资讯中心

数据共享

试验资源

信息资源

防护技术

深海环境中的材料腐蚀与防护研究进展

2017-11-23 13:31:43
作者:本网发布
来源:《腐蚀防护之友》

深海生物圈有着不同于陆地和浅海的典型特点,例如高压、低温、永久黑暗及寡营养,并且深海生物具有特殊的代谢途径和很大的生物量使得深海成为一个巨大的待开发利用的生物资源宝库。

   1

 

    1 前言

 

    深海生物圈有着不同于陆地和浅海的典型特点,例如高压、低温、永久黑暗及寡营养,并且深海生物具有特殊的代谢途径和很大的生物量使得深海成为一个巨大的待开发利用的生物资源宝库。21 世纪是海洋的世纪,由于人口、资源、能源和环境问题的加重,海洋战略地位的提升,人们渐渐地将目光投向海洋资源的开发和利用。但是与浅海环境相比,深海环境中存在着巨大压力以及严重的温度、盐度、溶解氧、pH 值、生物污损、金属离子沉积和表面流速等问题,这给深海的研究与开发带来很大的困难,使得海面和浅海中很多成熟的技术都不能在深海中应用。深海材料涉及高强钢、耐蚀合金和非金属材料等,主要应用于深海采油平台、深海采油装备、深海管线、深海航行器等深海工程设备。随着深海科技的进步,深海航行器还被用于海洋搜救工作,比如 2014年失事航班 MH 370 的黑匣子搜索。深海技术是整个海洋科学的前沿,而且多应用于军事方面,因此可以查到的相关资料很少,但是为了资源开发、海洋环境保护以及维护国家海洋权益的需要,各个国家开展了对深海设备的研究和开发。主要的深海设备有载人潜水器、潜艇、水下管道、鱼雷等,它们在深海特殊环境中的腐蚀状况不同于浅海设备。美国、日本等先进国家在上世纪 60 年代就开始了材料的深海环境腐蚀实验研究,近年来挪威、印度等国家也开展了相应的研究工作,目前我国对此研究尚且不多。随着对深海大洋的逐步开发和利用,急需掌握材料深海的腐蚀行为。要研究材料在深海环境中的腐蚀行为,首先要研制深海环境试验装置。2006 年9 月,中船重工七二五研究所海洋腐蚀与防护国防科技重点实验室的工作人员成功完成在南海 1300m 的海域进行了深海环境腐蚀实验装置的实海投放回收实验,标志着我国材料深海腐蚀实验取得了重大进展。本文基于前人研究,对深海环境的腐蚀现状及腐蚀机理进行了分析,总结防腐措施的研究进展,为水下设备的防腐应用提供技术支持。


    2 深海材料

 

    随着海洋产业在国民经济中的比重日益增长,海洋开发不断向深度和广度扩展,深海材料必将发展成为我国未来的新兴战略型支柱产业。高性能深海工程材料是发展深海工程装备的基础和先导,对于海洋深海经济的发展和产业化进程有着重要的战略意义。因此,研究深海材料的防腐对深海资源的开发具有非常重要的意义。深海中的材料主要可分为制造耐压壳使用的结构材料和制造深潜器所用的浮力材料。


    2.1高性能钢

 

    高性能钢不仅具有一般钢材承受能力强、易加工和价格低等优点,而且韧性、疲劳强度和吸收能量的性能都很好。高性能钢主要用于海底管道和海洋系泊链的制造,也用于耐压壳体的制造,比如,美国深潜器的耐压壳主要使用Hy 系列调质钢和合金钢,日本潜艇多用 NS-30,NS-46,NS-63,NS-80,NS-90 和 NS-110 等高性能钢。


    2.2合金材料

 

    深海用合金材料主要包括钛合金、镍合金、铝合金以及铜镍合金,它们都是良好的耐腐蚀材料。钛合金材料是工业中耐腐蚀性能最好的材料之一,常被应用到深潜器和水下机器人中,在搜寻法航 447 黑匣子中发挥巨大作用的 Remus 6000 水下机器人和我国的“蛟龙号”载人潜水器都应用了钛合金材料Ti-6Al-4V。深海环境的特殊性也对材料提出了一些特殊的要求,比如耐蚀性、水密性、轻质性和防止生物附着性等,而铝合金的密度小、轻度高、导电导热性好、耐腐蚀易加工的特性使其很好的符合了这种要求,因而在海洋环境中得到了很好的应用。由于铝合金材料的优异性能,很多国家广泛开展了将铝合金材料应用于深海的研究,尤其是提高其抗腐蚀性能的研究,使铝合金材料得到广泛利用。


