文|郭為民，孫明先，邱日，侯健，范林，逄昆，許立坤  中國船舶重工集團公司第七二五研究所海洋腐蝕與防護重點實驗室

　　我國“十三五”規(guī)劃綱要指出，要加強深海、深地、深空、深藍領(lǐng)域的高技術(shù)部署，其中，深海成為4個主要方向的首選方向，不僅因為深海蘊藏著豐富的海底礦產(chǎn)資源，為人類可持續(xù)發(fā)展提供廣闊空間，同時，深海也是海洋科技強國爭奪的重要領(lǐng)域。目前很多國家均加強了在深海研究及工程應(yīng)用方面的投入，許多海洋裝備被部署到深海。然而深海環(huán)境的溫度、鹽度、壓力、溶解氧、pH值、海水流速等因素與表層海水環(huán)境不同，具有其獨特的環(huán)境特性，尤其是深海巨大的壓力，給海洋工程裝備的設(shè)計、開發(fā)和使用帶來很多挑戰(zhàn)，同時，海水的高腐蝕性使裝備在水下面臨極大風(fēng)險，一旦發(fā)生腐蝕失效事故，損失巨大。墨西哥灣“深水地平線”平臺事故造成的損失和生態(tài)災(zāi)難記憶猶新。因此，研究深海環(huán)境下的材料環(huán)境適應(yīng)性是開發(fā)深海的前提和基礎(chǔ)，從上世紀六十年代開始一些國家先后開展了材料深海環(huán)境腐蝕老化研究，進而推動本國深海探測技術(shù)、深海資源開發(fā)技術(shù)、深海空間利用技術(shù)、深海環(huán)境保護技術(shù)以及深海裝備技術(shù)的發(fā)展，提高其在海洋技術(shù)領(lǐng)域的競爭力[1]。

　　1 材料深海環(huán)境試驗裝置

　　與表層海水腐蝕試驗相比，深海環(huán)境腐蝕試驗要復(fù)雜得多。首先必須設(shè)計制造可以進行深海環(huán)境腐蝕試驗的試驗裝置，可以承載材料腐蝕試樣，試驗結(jié)束后可以將試樣回收以便進行研究，試驗裝置本身必須具有高可靠性，在無人監(jiān)控下在千米深的海底穩(wěn)定地運行。世界各國在開展材料深海腐蝕試驗研究中，研制了多種深海腐蝕試驗裝置。

　　1.1 坐底式試驗裝置

　　美國海軍于1962~1970 年進行了大量的材料深海試驗[2]，其使用的裝置如圖1 所示，其裝掛試樣的試樣框架坐沉在試驗海域的海床上。投放時，到達預(yù)定深海試驗場后，將試樣框架用吊車投放至海底；回收時，通過聲釋放裝置斷開海底的錨固物，由上浮標將連接繩帶出海面，最后用試驗船絞車提起試樣框架。坐底式試驗裝置的優(yōu)點是試樣框架載樣量大，受到海流影響小，布放深度準確；缺點是對試驗場要求高，試樣框架易產(chǎn)生吸底現(xiàn)象，布放回收操作復(fù)雜，費用高昂。

　　1.2 串掛式深海試驗裝置

　　前蘇聯(lián)和印度也開展了多個深度的材料深海腐蝕試驗研究，使用的試驗裝置如圖2 所示。該裝置是將裝載材料試樣的試驗框架安裝在水文浮標上進行材料腐蝕試驗，該試驗裝置的優(yōu)點是：可在一個試驗點同時開展不同海水深度環(huán)境試驗；對試驗場地要求不高。其缺點是：裝置長度大，易受到海流的影響發(fā)生偏移，其擺幅可達20°；其投放材料的種類和數(shù)量受到限制，一般每個深度只能投放幾種，十幾件試樣，而且試樣尺寸小；裝置的試樣框架只適合進行金屬的試驗，不能進行其他種類的腐蝕試驗。

