0 引言

    隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)水平的逐步提高，我國對(duì)于海洋的開發(fā)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，海洋構(gòu)筑物也越來越多。21 世紀(jì)是人類開發(fā)利用新環(huán)境、新資源的時(shí)代，而深海資源也已得到了人們的廣泛利用。但水下的環(huán)境與陸地環(huán)境極其不同，多數(shù)用于陸地上的技術(shù)無法同樣應(yīng)用于深海工程。

    由于海水中富含氯離子及各種鹽類，加以深海環(huán)境下靜水壓力的作用，深海金屬結(jié)構(gòu)設(shè)施的腐蝕也成為了人們?nèi)找骊P(guān)注的問題。因此，研究深海環(huán)境中的腐蝕規(guī)律及控制腐蝕的方法，對(duì)延長深海金屬結(jié)構(gòu)設(shè)施的使用壽命，保證深海構(gòu)筑物的正常運(yùn)行和安全使用，以及促進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有十分重要的意義。

    本文針對(duì)深海構(gòu)筑物所處的深海環(huán)境，綜述了深海環(huán)境因素對(duì)金屬結(jié)構(gòu)腐蝕行為的影響；簡要介紹了當(dāng)今各國在深海環(huán)境腐蝕防護(hù)技術(shù)方面的研究進(jìn)展，并對(duì)深海腐蝕防護(hù)研究的必要性和前景作了展望。

    1 深海環(huán)境因素對(duì)金屬結(jié)構(gòu)腐蝕行為的影響

    對(duì)于深海，不同領(lǐng)域有不同的界定。按照《中國大百科全書》的定義，深海指200 m 以下的海洋環(huán)境，在軍事領(lǐng)域通常將深海定義為300 m 以下的海洋環(huán)境。

    深海環(huán)境是一種苛刻的腐蝕環(huán)境，尤其對(duì)于金屬而言是高腐蝕性環(huán)境，其中的氧濃度、光照量、pH、溫度、鹽度、流速等條件與淺海環(huán)境中大不相同。

    中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五所青島分部的侯建等研究了深海環(huán)境因素對(duì)碳鋼的腐蝕行為的影響，得出碳鋼和低合金鋼在深海環(huán)境中的腐蝕速率與溫度、溶解氧、鹽度、pH 等海水環(huán)境因素密切相關(guān)。其中，溶解氧的含量影響最大。

    1.1 溶解氧含量

    Sawant S S 等研究了低碳鋼、不銹鋼、銅、黃銅及銅鎳合金在阿拉伯海和孟加拉海灣淺海、1 000~2 900 m 深處暴露1 a 的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)除了黃銅的腐蝕速率與深度沒有關(guān)系外，其它材料在2 900 m 深處比在1 000 m 深處和在淺海環(huán)境下的腐蝕速率更低。

    在淺海環(huán)境下腐蝕速率順序?yàn)榈吞间?gt; 銅> 銅鎳合金> 黃銅> 不銹鋼，在深海環(huán)境下腐蝕速率順序?yàn)榈吞间?gt; 銅鎳合金> 黃銅> 銅> 不銹鋼。這些金屬的腐蝕速率受到溶解氧含量的控制。

    美國海軍實(shí)驗(yàn)室在2 060 m 深度進(jìn)行了各種金屬與合金的腐蝕試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該環(huán)境下鋼材腐蝕速率與氧含量呈線性關(guān)系。他們還研究了中碳鋼AISI 1020在阿拉伯海1 000~2 900 m 深處浸泡1 a 的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)其在2 900 m 深處的腐蝕速率小于1 000 m 深處，并且認(rèn)為腐蝕速率隨深度變化在深海環(huán)境中小于淺海環(huán)境。

    印度國家海洋技術(shù)研究所的Venkatesan R 等用實(shí)海掛片方法研究了碳鋼在印度洋中500 m、1 200 m、3 500 m 和5 100 m 深度的腐蝕行為，研究結(jié)果表明，深海環(huán)境中氧濃度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率隨溶解氧濃度降低而減小。美國在西海岸太平洋2 000 m 處的深海腐蝕試驗(yàn)表明，溶解氧含量在700 m 處達(dá)到最小值后又逐漸增加，金屬腐蝕速率與溶解氧含量變化完全一致。

