海洋環(huán)境中金屬腐蝕與防護(hù)的研究進(jìn)展

宋志政　倪文杰

摘? 要：海洋是生命的搖籃，是人類重要的資源儲存庫，其面積占地球面積的71%。近年來，海洋開發(fā)已成為世界三大發(fā)展方向之一，而21世紀(jì)則將是“海洋發(fā)展的新時代”，而海洋的開發(fā)首先要面對的是惡劣而復(fù)雜的海洋環(huán)境。文章從海洋金屬腐蝕的原理、影響因素、腐蝕規(guī)律、防護(hù)技術(shù)及展望等方面來介紹海洋環(huán)境中金屬腐蝕與防護(hù)。

關(guān)鍵詞：海洋環(huán)境;金屬腐蝕;腐蝕規(guī)律;腐蝕防護(hù)

前言

金屬腐蝕是指金屬或合金在氧氣、水以及其他物質(zhì)的作用下發(fā)生的腐蝕或變色，腐蝕產(chǎn)物一般表示為xFe₂O₃·y FeO·z H₂O。海水是一種含鹽量高的電解質(zhì)溶液，金屬在海洋環(huán)境中經(jīng)過各種因素的作用發(fā)生的腐蝕即為海洋腐蝕。海洋金屬腐蝕是非常普遍的，給人們帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和學(xué)術(shù)困擾。隨著全球海洋戰(zhàn)略的發(fā)展，研究海洋環(huán)境中金屬的腐蝕規(guī)律，腐蝕的防護(hù)等有著極為重要的意義。

1.海水腐蝕原理及影響因素

1.1海水腐蝕原理

海水是高含鹽量的電解質(zhì)，海水對金屬的腐蝕作用本質(zhì)上是電化學(xué)反應(yīng)過程。由于海水中金屬腐蝕的陽極極化阻滯小，所以腐蝕速度快;只有鎂等少數(shù)電負(fù)性較強(qiáng)的金屬腐蝕時產(chǎn)生陰極的氫去極化作用。

1.2影響海水腐蝕的因素

1.2.1鹽類及其濃度

海水中鹽類主要是NaCl，鹽度大約為32%～34%之間，水的電導(dǎo)率隨著水中含鹽量的增加而增大，但是DO值隨水中含鹽量增加而降低。當(dāng)含鹽量較低時，隨鹽度的增加，氯離子濃度增大，使陽極反應(yīng)加快，導(dǎo)致腐蝕速率增大;當(dāng)水中含鹽量達(dá)到一定值后，金屬的腐蝕速率會隨含鹽量的增加而降低，其原因在于水中鹽度增加，DO降低。

1.2.2PH值

海水的PH范圍為7.2～8.6，影響海水PH的因素有溶解的CO₂，海洋生物的生理作用，動植物死亡后分解的碳酸鹽等，由于海水呈中性，所以對腐蝕的影響力較小。然而，在深海區(qū)PH會降低一些，不易形成碳酸鹽水垢，腐蝕速度會有所增大。

1.2.3碳酸鹽飽和度

海水中的碳酸鹽濃度一般處于飽和狀態(tài)，較易于在金屬的表面沉積而形成保護(hù)層。在出海口處，碳酸鹽不飽和，所以難以析出保護(hù)層，盡管電解本身的腐蝕性并不是很強(qiáng)，但腐蝕速度會加大。

1.2.4溶解氧含量

一般情況下，海水中DO值可達(dá)到12mg/L。當(dāng)海水中DO值增大時，金屬的腐蝕速度會加快。波浪及綠色植物的光合作用會提高海水中DO值，海洋生物的呼吸作用以及微生物的分解作用會降低DO值，污染海水中溶解氧含量會大大降低，DO值也會隨海水深度的不同而有相應(yīng)的變化。

1.2.5溫度

金屬的腐蝕速率隨溫度的升高而加快。通常情況下認(rèn)為海水溫度每升高10℃，金屬腐蝕速率變?yōu)樵瓉淼膬杀丁５Ｋ械娜芙庋鹾繒S溫度的升高而降低，使金屬的腐蝕速率降低。鐵、銅及其合金在炎熱的環(huán)境中海水腐蝕速度較大。