    2.3复合材料

 

    复合材料是由一个作为基质的聚合材料、金属材料或陶瓷材料以及一个作为增强材料的纤维或微粒物质构成的材料。复合材料具有质量轻、强度高、耐腐蚀性、耐湿性、抗疲劳性好等特点,因此,被广泛应用于深海工程材料中。目前,复合材料主要用于生产带式管缆和系缆、“形状感应毡”、维缠绕复合材料立管和可卷绕复合材料管线。


    3 深海环境中的腐蚀影响因素

 

    深海环境不同于一般船舶航行的水面,深海环境是极其恶劣的,各腐蚀影响因子的值会随海洋深度的增加而变化,进而对深海设备的腐蚀影响也发生变化,例如,在南海,相关数据随海水深度的变化见表 1。


2

 

    3.1压力

 

    由力学公式:P=ρgh(1)

 

    其中,P 为物体所受压力;ρ 为海水密度;g 为当地重力加速度;h 为海水深度。


    可知,深度每增加 10 m,相应的压强就要随之增加 1.03×10 5 Pa。刘斌等采用动电位极化、电化学阻抗和 Mott-Schottky 等电化学测试方法,研究了在室温条件下 3.15% NaCl 溶液静中水,压力对纯 Ni 的钝化膜性能的影响。结果表明:随着静水压力的增加,腐蚀速率增大。Beccaria 等在保持其它参数不变的情况下,模拟研究了 Al 及其合金、AISI 300 和 AISI 400 系列不锈钢在不同深度海水中的腐蚀行为。该实验证明,上述材料在不同的海水静压力下的腐蚀情况与不同压力下金属或合金表面形成的腐蚀产物层的特性有关。在较高压力下 Cl - 活性增加,渗入不锈钢钝化膜时会比较容易,一些金属的氧化物能转化为水溶性氯氧化物,进而引发腐蚀。压力较高时,离子水合程度降低,造成形成腐蚀层的保护特性也发生改变。表面钝化膜成分的改变能增强或降低不锈钢材料的抗全面或局部腐蚀能力。张智研究了 0.1,3.0 和 6.3 MPa 3 种不同的压力环境对水性无机富锌复合涂层、环氧防锈涂层和无溶剂环氧涂层防护性能的影响。结果表明:随着 3.5% NaCl 溶液压力的升高,无机富锌复合涂层、环氧防锈涂层体系中的腐蚀产物不易疏导,最后堵塞孔道降低了腐蚀产物的形成速率,缓解了涂层内的膨胀压力,涂层的孔隙率下降。而无溶剂环氧涂层则与之相反。


    3.2溶氧量

 

    海水中的溶氧量在深海设备腐蚀中起着非常重要的作用,随着深度的增加,绿色植物越来越少,导致 O 的溶解量越来越小,至水下 700 m 时 O 的溶解量最低。O 是在金属电化学腐蚀过程中阴极反应的去极化剂,深海环境下溶解氧含量可以使许多材料发生腐蚀。Sawant 等研究了低碳钢、不锈钢、Cu、黄铜及铜镍合金在阿拉伯海和孟加拉海湾浅海以及 1000 ~ 2900m 深处暴露 1a 的腐蚀情况。结果表明,这些金属的腐蚀速率受到溶解氧含量的控制,在浅海环境下腐蚀速率顺序为:低碳钢> Cu >铜镍合金>黄铜>不锈钢,在深海环境下腐蚀速率顺序为:低碳钢 > 铜镍合金>黄铜> Cu >不锈钢。傅晓蕾等采用动电位极化、电化学阻抗谱 (EIS) 和失重实验,研究了海水中的溶解氧对两种船体钢海水腐蚀行为的影响。极化曲线及电化学阻抗实验结果表明:随着海水中 O含量的升高,这两种船体钢的自腐蚀电位逐渐升高,腐蚀电流密度逐渐增大,腐蚀速率增大;失重实验结果表明,两种钢在海水中的腐蚀类型主要为均匀腐蚀,且其腐蚀速率随溶解氧含量的增加而增大。