　　1.3 近底懸浮式試驗裝置

　　世界上其他開展深海腐蝕試驗的國家大多也利用上述兩類或其改進的試驗裝置。中船重工七二五所在分析了兩類裝置的特點后，立足深海環(huán)境試驗需求，利用先進的設(shè)計理念，設(shè)計研制了一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的近底懸浮式的深海環(huán)境試驗裝置，如圖3a。該裝置是利用本身的儲備浮力將一個尺寸較大的試樣框架懸浮在距離海底20~30 m的位置，避免了裝置座底產(chǎn)生的吸底現(xiàn)象；裝置總體采用冗余設(shè)計、部件采用耐蝕材料，提高了裝置整體的安全性、可靠性、海域適應(yīng)性；裝置的試樣框架采用模塊化設(shè)計，即將相同試驗?zāi)康牡脑嚇影惭b在尺寸相同的小試樣框架中，再將該模塊安裝在試樣框架上，方便安裝拆卸和運輸，提高海上作業(yè)效率；該裝置具有載樣量大、結(jié)構(gòu)簡單等特點；采用一種介于先錨后標和先標后錨兩種方法之間的新投放方法，保證裝置不纏繞、不磕碰，順利下水，試樣的布放深度準確。

　　1.4 高效串型多功能試驗裝置

　　此外，為滿足小批量多深度深海試驗的要求，中船重工七二五所設(shè)計研制了高效串型深海環(huán)境試驗裝置，如圖3b。該裝置可同時進行多深度深海環(huán)境試驗，裝置采用模塊化設(shè)計，將電偶腐蝕、應(yīng)力腐蝕、涂層耐環(huán)境老化等不同目的的試驗裝置進行模塊化設(shè)計，使其能夠根據(jù)需要進行組合，固定在深海試驗裝置的試驗框架上，以達到高效試驗的效果；整套裝置結(jié)構(gòu)簡單，便于組裝拆卸，重復(fù)使用性強；滿足承載試樣量大、試驗周期長等要求；由于裝置長度長，受到海流影響大，在設(shè)計時，通過流體力學(xué)建模，利用計算機編程，對試驗裝置各個試樣框架在水中的受力情況和姿態(tài)進行了精確的分析和計算，保證試驗裝置不會因海流等外力作用造成連接部件斷裂或產(chǎn)生深度上較大的偏差位移。

　　2 材料深海環(huán)境試驗技術(shù)

　　實際深海環(huán)境試驗具有不可替代性，獲得材料深海腐蝕老化數(shù)據(jù)真實的反映了材料腐蝕老化行為，但若只是進行掛片試驗獲得的信息有限，材料的一些特殊性能，例如應(yīng)力腐蝕性能等不能顯露出來，因此，如何利用深海環(huán)境試驗平臺，更全面地獲取材料深海環(huán)境中的性能是深海環(huán)境試驗研究需要關(guān)注的問題[3]。中船重工七二五所根據(jù)深海環(huán)境的特點，經(jīng)過不斷地實踐探索，開發(fā)出系列深海環(huán)境試驗技術(shù)。

　　2.1 深海環(huán)境金屬腐蝕電位測試技術(shù)

　　研制出適用于深海的低功耗多通道電位自動采集設(shè)備，滿足深海腐蝕試驗中電位檢測和評估的需要。采用程序控制，在一定時間間隔內(nèi)自動對50 個金屬試樣進行電位測試，并將結(jié)果及時間存儲到設(shè)備中。試驗結(jié)束后，導(dǎo)出數(shù)據(jù)并結(jié)合環(huán)境因素數(shù)據(jù)的變化，判斷深海環(huán)境因素對各種材料電位的影響。

　　2.2 深海環(huán)境原位電化學(xué)測試技術(shù)

　　深海環(huán)境中進行典型金屬材料原位電化學(xué)測試，獲得材料深海環(huán)境中腐蝕過程的電化學(xué)表征數(shù)據(jù)，可以分析金屬材料腐蝕機理，提高對材料在深海環(huán)境中腐蝕過程的認知。由于深海環(huán)境嚴苛、復(fù)雜，測試過程不能人為控制，因此，采用了計算機程序控制自動測試方式，設(shè)定測試時間，對多個試樣進行循環(huán)測試，在一定時間內(nèi)完成線性極化、阻抗等的測試。

　　2.3 深海數(shù)據(jù)遠程傳輸技術(shù)

　　開展深海試驗的海域距離大陸較遠，需要及時獲得試驗數(shù)據(jù)較為困難，因此，開發(fā)了遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，可以將深海試驗過程中獲得的深海環(huán)境數(shù)據(jù)、原位電化學(xué)數(shù)據(jù)或裝置位置等數(shù)據(jù)按照一定的時間間隔從深海傳輸?shù)胶Ｃ嬷欣^站，然后通過衛(wèi)星傳輸?shù)綄嶒炇遥阌诩皶r掌握試驗裝置的動態(tài)和分析試驗數(shù)據(jù)。