1.2.6流速

隨著流量的增大海水的腐蝕速率增加。對于鈦、鎳合金和高鉻不銹鋼等能在海水中鈍化的金屬而言，一定的流速可以促進(jìn)它們的鈍化，從而提高了其耐腐蝕性能。

1.2.7海洋生物

海洋生物會在船舶和海洋建筑等的表面留下縫隙，導(dǎo)致縫隙腐蝕。除此之外，微生物產(chǎn)生的NH₃、H₂S和CO₂等腐蝕性物質(zhì)，硫酸鹽還原菌產(chǎn)生的O₂等均能夠加快金屬的腐蝕。

2.海洋腐蝕規(guī)律

海洋腐蝕環(huán)境研究主要是從環(huán)境角度來考察海洋環(huán)境下材料的腐蝕程度問題。海洋腐蝕環(huán)境一般包括以下五個腐蝕帶區(qū)。

2.1大氣區(qū)

海鹽微粒和陸地大氣是該區(qū)域的主要影響因素。大氣區(qū)中，干燥的金屬表面與含鹽濕膜在一定時間內(nèi)交替變換，最終形成物理和電化學(xué)作用加快金屬的腐蝕速率。

2.2飛濺區(qū)

海水的飛濺導(dǎo)致金屬表面經(jīng)常處于潮濕狀態(tài)，而且表面的氧氣充足，陽光的照射又可以提高海水的溫度，這就形成了海洋腐蝕中最好的腐蝕條件，因此飛濺區(qū)也是海洋腐蝕最嚴(yán)重，破壞性最大的區(qū)域。

2.3潮差區(qū)

潮差區(qū)中水線上方的金屬比下方的金屬供氧充足，兩者構(gòu)成一個回路，富氧的潮差區(qū)為電池的陰極，缺氧的區(qū)域為電池的陽極，形成了一個大型的氧濃差腐蝕電池。所以，潮差區(qū)的金屬由于陰極保護(hù)作用而腐蝕速率最慢。

2.4全浸區(qū)

全浸區(qū)中，淺海的腐蝕速率往往比大氣腐蝕快，而深海區(qū)由于溶解氧含量以及水溫低的原因，腐蝕速率較緩慢。

2.5海泥區(qū)

海泥區(qū)受海水的影響小，受硫酸鹽還原菌等微生物作用影響大，由于該區(qū)域溫度低，DO值小，所以設(shè)備腐蝕程度輕，在海流作用交界處會發(fā)生一定的腐蝕作用。

3.海水腐蝕的防護(hù)措施

3.1選用合適金屬材料，研制新型防腐材料

海洋設(shè)施中最常用的是鋼鐵材料，鈦、鎳、銅合金在海水中的耐腐蝕性能好，但因成本高而只用于設(shè)施的部分關(guān)鍵部位。鋼鐵材料的牌號多種多樣，使用時應(yīng)進(jìn)行合理的選擇和搭配。

3.2涂層保護(hù)

涂層防護(hù)是金屬材料在海洋環(huán)境中防腐蝕最常用的方法，涂層材料主要有防銹涂料和防生物污染涂料等。

3.3電化學(xué)保護(hù)

電化學(xué)保護(hù)有陽極保護(hù)法和陰極保護(hù)法兩大類。陽極保護(hù)法是基于金屬鈍化原理，對金屬材料通過陽極極化電流，在表面形成耐腐蝕的鈍化膜來降低金屬腐蝕速率的保護(hù)措施。陰極防護(hù)法常用于海水全浸區(qū)的金屬防腐，主要有外加電流的陰極防護(hù)法和犧牲陽極的陰極防護(hù)法。

4.展望

隨著“一帶一路”、“海洋強(qiáng)國”等戰(zhàn)略政策的提出及實踐，我國對海洋的開發(fā)力度正在逐漸加大，世界各國也在加快海洋建設(shè)的步伐。但是現(xiàn)有的防腐技術(shù)在復(fù)雜的海洋環(huán)境腐蝕環(huán)境中仍有一些缺點和不足，“海洋開發(fā)新時代”的到來必然會加快海洋防腐研究的進(jìn)一步發(fā)展，促進(jìn)人類經(jīng)濟(jì)、社會的發(fā)展。

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作者簡介：宋志政（1998-），男，山東淄博人，現(xiàn)于山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院攻讀學(xué)士學(xué)位，主要從事環(huán)境工程相關(guān)的專業(yè)研究。