    3.3温度

 

    温度不仅可以直接影响到材料的腐蚀行为,还会影响其他的腐蚀因素。温度升高会加速阴极和阳极过程的反应速度,加快 O 的扩散速率,增大海水电导率,促进腐蚀过程进行;而且随着海水温度的升高,会降低海水中O的溶解度,促进保护性钙质水垢生成,减缓碳钢在海水中的腐蚀。文献表明,在 500 m 深处的海水温度不到 10℃,在 2000 m 深处的海水温度约 2℃,在 5000 m 深处的海水温度约 1℃,整个大洋的水温差约在 3℃。王佳等的研究表明,温度在23℃附近时腐蚀速率最大,深海中海水温度低于 23℃,对于碳钢和低合金钢来说,腐蚀速率会随深度的增加而下降。


    3.4盐度

 

    深层海水盐度变化范围较小,一般在 35 左右,大洋表层的盐度在 32 ~ 36之间,表层盐度低,深层盐度高,盐度随深度增加而递增,变化非常小。


    3.5流速

 

    流速不仅能减小金属表面 O 的扩散层厚度,使得溶解氧更容易达到金属表面,增强了 O 的去极化作用;海水流动还能冲刷腐蚀产物,削弱了腐蚀产物沉积对腐蚀反应的阻滞作用,加速了腐蚀反应的进行。通常在深海环境下,海水流速比表层海水缓慢,深海设备的腐蚀受流速的影响比海面小得多。唐晓等通过室内和实海挂片失重测试比较了Q235碳素结构钢 (A3 钢 ) 在静止和流动海水中的腐蚀速率差异,使用动电位法测试了 Q235 碳素结构钢的腐蚀速率,同时测试了不同流速海水中的环境参量。结果表明:海水流动能够加快 Q235 碳素结构钢在海水中的腐蚀速率,腐蚀初期尤其明显。王曰义对 5 种铝合金在流动海水中的腐蚀行为进行了研究,结果表明:在流动海水中,铝合金比普通碳钢和紫铜耐蚀,特别是铝镁系和铝镁锰系合金。由于铝铜系和铝锌镁系合金在流动海水中具有明显的剥落腐蚀敏感性,因此不宜用于流动海水腐蚀环境。


    3.6生物腐蚀

 

    随着海水深度的增加,微生物的种类和数量大大的减少,但是靠近海泥区由于存在 H 2 S 和厌氧菌如硫酸盐还原菌,SRB),因此靠近海泥区的深海海底环境对材料及构件的腐蚀影响可能增强。在深海环境下 SRB 腐蚀是主要的生物腐蚀。研究表明,SRB 对碳钢、Ti、不锈钢、低碳钢、铜镍合金等多种金属均会造成局部腐蚀。海底沉积物中一般都含有 SRB,不同海区的 SRB 含量有一定差异。在 SRB 大量繁殖条件下,腐蚀速率可增加 6 ~ 7 倍,甚至 15 倍以上。Castaneda 等研究了 SRB 在人造海水中对碳钢的腐蚀行为,发现 SRB 形成生物膜后,腐蚀速率升高,生物膜的不均匀性造成局部梯度,放大了腐蚀的活性位点。Rao 等研究了 SRB 对 Ti 的腐蚀,发现 SRB 可以破坏 Ti 表面的钝化膜,对Ti 造成局部腐蚀,产生 TiS2 和 PH3,金属表面形成局部蚀坑。Shalaby 等报道了SRB 存在条件下,产生 H 2 S 的去极化效应使得铜镍合金腐蚀电位更负,造成局部腐蚀。


    3.7pH值

 

