海洋工程裝備腐蝕監測技術研究現狀

梁來雨 李 生 何利勇 盧云飛 石鵬飛

（1. 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064；2. 海軍駐武漢地區第三軍事代表室，湖北 武漢 430064）

0 引言

我國已經明確提出“建設海洋強國”的戰略目標，以海洋資源開發為目的的海洋工程產業蓬勃興起，相應的海洋工程裝備研制日益發展壯大。相對于陸用裝備，在海洋環境下服役的裝備（包括船舶、海洋平臺、管道等等）面臨著嚴酷的海洋環境腐蝕，材料的腐蝕損傷是制約海洋工程裝備服役安全性的關鍵因素[1]。

腐蝕監測技術是指利用在線檢測儀器及腐蝕分析方法，對裝備的腐蝕狀態、腐蝕速率及某些腐蝕相關參數進行實時測量，根據測量數據對裝備的實時腐蝕狀態及腐蝕安全性進行評估。為保障海洋工程裝備的服役安全，除了充分的防腐蝕設計外，還需要在必要的部位（如不易檢修的部位、關鍵壓力邊界部位等）應用腐蝕狀態監測技術，實時掌握材料或結構部件的腐蝕狀態，杜絕突發腐蝕泄漏故障，確保裝備服役期間的腐蝕安全性[2-6]。

隨著海洋資源的開發，海洋工程裝備的腐蝕問題將越來越凸顯，腐蝕監測技術在海洋工程裝備的腐蝕安全保障方面的應用也將越來越多。基于此，本文對海洋工程裝備腐蝕監測技術的研究及應用現狀進行了簡要概述，對其未來的研究方向進行展望。

1 腐蝕監測技術體系

根據腐蝕監測技術特征，可以分為直接監測技術和間接監測技術，直接監測技術測量的是因腐蝕或沖蝕而出現直接變化的參數；而間接監測技術測量的是那些影響腐蝕或沖蝕，或受腐蝕或沖蝕影響而出現變化的參數。其中直接監測技術又分為侵入式技術和非侵入式技術兩類，間接監測技術分為在線技術和離線技術兩類。侵入式技術是指需要穿過管線或容器外壁，直接接觸到內部介質進行測量的技術，一般來說，侵入式技術需要特定形式的探針或測試片；間接監測技術可以是在線或離線的，對于在線技術而言，不需要將設備從工藝過程中移除，而離線技術則需要從工藝過程中采集樣品或試片進行分析。根據以上分類，對目前存在的腐蝕監測技術進行分類劃分，形成技術體系，分別如圖1、2所示[7-12]。

圖1 腐蝕直接監測技術體系

根據圖1、圖2所列的腐蝕監測技術體系，對適用于海洋環境下工程裝備的腐蝕監測技術進行簡要闡述。

圖2 腐蝕間接監測技術體系

1.1 腐蝕失重掛片

失重掛片是將小的金屬掛片，暴露于特定的環境中一段時間，來確定金屬在環境中的反應。測試結束后將掛片從環境中取出，表面的腐蝕產物采用物理或化學的方式清除。掛片可以直接安裝在有代表性的海洋腐蝕環境中（如不同深度、不同海域等），也可以將掛片安裝在裝備內部流道或部件中。試片的設計一般根據測試的目的進行，如扁平試片用于均勻腐蝕或點蝕，焊接試片用于焊縫局部腐蝕，應力試片用于應力腐蝕開裂。通過計算金屬損失，可以確定試片在特定時間段內的平均腐蝕速率。

腐蝕掛片技術原則簡單易懂，可以在很小的空間對多種金屬進行對比，掛片本身成本較低。但是，該技術有以下局限性：

（1）所獲得的腐蝕速率數據是掛片時間內的平均腐蝕速率，局部腐蝕需通過光學顯微鏡等技術進行測量；

（2）掛片時間過短可能導致結果不具有代表性，一般來說，由于腐蝕其階段腐蝕速率較高，那么可能掛片數據高出現場材料正常腐蝕速率；

（3）在掛片期間，無法判斷腐蝕失效的時間或程度；

（4）腐蝕速率只能在掛片取出后進行計算；

（5）掛片的清理和分析過程耗費附加成本和時間；

（6）掛片的清理對于結果的計算影響很大（尤其是實驗室測試）。

1.2 電阻技術

電阻技術的基本原理就是被測金屬的電阻值會因為其截面區域受腐蝕、沖蝕作用減小后而升高。在實際應用過程中，一般會使用一支溫度補償探頭進行對比，彌補因溫度造成的電阻變化。由于電阻值一般較小，因此測量時采用一些高靈敏電子元件。

電阻技術可進行持續監測，對于了解控制腐蝕過程作用較大，幾乎可用于任何環境，相應快，可在較嚴重問題出現之前采取想控制措施，不需從該系統中取出探頭就可以進行測量。但是，該技術具有以下局限性：

（1）監測結果一般代表均勻腐蝕的腐蝕速率，對于局部腐蝕敏感性較差；

（2）在電化學腐蝕環境中，相對于電化學技術，電阻探針確定腐蝕速率所需要的時間相對較長（幾小時到幾天）；

（3）在某些條件下，部分導電的腐蝕產物（如硫化鐵）沉積在探頭表面，可能導致腐蝕速率測量值降低；

（4）當安裝環境出現較大溫度波動時，會引起測量腐蝕速率出現波動。

1.3 腐蝕電位監測

腐蝕電位的監測，主要是通過與極化數據結合，用來預測腐蝕行為；或是與電位pH圖及氧化還原電位結合，來確定目前的相平衡狀態。通過腐蝕電位監測，還可以確定目前不銹鋼是處于活化還是鈍化狀態，同時對于電化學保護系統的工作狀態也可起到良好的監測。

