加快我國能源戰略所涉及的船舶制造、深海勘探、鉆井平臺、海底管道等重大海洋工程建設步伐，縮短與世界先進水平的差距。

    文/李金許

    概述

    隨著淺海資源長期開采日漸枯竭，從淺海走向深海已成為海洋資源開發的總趨勢。目前，我國海上油氣勘探及開發主要局限在近海大陸架不超過150米水深的海域，盡快進行水深超過500米深海海域油氣勘探開發，大幅度增加海上石油產量勢在必行。另外，進行深海海域油氣田的勘探與開發是維護我國海洋權益的需要，特別是南海， 更顯得重要。目前我國在深水技術上還存在很大差距，反映在深海勘探、鉆井裝備、海底管道等重大海洋工程建設的諸多方面。因此，加快我國能源戰略所涉及的船舶制造、深海勘探、鉆井平臺、海底管道等重大海洋工程建設步伐，才能縮短與世界先進水平的差距。

    海洋環境是一個嚴酷的腐蝕環境，根據工業發達國家的腐蝕調查結果估計，目前我國每年腐蝕所造成的經濟損失可達到8000多億元人民幣。因此，海洋重大工程在設計和使用過程中都必須考慮海洋環境的腐蝕問題。對材料的腐蝕而言，深海一般指500米以下的海洋環境。海水壓力、海水氧含量、溫度和海洋生物是深海環境中最為重要的四個特征因素。水深每加深100m海水壓力就會大約增加1MPa；海水含氧量在海平面下100m附近達到最低； 1000m以下的深海環境，溫度幾乎恒定在4℃左右。

    1.海洋腐蝕與研究的現狀及發展趨勢

    過去五十年來，對金屬在淺海區的腐蝕規律做了大量的研究工作。目前世界上僅有少數國家開展了深海材料的腐蝕試驗， 美國海軍研究實驗室、海軍水文局、海軍水下兵器站曾經聯合在700－2000米范圍內的深海條件下研究了各類常用金屬的腐蝕性能。英國在上世紀70年代調查了鋁鎂合金在太平洋表層海水和深海中的腐蝕行為。前蘇聯曾在太平洋研究過6種金屬材料在5500米范圍內的深海腐蝕性能。印度國家海洋技術研究所在本世紀初，采用三個階段的實海掛片方法研究了22種結構材料在印度洋中500-5100米深度的腐蝕行為。上述國家的具體相關數據資料因軍事保密而無從獲得。

    隨著我國“蛟龍號”深海潛水器突破7000米大關，深海探礦、海底高精度地形測量、可疑物探測與捕獲、深海生物考察等功能已初步實現，這方面的需求將越來越多，因而深海潛水器必將得到大力發展，相應地，這方面的研究在未來也會成為我國腐蝕研究的“亮點”。對于深海這種極端環境，我國的研究正在起步并且形成協同研究的格局，主要單位有中國科學院金屬研究所、北京科技大學、中船重工第七二五研究所、哈爾濱工程大學、浙江大學、中國科學院海洋研究所和中國海洋大學等有關的課題組，目前研究方向主要針對深海腐蝕異常現象的試驗觀察和現役防腐涂層體系在深海高靜水壓力環境下的失效機制進行探討，并對在該環境下涂層失效過程的電化學分析方法進行嘗試。

    深海實海腐蝕是由靜水壓力、氧含量、鹽分濃度、溫度、海水流速、海洋生物的腐爛等多種因素共同作用的結果。為了探究單一環境因素對材料腐蝕電化學行為的影響機制，意大利、美國、印度等國在深海實海腐蝕實驗的基礎上，又開展了模擬深海環境的實驗室研究工作，以期更加深入的研究深海環境對材料腐蝕電化學行為的影響機理。但是，在深海資源的開發過程中，深海母船、深海運輸穿梭器和水下作業機器人等儀器設備會頻繁的上浮和下潛，這樣深海設備就會處在一個不同深度海水壓力交變的環境中。然而，對于深淺海交變環境下材料的腐蝕電化學研究，無論是國內還是國外，到目前為止尚未有相關研究結果報道。這與該方面的研究所需要的技術條件高、難不無關系。但是，無論怎樣，這方面的研究將會成為未來國際腐蝕領域的一個方向。

    2.深海腐蝕的特點

    首先，海水是一種復雜體系，具有高的含鹽量、導電性、生物活性，腐蝕影響因素復雜多樣，不同的海水深度的材料腐蝕規律和機理存在差異，特別是深海環境中存在的巨大靜水壓力以及相關的溫度、鹽度、溶解氧、pH值、流速、氧化還原電位等環境狀態的變化對深海環境金屬腐蝕行為有嚴重影響；海底泥土環境與陸地土壤不同，海泥中含鹽度高、電阻率低、氧濃度低、微生物種類和數量多，對材料的腐蝕性要高于陸地土壤。