    海 水 呈 弱 碱 性,pH 值 一 般 在7.5 ~ 8.6 之间,深海的碱性比浅海和水面的低一些,当海水 pH 值由 8.6 降到 7.5 时,铝镁合金点蚀及缝隙腐蚀趋势增加。由于地球化学的过程,例如碳酸盐的沉积和某些含碳酸盐矿物和岩石的溶解,以及水体的混合和涡动扩散,海流的辅聚和辅散等现象,都能使海水中的 CO 2 含量发生变化,从而影响海水中的 pH 值。有迹象表明,碳酸盐层对材料腐蚀有保护作用,由动力学因素可知:在深海环境下,随着压力增加,海水的 pH 值将降低,材料表面形成碳酸盐保护层的趋势变小。曹国良等选用镍铬系低合金钢 A 和普通碳钢 B,在不同pH 值条件下的极化实验。结果表明:随溶液 pH 值的升高,A 钢更容易钝化,点蚀诱发敏感性降低。在相同的 pH 值条件下,溶液中的溶解氧可促进钢的钝化,降低 pH 值对点蚀电位测定的敏感程度,使钢的临界钝化 pH 值降低。在上述 7 种主要环境的影响下,不同深度的设备所受的腐蚀程度也是不同的,因为随着深度的变化,7 种影响腐蚀的因素也会相应的发生变化。因此,在研究深海材料腐蚀时,必须综合考虑所有因素带来的影响。


    4 深海环境中材料的腐蚀机理研究及其进展

 

    在深海环境下,航行器或设备除了要承受点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀和隧道腐蚀外,还会承受强大的静压力所带来的机械性能的改变以及厌氧性细菌的腐蚀,在实际实验中,经常用平均腐蚀速率、最大腐蚀深度、最长隧道腐蚀长度、最大缝隙腐蚀深度等来反映深海中材料的腐蚀全貌。


    4.1深海材料腐蚀的研究方法

 

    鉴于上述深海环境的苛刻条件,深海环境中的航行器或设备腐蚀情况的研究是很困难的,目前深海材料腐蚀的研究方法可以分为实海暴露和室内模拟加速腐蚀两种。


    4.1.1 实海暴露实海暴露方法是一种现场实验,因此它的结果最为真实。美国海军于 1962 ~ 1970 年在加州怀尼美港外海太平洋海底进行了全面材料腐蚀实验,前苏联也曾于 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金属材料在不同深度海水中的腐蚀,我国于 2006 年在南海海域成功投入第一批试样进行实海暴露实验。实海暴露实验可以得到试样的腐蚀数据,但是由于深海环境条件苛刻,实验成本相当昂贵,实验周期很长,实验的可靠性也难以保障,因此,模拟深海环境条件,开展室内模拟加速腐蚀实验更为实用。


    4.1.2 室内模拟加速腐蚀。室内模拟加速腐蚀方法是在实验室内采用小试样和人工配制的海水介质,通过模拟海水环境,用化学或电化学加速方法研究影响材料腐蚀的主要因素和控制规律,Pekka 用该装置研究了铝镁合金 5083-H116,铝硅镁合金 6082-T6 和铝锌镁合金 7020-T5 在模拟深海环境下的腐蚀行为,由于深海环境多种多样,因而室内模拟加速腐蚀实验不可能完全模拟深海的环境条件。最好的方法是将室内模拟加速腐蚀实验和实海暴露方法相结合,同时体现二者的优势。


    4.2点蚀

 

    点蚀是金属表面局部区域出现纵深发展的腐蚀小孔,其余区域不腐蚀或是腐蚀轻微的现象。水下航行器及水下设备大多采用不锈钢制造而成,不锈钢之所以能够“不锈”,是因为它的表面生成了一层钝化膜。海水中富含的 Cl - 能够穿透钝化膜,使金属处在活化 - 钝化的状态,使不锈钢表面发生腐蚀,因此海水中不可避免的会发生点蚀现象 ( 图1)。张颖等采用绝迹稀释法与静态挂片腐蚀实验,配合微生物显微镜及扫描电镜 (SEM) 分析方法,对渤海某油田回注水微生物致碳钢点蚀问题进行了研究,重现了碳钢挂片点蚀历程,得出了微生物在碳钢点蚀形成初期起重要作用的结论。Venkatesan 等将一些有色金属放在印度洋 500,1200,3500 和 5100m 深处观察得知在深海区域大型污损生物几乎不存在,EM 的表面形貌研究得出这些有色金属会与海水发生电化学反应,从而发生电化学腐蚀,深度从 500m 下降到 5100m 时,铝合金的腐蚀速率逐渐增大。比较 2000 系铝合金在太平洋和印度洋不同深度海水环境中的腐蚀速率,可以发现虽然存在波动,但总体上 2000系铝合金在深海环境下的腐蚀速率增大;不锈钢的腐蚀速率变化几乎为 0,这是由于不锈钢表面的钝化膜降低了金属的腐蚀效果。Sawant 等在阿拉伯海域1000 ~ 2900m 的区域进行了周期 1a 的不锈钢挂板实验。结果证明:不锈钢的腐蚀速率随着海水深度的增加而逐渐降低。其主要原因是因为深海条件下 Cl -的浓度降低,O 浓度增加,更有利于钝化膜的形成,因此使金属得到了保护;另一方面,由于在很小的氧浓度下不锈钢就可以维持表面的钝化状态,海水的温度随着海洋深度的增加而降低,进而降低了 Cl - 的活性,使其较难穿透金属的钝化膜,从而减轻了金属的腐蚀。液体静压力也会对深海 Ni-Cr-Mo-V 高强度钢的腐蚀产生影响,随着深度的增加,阳极反应速率增加,导致 Ni-Cr-Mo-V钢的耐腐蚀性能急剧恶化。SEM 观察结果表明,静水压力的增加增大了亚稳态点蚀,增加了 Ni-Cr-Mo-V 钢的平均腐蚀性能敏感性。