　　2.4 其他形式的腐蝕試驗技術(shù)

　　利用三點彎曲法將典型材料試樣加力彎曲，使其發(fā)生形變，調(diào)整形變大小使試樣中點的受力為0，60%，75%和90%材料斷裂強度，研究受力試樣在深海環(huán)境中的腐蝕行為。

　　深海金屬結(jié)構(gòu)物需采用犧牲陽極陰極保護，但犧牲陽極在深海受到環(huán)境的影響保護效果如何是長期困擾人們的難題。中船重工七二五所在深海試驗過程中投放了鋼－犧牲陽極偶對試樣，利用自制設(shè)備測量保護電流，用以研究深海環(huán)境對犧牲陽極性能的影響。

　　3 材料深海環(huán)境試驗數(shù)據(jù)積累和規(guī)律研究

　　為了獲得完整的各種結(jié)構(gòu)件在深海中的腐蝕和防護效果數(shù)據(jù)，一些國家利用上述研制的深海腐蝕試驗裝置開展了大量深海環(huán)境試驗。美國海軍土木工程實驗室于1962~1970 年在加州懷尼美港西南的海底進行了深度為762~1829 m的材料深海腐蝕試驗，該試驗的掛片接近20000 片，包括475 種不同的合金材料，涵蓋了鋼、鑄鐵、不銹鋼、Cu、Ni、Al 等多種合金。通過研究發(fā)現(xiàn)，對于不同材料而言，深度影響不能一概而論，以鋁合金為例，在深海環(huán)境下，其點蝕和腐蝕開裂程度遠高于淺表海水環(huán)境，遭受較為嚴重的腐蝕破壞。與此同時，1968~1972年，美國洛克希德公司開展了7種涂裝鋁合金和不銹鋼材料深海試驗。試樣分別投放于太平洋和大西洋，深度為1798 和1234 m。通過對不銹鋼進行腐蝕形貌對比，發(fā)現(xiàn)兩個投樣點的最大腐蝕開裂深度分別為5.0和2.5 mm，研究者認為太平洋投樣點的氧含量低于大西洋的投樣點的含量，抑制了不銹鋼的鈍化，從而造成腐蝕開裂速率變大。

　　20 世紀70 年代，前蘇聯(lián)在太平洋西北部以及Sargasso 海開展了碳鋼、不銹鋼、銅、黃銅、鋁合金等材料的深海腐蝕試驗[4,5]，暴露周期分別為20、40 和70 d。深海壓力并未顯著影響材料的腐蝕過程，溫度卻表現(xiàn)出很大的影響。該結(jié)果與其他國家研究人員所得結(jié)果有所出入，這主要是由于他們的投樣時間較短，試樣尚處于腐蝕的初期，難以和長時間投樣的腐蝕現(xiàn)象表現(xiàn)一致。

　　1987 年，印度研究者在阿拉伯海和孟加拉灣分別進行了1000 和2900 m深度、1 a 周期的暴露試驗[6,7]，研究了低碳鋼、不銹鋼、黃銅、銅、銅鎳合金的腐蝕行為，并與淺表海水中的腐蝕現(xiàn)象進行了對比。通過試驗發(fā)現(xiàn)，低碳鋼在深海中的腐蝕速率低于淺表海水環(huán)境；不銹鋼在深海中幾乎不腐蝕，然而在淺表海水中點蝕嚴重。對于其他投樣材料，海水深度對腐蝕的影響輕微。

　　2002~2003 年期間，印度國家海洋技術(shù)研究所在印度洋進行了500，1200，3500 和5100 m深度下鐵系合金（低碳鋼、不銹鋼等）的腐蝕性能研究[8,9]。試驗結(jié)果表明，受溶解氧降低影響，低碳鋼在淺表海水中的腐蝕速率是深海的4 倍左右；深海環(huán)境下，由于500 m處為溶解氧含量最大區(qū)域，低碳鋼腐蝕速率最大；馬氏體不銹鋼的腐蝕規(guī)律與低碳鋼一致。此外，研究指出雖然深海條件下宏觀生物污損微乎其微，但試樣表面微生物膜的生長以及微生物誘發(fā)腐蝕作用不應(yīng)忽視，深海高壓對許多微生物種群生長的抑制作用有限[10]。