    其次，深海環境具有高靜水壓、劇變的溫度梯度、極微弱的光照和復雜生物結構等獨特的物理、化學和生態特征，深海及深海泥土形成了極端環境條件。深海探測設備材料在深海中，特別是深海高溫、低密度、富含硫化物的熱液區域的極端環境條件下，受到海水重壓、海洋微生物的侵蝕、硫化物的腐蝕等，因此開展深海及深海泥土環境下材料的腐蝕機制的基礎研究工作，對于材料科學更有力地服務于國家海洋發展戰略至關重要。

    最后，不同海洋區域，海洋腐蝕影響因素不同，因此海洋工程及裝備在不同海洋環境條件下，由于其所處工作介質和工作狀態的不同，在海洋工程中的防腐蝕設計和合理選材具有重要意義。目前，對于海洋大型鋼鐵設施的防腐設計一般是在水上區涂裝有機涂料，水下區采用陰極保護技術。由于有機涂層易老化、粉化、附著力低，壽命較短，需要經常重復涂刷，而海上施工條件十分艱苦，困難很多，大大增加了維修費用。陰極保護技術是在海水全浸條件下的有效防蝕方法，采用犧牲陽極或外加電流對金屬構件實施電化學保護，顯示出投資少、保護周期長的優點，已廣泛應用于艦船、海洋平臺、海底管線、港口設施等海洋金屬結構物上。因此，積極開展長效防護涂料和超常規犧牲陽極的研制成為海洋工程防腐蝕技術發展的重要任務。

    3.深海腐蝕的研究方法

    海洋工程及裝備的腐蝕與防護涉及到從材料科學到裝備制造、從海洋科學到生態環境、從電化學技術到數值模擬技術等多個學科領域的交叉和滲透，因此需要開展大學科深層次的綜合交叉研究。系統深入地開展材料海洋腐蝕的電化學基礎研究，探明海洋工程及裝備關鍵性的材料和環境影響因素及規律性，建立新研究方法、新測試理論，提出新的防護新技術和控制理論，以期對海洋腐蝕科學問題的理解有所突破。

    研究金屬的腐蝕主要是通過研究其在特定環境中的鈍化特性來實現的。金屬材料與涂層在深海環境下的腐蝕失效行為研究，離不開動電位極化、電化學阻抗（EIS）和Mott-Schottky等電化學測試方法，通過這些方法，可以研究高靜水壓力對金屬或合金鈍化膜性能的影響。隨著科學技術特別是數學方法如小波理論的快速發展，原位無損地監檢測材料腐蝕過程的電化學噪聲（ECN）技術在金屬海洋腐蝕監檢測領域獲得了生機。采用ECN技術可以對涂層金屬的海洋腐蝕進行室內靜態模擬加速試驗研究。EIS技術對厚涂層的初始腐蝕缺乏敏感性，而ECN則可以對腐蝕過程進行靈敏地監測。到目前尚未有對材料的深海腐蝕進行在線監測的研究報道。但是可以猜測，ECN技術必將成為未來涂層金屬海洋腐蝕的主導監檢測技術。

    4.深海環境下的應力腐蝕和氫脆

    海洋設施的上浮和下潛伴隨著深淺海環境的交變，而靜水壓力、氧含量等因素對材料活性溶解的腐蝕過程（包括腐蝕產物的形成、氫原子的擴散輸運行為以及氫離子的還原等）動力學會產生影響，因而深淺海交變條件下對材料的腐蝕電化學行為影響規律與常壓下的腐蝕規律可能會不同。通過控制主要影響因素（如靜水壓力、溫度、溶解氧和含鹽量等），利用室內模擬海水環境試驗裝置和在線電化學測試，可以開展模擬不同深度海水環境對材料應力腐蝕、氫致開裂和腐蝕疲勞等失效形式的研究，最終確定材料特別是高強鋼應力腐蝕、氫致開裂和腐蝕疲勞的規律。通過數學分析的方法，建立深海條件下陰極保護電位與不同等級高強鋼氫脆敏感性之間的關系。

  深海氫滲透試驗裝置

    總體來說，目前對我國深海材料腐蝕基本規律的研究還相對薄弱，在深海腐蝕模擬加速相關性研究還基本處于空白階段。針對材料在深海環境的服役和失效還沒有系統地總結歸納，沒有形成系統的科學認識。與國外相比，有比較大的差距， 是我國腐蝕科學工作者今后一段時期內需要努力為之奮斗的田地，以適應我國深海探索的發展和特殊裝備的需要。