    4.3缝隙腐蚀

 

    缝隙腐蚀也是金属常见的一种腐蚀形式,主要是因为在金属表面的小缝隙中已形成氧浓差电池,缝隙内外形成一个小的腐蚀微电池,加大了腐蚀速率。一般的缝隙腐蚀主要是发生在沉淀物或藤壶下面及各个接头的结合面处,但是在深海中,由于极少存在微生物和石灰质壳体,因此很少有可见的缝隙腐蚀存在,此外由于温度的降低使得 Cl - 的活性和穿透钝化膜的能力大大降低。缝隙腐蚀的影响因素有很多,除了上述各影响因子外,金属的缝隙腐蚀还与缝隙处的有效阴极面积有关。Logan 通过对比深海和浅海不同条件下的缝隙腐蚀速率,证明了缝隙腐蚀随含氧量的增加而增加;同时,在一定的含氧量的条件下,随着阴极面积的增大,缝隙腐蚀的速率也相应的增大。中船重工七二五研究所青岛分部研究了室温下氧饱和、室温下除氧和 4℃除氧 3 种条件下含氧量和温度对304 不锈钢缝隙腐蚀的影响,结果表明 3种条件下 304 不锈钢的抗腐蚀性随着温度和含氧量的降低逐渐增加,证明含氧量和温度是金属缝隙腐蚀的影响因素。


3

4

 

5

图3 卸扣应力腐蚀图

 

    4.4隧道腐蚀

 

    隧道腐蚀是点蚀的一种形式,但是又不同于一般的点蚀,因为它大多数情况下不会存在于金属的表面,但是会以表面点蚀为起点,向表面周围及内向进行扩展,会在表面形成一种未受腐蚀的表面薄膜。图 2 是我国南海某海域浮球定位架上的美标 304 不锈钢杆腐蚀后的形貌照片,可明显看到隧道腐蚀的情况。304 不锈钢放在 1615m 的海底暴露1064d,同时将 301 不锈钢和美标 304不锈钢暴露在 5300m 的深海 1064d 后取出,发现在不同深度下不同材料的隧道腐蚀速率是不一样的。


    4.5应力腐蚀

 

    应力腐蚀造成材料断裂会给深海设备造成最严重的后果,它是金属材料在拉应力和特定的环境下共同作用造成的。在没有发生断裂之前,拉应力和腐蚀介质共同对金属作用,材料在几乎不发生任何形变的情况下发生断裂,危害性极大。图 3 为南海 500m 水深处的卸扣应力腐蚀断裂全貌和裂口放大后的图片。目前,有关金属材料在深海所造成的应力腐蚀文献不多,但是由于应力腐蚀造成的危害已经引起了国内外学者的关注。15-7AMV 和 RH1150 不锈钢在 1720m 的深海下暴露 751d 后发生断裂,AISI300 系列不锈钢在 762 和 1830m深的海水中暴露不同的时间则不会发生应力腐蚀断裂。深海中不同系列的铝合金应力腐蚀研究表明:选择屈服强度为50% 和 75% 的应力,在 760m 的深海中暴露 402d,除 7000 系外其他系列铝合金均无应力腐蚀敏感性。7000 系铝合金中 7075,7079 和 7178 合金存在应力腐蚀开裂现象。这说明材料的应力腐蚀和材料的材质有关。另外,由于不锈钢等金属材料在不同的海水深度下也会造成力学性能的改变,有些金属其抗拉强度、屈服强度和伸长率经过一段时间后都会发生明显降低,这将严重影响不锈钢等金属材料在深海中的应用,但是还不确定随深度增加其机械强度的变化情况。


