材料深海环境腐蚀试验

装备环境工程2006年2月装备环境工程EOUIPMENTENVIRONMENTALENGINEERING第3卷第1期2006年2月21世纪将成为海洋的世纪。在海洋中有着丰富的海底石油和天然气、锰结核、富钻结壳、磷钙石、海绿石以及天然气水合物等[1]。这些资源分布在从几百米到几千米的深海海底，探索和开采这些资源需要制造和使用新型仪器和设备。另外，军事需求也涉及深海腐蚀研究，深海的潜艇已成为现代战争重要武器，下潜越深就越容易利用不同水层所形成的复杂声学结构来掩护，只有深海潜艇具有战略报复和二次打击的能力。因此开发大潜深潜艇以及其他水中兵器成为保证国家安全的有利武器。材料深海环境腐蚀试验郭为民，李文军，陈光章中船重工t二五研究所逼洋禹独弓防沪日防科枝重虑实驳至，h乐啻吕266071摘要!从开发海洋和军事应用前景等方面分析了村料深海环境腐蚀性能研究的实际需求和必要性9介绍了深海环境因素的特点压力大\温度低\氧含量低9综述了关国\苏膨\卜度\卜碱等国进行深海腐蚀试验的情况\试验研究方法O深海腐蚀试验的特点是困难\复杂\危险和昂贵O简述了我国进行深海试验的必要性和前景O关键词!深海9腐蚀9环境因素9试验方法中图分类号!TGl72.5;TB304文献标识码!A文章编号!1672-9242200601-0017-06CorrosiontestinginthedeepoceanGUOWei-min，LIWen-jun，CHENGuang-zhangStateKeyLaboratoryforMarineCorrosionandProtection,oingdao266071，ChinaAbstract:TheneedandthereguirementofmateriaIscorrosiontestinginthedeepoceanenvironmentwasana!IyzedfromtheaspectsoftheoceanexpIoitureandmiIitaryappIications.ThedeveIopmentofdeepoceantestingandtestingmethodsinthepastdecadeswassummarized.itwasputforwardthatthecharacteristicofdeepoceanenvi!ronmentishighpressure,Iowtemperature,andIowoxygendissoIutiongandthecharacteristicsofdeepoceantestingisdifficuIt，compIex，danger，andexpensive.itaIsodiscussedtheneedofcorrosiontestinginthedeepoceaninourcountry.Keywords:deepocean；corrosion；environmentaIfactors；testingmethod收稿日期：2006-01-06作看简介：郭左民（1968-），男，河扎昌黎入，硕主，主要研究乃向左柯倒逼洋环诵禹独弓防沪。10··第3卷第l期由于含有大量的Cl-，海水呈现出较强的腐蚀性。多年来，人们已对各种材料和构件在表层海水中的腐蚀行为及保护方法进行了大量研究，但由于深海海水环境影响材料腐蚀的各种因素与表层海水的不同，这些数据在深海中是否能安全使用还需要进一步验证和对比。因此有必要开展材料及构件在深海海水环境中的腐蚀试验，积累腐蚀与防护数据，研究腐蚀与防护规律。!深诲环境特性按照《中国大百科全书》定义，深海指200m以下的海洋环境。深海环境的光照、温度、压力、溶解氧、p~值、含盐量、海水流速等因素与表层海水环境不同，因而具有其独特的环境特性。1）阳光。阳光通常不直接参与材料腐蚀过程，主要通过影响海生物的生长起作用。清澈干净的海水中，用光敏设备可在200m深度探测到阳光。