　　近年來，深海腐蝕試驗的最新研究進展則來自于歐洲KM3NeT 研究團隊，為了探索宇宙奧秘，他們計劃在地中海底建造巨大的探測器KM3NeT 從海水中捕捉中微子。然而建造該水下探測器，首先需要明確選用的材料在深海環(huán)境下的耐腐蝕性能。研究人員將鋁、銅和鐵合金投樣于意大利Capo Passero附近海域3350 m深海環(huán)境進行腐蝕試驗[11,12]。通過試驗證實，該深海環(huán)境下，316L 和2205 雙相不銹鋼最耐腐蝕，而Cu-Ni 90/10 腐蝕最為嚴重；鋁合金7075 T651 和8090 T81 比5083 H111 和6082 T6 耐蝕性差。此外，深海條件使得鋁合金的腐蝕產(chǎn)物發(fā)生了變化，在1 個大氣壓下的淺表海水環(huán)境中，6000系列的鋁合金腐蝕產(chǎn)物為Al（OH）3；而在深海環(huán)境下的腐蝕產(chǎn)物以擬薄水鋁石為主[13]。

　　在國內(nèi)方面，緊跟海洋強國戰(zhàn)略，我國深海自然環(huán)境試驗實現(xiàn)了跨越式發(fā)展。中船重工七二五所于2008 年在國內(nèi)率先開展了材料深海自然環(huán)境腐蝕老化試驗，成功突破了深海試驗裝置低功耗長期自持設(shè)計、大深度深海試驗裝置水下受力狀態(tài)模擬分析、深海原位腐蝕檢測等多項關(guān)鍵技術(shù)，在我國南海海域相繼開展了不同深度深海環(huán)境試驗，積累了9大類40 余種不同材料、不同周期的深海腐蝕老化數(shù)據(jù)，試驗材料包括碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅合金、鋁合金、鈦合金、偶合件、非金屬復(fù)合材料、有機涂層、金屬涂層、緊固件等，獲得腐蝕數(shù)據(jù)13000 余個，建立我國首個材料深海腐蝕老化數(shù)據(jù)庫，并從取得的數(shù)據(jù)中揭示出材料在深海環(huán)境下的腐蝕規(guī)律。在進行材料深海腐蝕數(shù)據(jù)積累的同時積累了不同深度海洋環(huán)境因素數(shù)據(jù)，對試驗海域海水溫度、鹽度、溶氧量、海流速度等環(huán)境因素進行了測試和收集，探討了材料腐蝕與環(huán)境因素之間的關(guān)系，填補了我國在深海環(huán)境中材料性能研究的空白，獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對我國深海裝備的發(fā)展具有重要意義[14-18]。

　　研究表明，碳鋼、低合金鋼的平均腐蝕速率和點蝕深度隨暴露深度增加而明顯減小，在深海環(huán)境中腐蝕減緩且趨向均勻，腐蝕產(chǎn)物均較為疏松，呈層狀結(jié)構(gòu)，其成分隨試驗深度的增加略有差別；高鎳含量的不銹鋼在海洋環(huán)境中耐蝕性相對較好，但在深海條件下使用應(yīng)盡量避免縫隙的產(chǎn)生。與表層海水腐蝕速率對比發(fā)現(xiàn)試驗用銅合金在深海環(huán)境下的腐蝕速率普遍大于表層，在深海部件設(shè)計選材時應(yīng)加以注意，預(yù)留更多腐蝕余量。鋁合金在深海環(huán)境下的腐蝕速率大于表層，同時鋁合金縫隙腐蝕較嚴重，深海條件下應(yīng)用時應(yīng)避免縫隙的產(chǎn)生；無論是表層海水環(huán)境還是深海環(huán)境，鈦合金都具有極強的耐腐蝕性能。但由于其表面狀態(tài)穩(wěn)定存在藻類海生物附著，在設(shè)計深海裝備關(guān)鍵部位零部件和精密器件時應(yīng)考慮其影響。

　　4 結(jié)語

　　進入21 世紀，人類為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，尋找新的發(fā)展空間和替代資源，再次把目光和期望轉(zhuǎn)向海洋。探索海洋、開發(fā)海洋、利用海洋、保護海洋，將成為全球發(fā)展的新熱點和競爭的新舞臺。因此，開展材料深海自然環(huán)境腐蝕試驗，積累不同材料在不同深度深海環(huán)境中的腐蝕行為和規(guī)律，將為海洋工程裝備的設(shè)計、選材、研發(fā)和使用提供技術(shù)支撐，具有重要意義。

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