    4.6厌氧型还原菌带来的腐蚀

 

    微生物对金属的腐蚀危害已经日益受到人们的重视,特别是无氧或低含氧的环境中能大量繁殖生长的 SRB,在缺氧的条件下,SRB产生阴极去极化作用,使 SO4 2+ 氧化被吸附的 H,从而加快了析氢腐蚀反应。SRB 的代谢产物也会加速深海材料的腐蚀,King 等发现,代谢产物中浓度较高的 Fe 2+ 对低碳钢厌氧腐蚀有促进作用,低碳钢腐蚀速率随 SRB产生的 H 2 S 浓度而改变。因此,深海中SRB 的存在能明显加速金属腐蚀,导致深海航行器、输油管线、注水管线等设备发生局部腐蚀穿孔现象,造成较大的损失。因此,防止由 SRB 带来的腐蚀已经成为腐蚀科学和微生物学共同关注的课题。深海环境下 O 的含量相对于浅海是很小的,因此海水中只能溶解少量的O,这种条件较适于厌氧型微生物的生长。微生物的腐蚀可以看做生物与非生物间的电转移过程,微生物的代谢会影响生物腐蚀的过程,主要是因为表面可能产生的生物膜使表面的 O 含量分布不均,增大金属表面电子转移阻力,而且会产生酸和阴极反应的物质。段继周的研究表明覆盖有 SRB 生物膜时,SRB 增大了不锈钢的局部腐蚀,表层钝化膜中出现了少量的 Mo 和 S,表明 SRB 代谢产生的生物有机硫化物可能参与了不锈钢的腐蚀过程。


    5 深海环境中材料的防腐蚀措施研究与进展

 

    在深海环境中,材料的腐蚀是不可避免的,所以必须采取合理、有效的方法来控制材料的腐蚀。目前最主要的降低深海材料腐蚀的方法有:研制新型耐腐蚀材料、喷涂有机涂层、阴极保护及增强材料表面耐腐蚀性能的其他方法。


    5.1研发新型耐腐蚀材料

 

    新型耐腐蚀材料采用耐腐蚀合金钢、Cu、聚乙烯、聚氯乙烯和环氧树脂等常规材料,会造成成本的大幅增长,性能也得不到保障。为了使材料都能够达到相应的耐腐蚀性能和力学性能的要求,有些学者将不锈钢与一些有机大分子材料反应生成了性能较好的生物有机金属材料。比如以陶瓷基为基础研制的陶瓷基复合材料,它相对于一般的陶瓷材料有着很好的韧性、强度,相对于一般的金属材料又有着较强的抗腐蚀能力,使得陶瓷基复合材料有良好的使用前景。Elisabeth 等将生物肽和 304 不锈钢进行反应,得到一种表面能低、耐腐蚀性强的新型生物有机金属材料,它既有很好的耐腐蚀、减阻效果,又不会造成海洋污染,虽然这种材料还没有得到应用,但势必将成为船舶、医学、海底石油开采等行业研究的方向。


    5.2喷涂防微生物附着涂料

 

    针对深水腐蚀环境,国内外加大防腐涂层的研究工作,新方法、新工艺层出不穷。近年来,由于 3LPE 防腐层在使用中可能出现聚乙烯层与环氧粉末底层的粘结失效,从而导致阴极保护电流被屏蔽的问题,世界各国加大了对现有的防腐方法的升级改造,国外目前研发并开始应用的有 3LPP 防腐涂层、陶氏新型 3LPE 管道防腐涂层、高性能复合涂层(HPCC),随着纳米技术的飞速发展,纳米改性涂层能达到防水、防腐、增强材料的力学性能等无可比拟的优势,此项技术虽尚处于起步阶段,但有可能成为今后深水材料防腐的研究方向。互穿网络聚合物是新型高分子材料,通过特殊的制备方法,将两种不相混溶的聚合物通过网络互相穿插,互相缠结,强迫相溶,而保持原聚合物的记忆效应,具有协同作用而获得良好的抗腐蚀功能。也可以采用加入点蚀缓蚀剂及使用防腐涂料等方法降低航行器和设备表面的腐蚀程度。