    從當(dāng)前國內(nèi)外研究的成果來看，在深海環(huán)境其他因素不變的情況下，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)施的腐蝕速率與氧含量成正比。由于氧含量隨著海水的深度降低，故腐蝕速率的變化也應(yīng)如此。

    1.2 其他因素

    除了溶解氧含量外，海水溫度、含鹽度、pH、二氧化碳濃度、靜水壓力以及海水流速等都是影響金屬結(jié)構(gòu)設(shè)施腐蝕的重要因素。

    隨海水深度的增加，溫度是不斷變化的。在500 m深處的海水溫度不到10℃，在2 000 m 深處的海水溫度約2℃，在5 000 m 深處的海水溫度約1℃。隨著海水溫度升高，分子熱運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，氧氣的擴(kuò)散速度增大，增強(qiáng)了海水的導(dǎo)電性能，從而加快了金屬的腐蝕速率。

    研究表明，室溫條件下不同濃度的NaCl 水溶液中，3%~315% 左右質(zhì)量含量的NaCl 水溶液對(duì)鋼鐵的腐蝕最為嚴(yán)重。因?yàn)楫?dāng)鹽濃度低于3% 時(shí)，隨鹽濃度增加，溶液導(dǎo)電性增加，腐蝕速率上升；當(dāng)鹽濃度高于315% 時(shí)，氧的溶解度降低及擴(kuò)散速度減小，腐蝕速率明顯下降。在深海環(huán)境下，海水中的含鹽度約在315%，變化幅度非常小。

    徐立坤等在實(shí)驗(yàn)中得出，高pH，高含氧量；低pH，低含氧量。海水的pH 相對(duì)比較固定，一般在7.4~8.2，對(duì)多數(shù)金屬的腐蝕并無明顯影響，但對(duì)鋁鎂合金是個(gè)例外。當(dāng)海水pH 由8.2 降到7.2 時(shí)，鋁鎂合金點(diǎn)蝕及縫隙腐蝕趨勢(shì)增加。一般情況下，pH 升高有利于抑制海水的腐蝕性。

    Venkatesan R和Beccaria A M 等分別測(cè)定了印度洋測(cè)試點(diǎn)海水靜壓力與其深度的關(guān)系，以及在保持其它參數(shù)（溶氧量、溫度等）不變的情況下，在實(shí)驗(yàn)室模擬研究了不同深度海水靜壓力對(duì)鋁及其合金、AISI 300 及AISI 400 系列不銹鋼的腐蝕行為的影響。結(jié)果表明，在深海環(huán)境中，靜水壓力很大，而氯離子在較高壓的環(huán)境中活性增強(qiáng)，更容易滲透進(jìn)金屬的鈍化膜，多種金屬的氧化物能夠轉(zhuǎn)化為水溶性氫氧化物，從而引發(fā)點(diǎn)蝕。同時(shí)，在較高壓力下離子水合程度降低，氧化物/ 氫氧化物比值發(fā)生改變，因此形成腐蝕層的保護(hù)特性也發(fā)生改變。

    青島大學(xué)的唐曉等關(guān)于海水流動(dòng)對(duì)A3 鋼腐蝕速度的影響的研究表明，流速的作用體現(xiàn)在物理流動(dòng)的加速加快了腐蝕反應(yīng)的速度，不僅減少了金屬表面氧氣的擴(kuò)散層厚度，增強(qiáng)了氧氣的去極化作用；而且隨著流速的增大，有效沖刷了金屬表面由于腐蝕而生成的沉積保護(hù)膜，從而阻礙了沉積物對(duì)于金屬腐蝕的阻滯作用。

    2 國內(nèi)外對(duì)深海腐蝕防護(hù)研究的新進(jìn)展

    目前，國內(nèi)外對(duì)深海環(huán)境中金屬的腐蝕防護(hù)研究中，多采用噴涂海洋重防腐涂料技術(shù)，在處于海洋環(huán)境中的金屬表面噴涂重防腐涂料來達(dá)到對(duì)海洋金屬腐蝕的防護(hù)效果。