由于吸收和散射引起衰减，从实际目的，也就是从生物光合作用角度来讲，20m以下就没有可利用的阳光了，也就是说，那些需要阳光才能生长的海生物在20m以下不能生存。同时，没有阳光也就是没有紫外线，那么所有在阳光下不能使用的保护涂层和合成橡胶都可使用。2）温度。温度不仅会直接影响到材料的腐蚀行为，对其他影响腐蚀的因素也有一定的作用，如：温度上升，氧的溶解度会降低，海生物活性增加，钙质水垢更易沉积到金属表面。温度在海面下最初300m时下降速度很快，再向下到l000m温度下降速度减小。低于这个深度温度几乎恒定在冰点上下几度范围内。在4000m深水层，不同海洋的温度分布趋于均匀，整个大洋的水温差不过3!左右。底层的水温主要受南极底层水的影响，其性质极为均图l东北太平洋几种环境因素与水深的关系曲线Fig.lTemperature,Salinity,p-,andoxygencontentaSfunctionofdepthatNEPacific012345051015202533343536370l23457.67.88.08.202460l23450l2345a9cd温度/C含盐量/%含氧量/(mL·L-l)p-深度/km深度/km深度/km深度/km郭为民等：材料深海环境腐蚀试验ll··装备环境工程!#年!月匀，约为0!左右。见图1a。3）压力。静水压力每下降100m压力增加1Mpa。这只是在海水温度、盐度和海水密度不变时成立。实际上在不同海域这些因素变化程度是不同的。如果需要知道某处的确切压力，必须实际测量或根据温度和盐度梯度的详细数据计算。4）含氧量。海水溶氧量范围一般为0~9mL/L。通常表层海水含氧量为饱和或接近饱和；300~1000m深度海水含氧量相对较低；1000m以下海水含氧量增加，一直到海底达到相对较高的水平。中间含氧量相对较低的范围称为最小含氧区，这可归因于从海面下沉的腐烂微生物消耗了氧气。北太平洋的最小含氧区是世界上最大的无氧水体。1000m以上含氧量最高为0.25L/L。在一些海沟或其它区域，海底海水几乎不含氧而成为还原环境。一些深海区域由于可以得到含氧丰富的海流的补充，例如南极溶化的富含氧的冷水，其含氧量可以达到表层海水的水平。见图1d。5）pH值。高pH值则含氧量高，低pH值则含氧量低。饱和含氧的表面海水的pH值为8.0~8.2，含氧量低的中间区域pH值也随之降低到7.5。在海沟等含氧量几乎为零的海域pH值可达7.0或更低。见图1c。另外压力会使pH值降低。6）含盐量。总体来说海水含盐量为33~37。深层海水变化范围小，为34~35。从腐蚀角度看这样的含盐量变化可以忽略。见图1b。7）洋流速度。通常海洋深层和近海底的洋流要比表面洋流缓慢。根据美海军测试表明，百慕大附近350m深洋流速度为50~60cm/S。深海洋流中浮球的不确定漂移表明洋流的方向和速度也是变化较大的。8）海生物污损。试验表明严重海生物污损范围为从海面到180m深处。180#1200m为轻度，1200m以下被认为非常轻微。除上述基本的海水腐蚀因素外，有可能对腐蚀造成影响的其他因素是静态水压、沉降速度、海底沉降物的性质以及厌氧菌产生的硫化氢等。在容器中同时模拟某一深度的压力、控制速率的海水水流等因素似乎是不可能的。即使可以完全模拟出实际环境，实验室中得到的数据结果仍然需要在实海环境下进行验证。!材料深诲腐蚀试验世界上工业发达国家早在20世纪60年代就开始了材料的深海环境腐蚀试验研究，如美国（Hueneme港试验站、大洋舌试验站）、前苏联、日本（北九州试验点、别府试验点）、荷兰（赫尔德试验站）等。近年来，挪威、印度等国家也在开展了这方面的研究工作。美国以其巨大的工业、资金为后盾，进行了全面的材料深海腐蚀试验。1962$1970年期间，美国多个部门分别从不同角度进行了多项深海材料腐蚀试验研究。较早前，各种金属深海暴露试验是通用电器公司所属材料和工艺实验室1961年开始的项目的一个部分。试验是与WoodHoIe公司合作，在God海峡与百慕大之间投放一串带仪器的浮球进行的。