    高压海水渗透和海水压力交变是可能引起防腐涂料在深海环境中发生早期失效的腐蚀条件,因此,深海防腐涂料失效主要有海水压力增大引起的渗透失效和海水压力的交替变化引起的力学失效两种模式。所以,深海环境条件下使用的防腐蚀涂料除了应具备常规防腐蚀涂料的性能之外,还应具备耐高压海水渗透性和耐海水压力交变性,使涂层在深海压力环境中保持良好的防腐蚀性、力学性能和耐久性。


    5.3阴极保护

 

    阴极保护采用一种比所用材料更负的金属作为要牺牲的阳极,提供保护电流,以保证金属构件不受大的损害。在某些条件下也可以外加电流,使被保护金属构件保持一个足够负的电位来预防金属的溶解。不同海域、不同深度、以及不同暴露时间,不同金属及合金材料所需要的阴极保护电流差异很大。例如在深海中,将 Al 阳极中的 Zn 含量由常规的 3% 提高到 5%,虽然成分的变化不大,但阳极性能的变化却是显著的。胡舸利用电化学原理对海底管线遭受到的腐蚀进行了分析,并提出了通入一定电流,采用阴极保护的方式使材料不处在能发生应力腐蚀的电位范围内,减少电化学反应造成的应力腐蚀断裂,进而使海底管线等材料遭受的腐蚀大幅降低。


    5.4其他方法

 

    5.4.1 合理选材选择耐压、耐腐蚀的材料,增强设备材料本身带来的耐腐蚀效果,加入 Cr,Mo 和 N 等元素,提高钢基体抗点蚀能力;加入高氮奥氏体不锈钢,提高基体材料的耐腐蚀;减少钢中杂物,特别是 S 的含量,以提高材料局部耐点蚀能力。


    5.4.2 优化材料的加工设计通过优化材料加工工艺,减少金属上的缝隙,减少缝隙外部的面积,以降低浓氧差电池形成的可能性,降低缝隙腐蚀带来的危害。优化材料的加工还能避免应力集中,在制造加工时注意工艺的合理性,从材料本身降低应力腐蚀断裂的可能性,降低金属材料的腐蚀性能。也可以通过控制表面的环境因素以及合理的设计表面结构降低应力带来的腐蚀断裂。也有学者研究细菌之间的拮抗作用或者加入杀菌剂的方法降低污损生物带来的影响,但是还都处于研发阶段,没有投入到船舶的日常运行中。虽然深海中氧浓度高、Cl -活性和浓度较小、温度较低,使金属材料的腐蚀减轻,但是,由于深海腐蚀会带来巨大的危害,需要对深海腐蚀进行深入的研究。通过对单一或几个腐蚀因子的研究来降低或预防深海材料的腐蚀是不全面的,应该综合采用合理的方法避免深海环境下的金属腐蚀,延长深海材料的使用寿命。


    6 展望

 

    深海地域蕴藏着丰富的资源,随着近些年陆上矿物能源的枯竭,越来越多的国家开始了对海洋资源的研究、开发和利用,并取得了一些成效。深海之争归根结底为资源之争,深海领域的发展是非常依赖于材料科技的发展来取得突破的,特别是专门用于深海探测与使用的材料。由于深海环境的苛刻要求,对深海材料腐蚀的研究提出了很大的挑战。因此,这需要多学科的支持,综合各方面的因素降低深海环境下的材料腐蚀。鉴于当前对深海材料腐蚀研究的现状,笔者认为未来对深海材料的腐蚀研究应集中在:(1) 建立可以模拟真实环境下材料腐蚀的实验平台,提高模拟的准确性;(2) 进一步研究深海环境下材料的腐蚀机理,为降低材料的腐蚀提供理论依据;(3) 建立深海材料腐蚀数据库,以便于以后的学者更好地研究深海环境下的材料腐蚀与防护。

标签: 海洋, 深海环境, 材料, 腐蚀, 腐蚀防护

腐蚀与防护网官方微信

官方微信

新闻 天天有料
分享到: