hù)相關(guān)知識，推動海洋防腐新材料和新技術(shù)的發(fā)展，記者特邀請到哈爾濱工程大學(xué)孟國哲教授做相關(guān)方面的解讀。

    孟國哲，哈爾濱工程大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會常務(wù)理事，國際期刊 Global Journal of PhysicalChemistry、中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報編委。長期從事海洋環(huán)境下材料的腐蝕與防護(hù)研究工作，作為項目負(fù)責(zé)人承擔(dān)國家級科研課題多項。

    記者：隨著“一帶一路”規(guī)劃的起航， “海洋強國”戰(zhàn)略的確立，海洋資源拓展項目成為目前海洋發(fā)展的重中之重，海洋資源的開發(fā)逐步朝著超過 300 米的深海。然而腐蝕問題成為海洋發(fā)展絆腳石，請您談?wù)勆詈－h(huán)境腐蝕的現(xiàn)狀及建議？

    孟教授：從上個世紀(jì) 60 年代，美國國家海軍工程實驗室（Naval CivilEngineering Laboratory） 就 開 展 了 為 期10 年的深海環(huán)境對材料服役行為影響的研究，通過分析 169 種合金在實際深海環(huán)境中浸泡 1 年的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)大部分材料的腐蝕速率與海水中的含氧量密切相關(guān)，隨著海水含氧量的增加而增大。對腐蝕行為與表面鈍化膜或表面腐蝕產(chǎn)物膜相關(guān)的合金（如不銹鋼、鋁合金、鎳合金等）而言，其腐蝕速度隨含氧量的變化出現(xiàn)了較為奇怪的變化，認(rèn)為陰極過程中氧的主導(dǎo)地位在下降，陰極析氫的作用在加強。印度國家海洋技術(shù)研究所用實海掛片方法研究了碳鋼在 印 度 洋 中 500m、1200m、3500m 和5100m 深度的腐蝕行為，表明深海環(huán)境中氧濃度仍然是影響均勻腐蝕過程的主要因素，中碳鋼在深海中的腐蝕速度隨海水氧濃度降低而減小。Melchers 綜述了中碳鋼在不同地域不同深度海水中的腐蝕數(shù)據(jù)，認(rèn)為海水含氧量和溫度是影響腐蝕失重的重要參數(shù)，腐蝕失重隨浸泡時間延長而不斷變化，似乎與海水深度無關(guān)。此外，世界各國的研究者還進(jìn)行了實驗室模擬研究，詳細(xì)探討深海諸多影響因素中某一因素的影響規(guī)律，這些研究主要集中于模擬深海環(huán)境巨大的靜水壓力對材料腐蝕行為的影響方面。

    Beccaria 等較為系統(tǒng)地研究了靜水壓力對不同材料腐蝕行為的影響，發(fā)現(xiàn)隨著靜水壓力從 1atm 增加到 300atm，鋁合金的腐蝕速度逐漸增大，點蝕敏感性增強，其陽極過程受到促進(jìn)，陰極過程基本不變，認(rèn)為其原因是靜水壓力增加了氧化膜中氯離子、硫酸根離子含量，從而降低了氧化膜的穩(wěn)定性。他們對不銹鋼在靜水壓力下的腐蝕行為研究表明，高的靜水壓力使得 Mo 元素增強不銹鋼耐點蝕能力的作用發(fā)生逆轉(zhuǎn)。

    與淺海環(huán)境相比，深海環(huán)境存在巨大靜水壓力， 此外， 溶解氧、 溫度、 pH值、鹽度、海洋生物等因素與表層海水環(huán)境因素也明顯不同，因而具有其獨特的環(huán)境特性。這種服役環(huán)境的變化往往使得淺海環(huán)境下性能優(yōu)良的材料在深海環(huán)境中發(fā)生耐蝕、力學(xué)等性能的顯著變化。

    在深海環(huán)境條件下，這種材料性能惡化導(dǎo)致的失效構(gòu)件很難進(jìn)行更換或維修，甚至直接引發(fā)嚴(yán)重的工程事故，所以深海環(huán)境下對材料結(jié)構(gòu)和功能可靠性的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陸地和淺海環(huán)境下。對海工材料在深海環(huán)境中的腐蝕行為及與之相關(guān)的力學(xué)性能退化現(xiàn)象進(jìn)行研究并發(fā)展相應(yīng)的防護(hù)技術(shù)成為人類進(jìn)行海洋資源開發(fā)過程中必須解決的一個重要課題。