浮球锚定于6000m深的海底，目的是研究大西洋洋流，同时搭载了少量金属试片。通用电器公司只公布了初步结果，试验共有8套，暴露时间为24#58天，从4#5000m之间7个不同的深度，每个深度每个周期只有一个试样。美海军研究实验室、海军水文局、海军水下兵器站联合进行了一系列更广泛的暴露试验，试验地点在巴哈马大洋舌1800m深的大西洋中。试样框架上有144件试样，包括22种金属、10种塑料、电线、绳索、几种涂层系统和几种木材。为了获得完整的海军固定设施、潜艇、深潜器等各种深海结构相关材料、结构件在深海中的腐蚀和防护数据，从而为改进技术和发展适于舰艇材料的新技术所需，同时也是为了保持深海作业环境日益增长的利益所需，美国海军于1962-1970年在加州怀尼美港西南150km、深为1829m的太平洋海底和怀港西面139km、深为762m的太平洋海底进行系统的、范围广泛的材料腐蚀投样试验，有50多个海军部门、大材料公司参加，开展了一项巨大的深海腐蚀试验。暴露材料有475种合金，2万片样板，包括各种钢铁、铜合金、镍合金、不锈钢、铝合金、钛合金、稀有金属合金、各种金属绳索，以及各类海洋用聚合物材料、塑料、橡胶、有机复合材料等。暴露在780#2000m的海水中和海泥中，暴露时间分别为125~1064天不等。试验内容包括一般腐蚀（腐蚀速率、点蚀$!··第3卷第l期图3水下试验装置Fig.3Submersibletestumit深度、缝隙腐蚀、脱成俐腐蚀俐，应力为（30%~75%俐!!的应力腐蚀，机械性能损失，焊接接头的腐蚀，涂镀层的腐蚀，宏观生物和细菌的侵蚀，有机材料的力学、物理性能损失，电偶腐蚀，阴极保护效率，腐蚀产物俐析等,并与同时进行的表层海水试验结果相比较。深海试验结果表明：有机材料的各种力学、物理性能下降较大，也很复杂；金属材料方面，铝合金的点蚀敏感性，深水比表层海水增大，其它金属材料的腐蚀率、点蚀深度，一般比表层轻。前苏联曾于1975年在太平洋西北地区利用水文浮标附近的浮标索研究了6种金属材料一一一碳钢CT.!、不锈钢2!13、铝合金Amr6和AmM、铜M-1和黄铜#C59-在105500m的不同海水深度20天和40天的平均腐蚀速度、局部腐蚀和缝隙腐蚀。该试验的特点是在5500m深的海域于15个深度均投放了试样，对照相应深度的环境因素讨论了其深海条件下对腐蚀速度变化的影响。1983#1984年挪威船舶研究所在挪威北部大陆架进行了深海腐蚀试验。1982#1999年挪威海洋技术研究所在北挪威海的多个地点进行了材料深海阴极保护参数的研究，试验深度1001335m，试验周期不大于3个月。近年来，印度Sawant及其合作者在阿拉伯海和孟加拉湾进行了1000m和2900m深度1年周期的低碳钢的暴露试验；印度国家海洋技术研究所与其它机构合作，在印度洋进行了500m、1200m、3500m、5100m深度的铁合金（低碳钢、马氏体钢、螺纹钢和可锻铸铁）腐蚀性能研究，包括一般腐蚀（平均腐蚀和局部腐蚀）、表面微观形貌、电化学俐析及腐蚀产物俐析等，暴露时间为174天。此外，1973年，位于英国伯明翰的B.K.L.合金有限公司在北海进行了最深183m的牺牲阳极保护试验，主要目的是为海上采油平台阴极保护作材料筛选；1988年壳牌海洋工程有限公司（SheIIoffShore）委托美国深海咨询服务公司（DeepSeaService）进行深水锚系用大直径缆绳的腐蚀控制；19881989年美国深海咨询服务公司（DeepSeaService）受ARCOOiI&gaS公司委托设计深水暴露腐蚀试验装置，并负责进行制造和投放；1990年，美国深海咨询服务公司（DeepSeaSer#vice）受Chevron公司委托设计深水暴露腐蚀试验装置，并负责进行制造和投放。以上研究的主要目的是研究深海中石油设施的腐蚀性能。!!#$!#潜式试验装置图2为美国海军于1962-1970年在加州怀尼美港外海太平洋海底进行全面材料