    臺(tái)灣Formosa 石化公司在碼頭鋼樁上采用了美國Specialty Products Inc. Polyshield HT 聚脲作為新型防腐涂層。實(shí)踐表明，噴涂聚脲防腐層的鋼樁具有優(yōu)良的物理性能、防腐性、附著力、耐老化性以及可耐受海水外力沖刷而不會(huì)被損壞。

    青島理工大學(xué)功能材料研究所的黃微波等人提出，海洋環(huán)境中金屬腐蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大氣中的腐蝕速率，海洋產(chǎn)業(yè)的腐蝕損失已占我國全部腐蝕損失的約1/3，而涂裝重防腐涂料是最有效、最經(jīng)濟(jì)、應(yīng)用最普遍的的深海金屬防腐措施之一。他們選擇純聚脲材料作為重防腐涂層的主要材料，并通過FTIR（傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜分析）、DSC（差示掃描量熱法）等方法，研究了在海洋大氣環(huán)境戶外自然曝曬老化、紫外線人工加速老化以及人工模擬海洋環(huán)境條件下，純聚脲重防腐涂層（簡稱Qtech-412 涂層）的力學(xué)性能、光澤度和分子結(jié)構(gòu)的變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，純聚脲重防腐防護(hù)涂層的性能明顯優(yōu)于普通的防腐涂層。目前Qtech-412 涂層已成功應(yīng)用于青島海灣大橋承臺(tái)、港珠澳大橋沉管隧道接縫等防護(hù)工程。

    劉登良等在研究中指出，隨著深海鉆井平臺(tái)的大型化和作業(yè)深度的進(jìn)一步增加，以及深海更加嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境，其防腐手段仍不斷面臨新的挑戰(zhàn)。

    尤其是舊平臺(tái)的維護(hù)保養(yǎng)所面臨的極端嚴(yán)酷的作業(yè)環(huán)境和施工困難，對(duì)深海金屬結(jié)構(gòu)設(shè)施的腐蝕防護(hù)提出了更嚴(yán)格的要求。

    Shiwei William Guan通過研究發(fā)現(xiàn)，近年來聚脲噴涂技術(shù)已在國外大量采用，如用于韓國的仁川機(jī)場(chǎng)，美國的圣馬特跨海大橋，各類艦船、石油平臺(tái)等的防腐防滲。現(xiàn)有的海洋管道防腐蝕通常采用3PE 加水泥配套，若1 000 m 有80 個(gè)左右接頭，只要有1 個(gè)接頭防腐出問題，不合格率即為100%，而采用噴涂聚脲防腐，只有兩端2 個(gè)接頭，徹底解決了海洋管道接口的防腐問題。

    3 結(jié)語

    深海腐蝕環(huán)境較淺海表層腐蝕環(huán)境復(fù)雜，影響因素眾多，其中最重要的是海水中的氧含量，深海環(huán)境中的溶解氧含量是金屬深海腐蝕的最主要原因。

    除此之外，pH、光照、流速、靜水壓力、含鹽度等也是影響金屬在深海腐蝕行為的重要因素。

    目前，各國都在積極開展深海腐蝕防護(hù)工作的探索，已成功投放了多種形式的深海腐蝕試驗(yàn)儀器以探測(cè)深海腐蝕行為，并通過逐步完善的涂料涂裝技術(shù)（如噴涂聚脲技術(shù)）對(duì)深海環(huán)境中金屬的防腐作出了有效的貢獻(xiàn)和探索，這對(duì)于深海環(huán)境中金屬的腐蝕與防護(hù)工作有著積極的推動(dòng)作用，使人們對(duì)深海腐蝕的認(rèn)識(shí)不僅停留在檢測(cè)與預(yù)測(cè)階段，更有力地推動(dòng)了深海金屬防護(hù)的進(jìn)程。通過對(duì)深海腐蝕試驗(yàn)技術(shù)的完善，人們對(duì)于深海金屬腐蝕行為的了解將更加深入，為深海材料的制備和選用提供更加可靠的科學(xué)依據(jù)，也將使深海防護(hù)在現(xiàn)有陰極保護(hù)法及噴涂保護(hù)層的基礎(chǔ)上有進(jìn)一步的發(fā)展。