    記者：隨著深海開發(fā)的邁進(jìn)，海洋腐蝕環(huán)境更加嚴(yán)酷，請您談?wù)勗谶@些環(huán)境下對材料和技術(shù)有哪些新的要求？

    孟教授：相比較而言，我國在淺海環(huán)境方面的研究已較為深入，尤其是國家材料環(huán)境腐蝕平臺，通過眾多海洋大氣、水環(huán)境站點多年的辛勤努力，積累了大量工程材料在海洋大氣、淺海環(huán)境中長期腐蝕的豐富數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)已經(jīng)在我國海洋經(jīng)濟的建設(shè)發(fā)展中發(fā)揮著中要的指導(dǎo)作用。

    在深海環(huán)境方面，我國這方面的發(fā)展還較為滯后。自 2005 年開始，國內(nèi)中船重工 725 所、北京科技大學(xué)、中國科學(xué)院金屬研究所和哈爾濱工程大學(xué)相繼開展了實海及實驗室模擬深海環(huán)境下材料腐蝕行為的研究，開始關(guān)注深海靜水壓力對材料腐蝕行為的影響，發(fā)現(xiàn)隨著靜水壓力的增大，這些材料的腐蝕性能發(fā)生了不同程度的惡化，認(rèn)為其原因是靜水壓力造成了表面腐蝕產(chǎn)物膜的不穩(wěn)定。因此，需要對工程材料在深海環(huán)境下腐蝕適應(yīng)性進(jìn)行大量細(xì)致的研究和實海掛樣長期腐蝕數(shù)據(jù)的積累，針對深海腐蝕特點積極研發(fā)耐深海腐蝕的新的海洋工程材料高強鋼是制造深海裝備的主要結(jié)構(gòu)材料之一，高強鋼在工作載荷下服役時，會遭受深海環(huán)境介質(zhì)的腐蝕。

    深海環(huán)境因素的變化會導(dǎo)致其腐蝕行為發(fā)生變化：隨著海水深度的增加，海水含氧量會顯著下降（尤其 700 米左右），這時腐蝕過程的陰極過程會發(fā)生一系列的變化，淺海環(huán)境下可以忽略的氫還原反應(yīng)會逐漸成為主要的陰極反應(yīng)，加之微生物代謝造成的局部酸化或陰極保護(hù)，會產(chǎn)生大量氫原子。而高強鋼對氫原子很敏感，這些氫原子進(jìn)入鋼基體，會造成高強鋼力學(xué)性能的顯著下降。因此，開展高強鋼在深海條件下氫損傷行為的研究就成為保障高強鋼安全服役的前提，在此基礎(chǔ)上研發(fā)適合深海環(huán)境的高強鋼。

    對淺海腐蝕防護(hù)手段而言，海洋重防護(hù)涂層和陰極保護(hù)（犧牲陽極或外加電流陰極保護(hù)）的聯(lián)合應(yīng)用是常用的最有效的保護(hù)技術(shù)，但這一技術(shù)在深海環(huán)境下效果如何？深海靜水壓力、低含氧量對犧牲陽極的放電效率影響如何？深海靜水壓力對涂層滲透性的影響如何（已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在深海 / 淺海交變環(huán)境中涂層極其容易發(fā)生剝落）？這些都需要詳盡細(xì)致的研究來澄清和大量的實海數(shù)據(jù)來證明。因此，發(fā)展完善深海電化學(xué)防護(hù)技術(shù)成為我國海洋經(jīng)濟發(fā)展所面臨的一個重要課題。

    海洋生物腐蝕一直是材料腐蝕研究的一個重要課題，附著在工程材料表面海洋生物的新陳代謝產(chǎn)物會改變材料表面局部的環(huán)境介質(zhì)，甚至對材料表面涂層造成一定的破壞。目前，對淺海環(huán)境中生物腐蝕的認(rèn)識已經(jīng)較為深入，但對深海環(huán)境下海洋生物的種類及對材料腐蝕行為影響方面的研究還鮮見報道。因此，開展深海環(huán)境下材料生物腐蝕行為的研究及防護(hù)技術(shù)研究也成為深海裝備安全服役的必要前提。

