分析海水中鋼鐵電偶腐蝕的影響因素

近年來，隨著海洋資源的不斷開發(fā)與利用，海洋工程裝備得到了快速發(fā)展，鋼鐵作為主要結(jié)構(gòu)材料在苛刻的海洋環(huán)境中面臨著嚴(yán)峻的電偶腐蝕問題。電偶腐蝕指兩種及以上電化學(xué)性質(zhì)不同的金屬在同一導(dǎo)電介質(zhì)中接觸后形成腐蝕原電池，也稱作接觸腐蝕。它是一種常見且會(huì)帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失的腐蝕。電偶腐蝕發(fā)生時(shí)，通常伴隨著各類局部腐蝕，如應(yīng)力腐蝕、點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、氫脆等，加速設(shè)備損壞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

海洋裝備結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境苛刻，難以檢測和維護(hù)，一旦發(fā)生失效或者破損，極易導(dǎo)致災(zāi)難性后果，除了縮短海洋工程的服役壽命外，還會(huì)引起環(huán)境災(zāi)難等事故。然而，海洋環(huán)境的綜合性、動(dòng)態(tài)化，導(dǎo)致電偶腐蝕問題十分雜性。不同金屬材料、不同海域?qū)?yīng)的含氧量、溫度、pH、含鹽量、海水流速和海洋微生物污損等都不相同。

海水中鋼鐵電偶腐蝕的影響因素

影響鋼鐵電偶腐蝕的因素錯(cuò)綜復(fù)雜，海水中的電偶腐蝕除了與材料自身的電位有關(guān)，還與陰/陽面積比，海水性質(zhì)(電導(dǎo)率、含氧量、溫度、pH等)等因素有關(guān)。

① 陰/陽極面積比

在一般情況下，陽極金屬電偶腐蝕與陰/陽極面積比成正比。徐強(qiáng)等對(duì)不銹鋼與船體鋼在海水中的電偶腐蝕行為進(jìn)行了研究。當(dāng)電偶腐蝕發(fā)生時(shí)，不銹鋼為陰極，船體鋼為陽極。船體鋼的腐蝕速率和平均腐蝕深度也隨不銹鋼/船體鋼面積比減小而減小，不銹鋼則不受影響。黃桂橋等研究海水中不同電位差和面積比(電)偶對(duì)的電偶腐蝕行為，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果簡化了鋼偶對(duì)的陽極腐蝕速率方程，發(fā)現(xiàn)陽極腐蝕速率與陰/陽極面積比之間存在非線性關(guān)系，并且陽極的腐蝕速率存在一個(gè)極限值，如圖1所示。

圖1 3C(碳鋼)的腐蝕速率與陰陽極表面積比的關(guān)系

② 海水性質(zhì)

海水電導(dǎo)率會(huì)影響海水中溶解氧的濃度，進(jìn)而影響電偶腐蝕的發(fā)生。此外，電導(dǎo)率越大，海水中離子和電子的傳播速度越快，這會(huì)加速鋼鐵在海水中的電偶腐蝕行為。當(dāng)海水的溫度與壓力不變時(shí)，海水的電導(dǎo)率與海水的離子組成有關(guān)。

鋼鐵在高含氧海水中的電位較高，在低含氧海水中的電位較低，兩者之間會(huì)形成氧濃差電池，加速陽極電偶腐蝕。

除了海水電導(dǎo)率、溶解氧含量、溫度外，鋼鐵的電偶腐蝕行為也與海水的pH和海水流速有關(guān)。降低pH一方面有利于推進(jìn)陰極過程，加速電偶腐蝕，另一方面還會(huì)影響金屬表面膜的溶解和保護(hù)膜的形成，進(jìn)而影響金屬的電偶腐蝕。

海水流速一方面會(huì)影響海水中溶解氧的擴(kuò)散，另一方面也會(huì)影響腐蝕產(chǎn)物對(duì)電偶對(duì)的保護(hù)作用。SHI等研究表明，在不同流速海水中，不同金屬之間存在明顯的電偶腐蝕傾向，作為陰極的金屬受到保護(hù)。HASAN研究發(fā)現(xiàn)在碳鋼表面有腐蝕產(chǎn)物形成時(shí)，流動(dòng)條件下，碳鋼/銅電偶對(duì)的電偶電流顯著大于靜態(tài)條件，這是由于流動(dòng)條件下，腐蝕產(chǎn)物無法沉積在碳鋼表面，腐蝕產(chǎn)物的保護(hù)作用被削弱。

海洋生物可以吸附在鋼結(jié)構(gòu)表面，阻止氧氣的滲透，降低鋼結(jié)構(gòu)電偶腐蝕的可能性，但它們不能形成致密的覆蓋層，反而會(huì)加重鋼結(jié)構(gòu)的電偶腐蝕。WAN等研究了在人工海水中，硫酸鹽還原菌(SRB)對(duì)不銹鋼與碳鋼電偶腐蝕的影響，發(fā)現(xiàn)含SRB培養(yǎng)基中的電偶效應(yīng)高于無菌培養(yǎng)基，其還促進(jìn)了不銹鋼在生物介質(zhì)中的電偶腐蝕，這對(duì)理解雙金屬復(fù)合管道的微生物腐蝕具有重要意義。

③ 焊接對(duì)鋼鐵電偶腐蝕的影響

焊接是海洋工程和海洋工程裝備鋼結(jié)構(gòu)中最主要的連接方式。隨著海洋資源的開發(fā)，海洋用鋼數(shù)量劇增，焊接工藝也被廣泛應(yīng)用于海洋工程制作中。然而，焊縫附近最容易發(fā)生電偶腐蝕，這是由于焊接過程改變了金屬的化學(xué)性能，不同位置具有不同電位，最終引起電偶腐蝕。

電偶腐蝕是海洋環(huán)境中常見的一種腐蝕失效形式，能誘發(fā)多種腐蝕，是造成海洋工程損傷、失效、破壞的重要原因。隨著我國海洋資源的探索、開發(fā)、利用和保護(hù)，海洋用鋼的需求和要求也越來越高，海洋工程材料的腐蝕與防護(hù)成為制約海洋裝備長周期安全服役的關(guān)鍵問題。盡管國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)電偶腐蝕展開了大量研究，但仍存在一些問題：

1、目前關(guān)于電偶腐蝕的研究主要集中在雙金屬結(jié)構(gòu)，對(duì)于多元復(fù)雜耦合腐蝕體系的研究較少。然而實(shí)際情況中三種及以上金屬耦合的結(jié)構(gòu)更為普遍，嚴(yán)苛且復(fù)雜的工況也較多，需要對(duì)多元復(fù)雜耦合腐蝕體系進(jìn)行深入研究。

2、海水是一個(gè)復(fù)雜的體系，它的綜合性、復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性要求我們?cè)谘芯窟^程中，要注意海水因素的協(xié)同作用對(duì)電偶腐蝕的影響。

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