腐蝕電位監測可以簡單快速地監測金屬是否處于鈍化狀態，也可以用來監測系統腐蝕隨時間的變化及頻率。但是，該技術具有以下局限性：

（1）不能用于腐蝕速率的測量；

（2）所采用的殘壁電極有可能在工藝介質中發生反應；

（3）殘壁電極可能造成污染；

（4）在高于100°C是需使用特殊的參比電極。

1.4 超聲測厚技術

使用超聲技術測量固體的厚度已有數十年的歷史，起源就是利用測量一個特定頻率的波穿過一個固體的時間來計算物體的厚度。過去，常用的超聲測厚技術只能針對一個點的厚度進行測量，而現在，使用馬達驅動機器人操作的面測厚系統，可以在0.1m2的面積上同時進行幾千甚至上萬個點的測厚。同時，隨著計算機控制系統的發展，自動在線測厚技術也已成功應用。

2 海洋工程裝備腐蝕監測技術應用現狀

根據材料特征，海洋工程裝備大致可分為金屬結構和混凝土結構兩類。鋼結構的裝備包括船舶、海底管道、鉆井平臺等；混凝土結構主要包括海洋岸防設施等，金屬結構的腐蝕監測主要關注金屬材料的腐蝕減薄、局部穿孔等信息，混凝土結構腐蝕監測主要關注混凝土內部鋼筋的銹蝕。根據監測目的不同，兩類海洋工程結構采取的腐蝕監測技術方法也有所差別[13]。

2.1 金屬結構腐蝕監測

目前，金屬結構在海洋中服役時，以電化學腐蝕和沖刷腐蝕為主，相應的腐蝕監測技術也與這兩種腐蝕行為相匹配[14]。以船舶為例，相關資料顯示，美國艦船的鋼制壓載水艙內部廣泛應用了腐蝕電位監測裝置，通過腐蝕電位的監測來判斷壓載艙內部涂層破損情況及陰極保護系統的工作情況。應用情況如圖3所示，其中，參比電極采用Ag/AgCl電極，通過數據采集將不同部位的腐蝕電位分布情況進行系統分析，當局部涂層破損時，破損部位的腐蝕電位較完好部位的腐蝕電位會有所下降，可以通過腐蝕電位的變化定性判斷涂層體系的使用情況。此外，腐蝕電位監測也可以對壓載艙內部的犧牲陽極陰極保護系統的工作情況進行判別，當犧牲陽極達到消耗下限或局部布置不合理時，相應的保護電位會教標準電位有所差別，通過該差值判斷陰極保護系統的工作情況。

圖3 船舶壓載水艙內部腐蝕電位監測系統

2.2 混凝土結構腐蝕監測

海洋環境下混凝土中的鋼筋腐蝕主要是電化學反應，鋼筋表面在滲入的氯離子作用下發生腐蝕，因此，電化學方法是監測混凝土中鋼筋腐蝕的有效方法。檢測鋼筋混凝土腐蝕的電化學方法主要有如下幾種：半電池電位法、線性極化法、電化學阻抗譜、電阻率法、電化學噪聲法等[15]。以港珠澳大橋主體混凝土結構耐久性監測為例[16]，采用了ECI-2耐久性監測傳感器，設計的鋼筋電極、輔助電極和參比電極體系，采用線性極化方法實時監測鋼筋的腐蝕速率及腐蝕電位，另外，傳感器中還集成了氯離子探針和混凝土電阻率探針，可以實時定量監測混凝土中的氯離子濃度和混凝土的電阻率，達到混凝土結構耐久性綜合監測的目的。

圖4 港珠澳大橋混凝土結構采用的ECI-2耐久性監測傳感器

3 腐蝕監測技術研究展望

隨著海洋資源的開發，材料在極端海洋環境中的腐蝕將成為制約裝備走向深海、遠海的關鍵因素。由于腐蝕監測技術在材料腐蝕安全性保障方面的獨特優勢，將在海洋工程裝備設計中越來越受到重視，其作用也將越來越凸顯。展望未來海洋工程裝備腐蝕監測技術的研究，主要有以下幾個方向：

（1）極端海洋環境下原位腐蝕監測技術的開發。深海環境腐蝕條件苛刻，材料腐蝕安全性要求高，但常規的腐蝕監測技術在信號傳輸、信息提取等方面存在難點，開發適用于深海極端環境下的腐蝕監測技術，服務于深海資源開發，是未來腐蝕監測領域研究的亟需；

（2）局部腐蝕損傷的監測技術。局部腐蝕危害性大，是目前導致海洋工程裝備突發性腐蝕泄漏的主要原因，由于局部腐蝕（如點蝕）的發生具有隨機性，可靠的腐蝕監測困難，開發能夠實現局部腐蝕可靠監測的技術是工程應用亟需；

（3）多方法協同的腐蝕監測技術。海洋環境腐蝕呈多因素協同作用的特點，存在力學-電化學、生物-電化學、氧化-電化學的協同腐蝕作用，單一的腐蝕監測技術難以全面反映出裝備的腐蝕風險，因此，開發多方法協同的腐蝕監測技術，各技術之間相互彌補，達到可靠監測的目的；

（4）基于腐蝕監測的智能壽命預測方法。開展腐蝕監測數據的智能學習和分析方法研究，從有限數據樣本中提取裝備未來腐蝕行為的信息提前預測評估裝備腐蝕風險。