    記者：作為業(yè)界專家，您多次完成國家重大的科研項目，請回憶一下您工作中印象深刻的一些案例？

    孟教授：海洋環(huán)境日益復(fù)雜，對材料腐蝕行為的影響也必然是多方面的，這就要求我們在解決實際腐蝕工程問題時要用多層次多角度的視野進(jìn)行分析考慮，有時還需要打破常規(guī)思維習(xí)慣。比如，我們曾經(jīng)遇到過某一船舶動力系統(tǒng)冷卻水出口處船體的腐蝕問題。乍一接觸，感覺是冷卻水造成的局部溫差電偶腐蝕。但經(jīng)詳細(xì)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)腐蝕部位是排水口周圍的船體（應(yīng)該為陰極），而不是溫度較高的排水口（應(yīng)為陽極），且排水口周圍船體部分安裝了鋅犧牲陽極。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，鋅犧牲陽極經(jīng)過一段時間服役幾乎沒有發(fā)生腐蝕溶解。后經(jīng)過模擬排水口處環(huán)境（溫度最高時可達(dá)60 多攝氏度），開展實驗室研究，發(fā)現(xiàn)鋅在 60 多攝氏度的海水中的腐蝕電位要高于船體鋼， 這是船體鋼反而成了 “犧牲陽極”，這與常溫海水條件下的情況正好相反。“癥結(jié)”已經(jīng)找到，尋找防止措施就比較容易了，建議冷卻水的流速加快，從而使排水口的水溫低于 60攝氏度。

    記者：請您談?wù)労Ｑ笮虏牧系奈磥戆l(fā)展趨勢？

    孟教授：在海洋服役環(huán)境中使用的耐腐蝕材料包括耐海水腐蝕鋼、耐腐蝕鋼筋、雙相不銹鋼、鈦合金、銅合金、復(fù)合材料、高分子材料、高性能混凝土。

    其中，金屬和鋼筋混凝土的使用量最大。

    耐腐蝕金屬材料是通過調(diào)整金屬材料中的化學(xué)元素成分、微觀結(jié)構(gòu)、腐蝕產(chǎn)物膜的性質(zhì)，實現(xiàn)降低電化學(xué)腐蝕的反應(yīng)速率，從而可以顯著改善金屬材料的耐腐蝕性。

    海洋新材料的發(fā)展趨勢必定是在滿足力學(xué)性能的前提下圍繞著“長壽命”這一課題來進(jìn)行。材料在海洋環(huán)境下的延壽可以從兩個方面來進(jìn)行，一是發(fā)展完善新環(huán)境下材料的防護(hù)技術(shù)，二是發(fā)展新的耐蝕材料，但這些都是以洞悉材料在不同海洋環(huán)境下的腐蝕規(guī)律和機理為前提的。因此，談到海洋新材料的未來發(fā)展趨勢可以歸為以下幾點：（1） 發(fā)展海洋長壽命重防腐涂料，尤其是適應(yīng)深海環(huán)境條件的重防腐涂料。（2） 研發(fā)適合深海環(huán)境應(yīng)用的犧牲陽極材料。（3）研發(fā)適合深海環(huán)境應(yīng)用的高強鋼，該類鋼應(yīng)該具備很高的抗?jié)B氫性、抗應(yīng)力腐蝕斷裂及較高的腐蝕疲勞性能。（4） 研發(fā)耐高速海水濺射、沖刷腐蝕的工程材料及防護(hù)技術(shù)。（5） 研發(fā)防深海微生物腐蝕的涂層材料及防護(hù)技術(shù)。

    后記：

    隨著“一帶一路”的起航，海洋材料須延壽，如何“延”？孟教授已給出詳細(xì)解答。當(dāng)務(wù)之急，大家應(yīng)攜手共進(jìn)，為實現(xiàn)“海洋強國夢”，為祖國的美好明天努力拼搏吧！相信在不久的明天我們偉大的祖國會再向世界遞交一張閃亮的名片！

    人物簡介

    孟國哲，男，1974年10月生，博士，哈爾濱工程大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會常務(wù)理事，國際期刊Global Journal of Physical Chemistry、中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報編委。長期從事海洋環(huán)境下材料的腐蝕與防護(hù)研究工作，作為項目負(fù)責(zé)人承擔(dān)國家級科研課題多項。目前在Corrosion Science、Electrochimica Acta、Scripta Materialia、Journal of The Electrochemical Society、中國科學(xué)、中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報等國內(nèi)外知名刊物發(fā)表論文60余篇。目前感興趣的研究領(lǐng)域有：表面改性對金屬材料腐蝕行為的影響；深海環(huán)境對常用海洋結(jié)構(gòu)鋼腐蝕行為的影響；環(huán)境-力交互作用對材料腐蝕行為的影響。