海洋蘊(yùn)藏著豐富的資源，具有潛在的巨大經(jīng)濟(jì)利益和戰(zhàn)略性的國(guó)防地位。海洋事業(yè)的發(fā)達(dá)程度是一個(gè)國(guó)家科技力量和水平的綜合體現(xiàn)，也是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家地位的標(biāo)志。

    海洋腐蝕問(wèn)題是海洋開(kāi)發(fā)過(guò)程中面臨的威脅之一。由海洋腐蝕所引起的災(zāi)難性事故案例很多，造成了很多極其巨大的損失。1980年，英國(guó)北海“亞歷山大基定德”號(hào)鉆井平臺(tái)樁腿上的焊縫被海水腐蝕，裂紋在波浪載荷的反復(fù)作用下不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致傾倒，123人遇難。2010年4月20日，英國(guó)石油公司墨西哥灣“深水地平線”鉆井平臺(tái)海底閥門失效導(dǎo)致爆炸，致死11人，隨后3個(gè)月海底原油不斷涌出，溢出量超過(guò)400萬(wàn)桶，成為美國(guó)海域最嚴(yán)重的環(huán)境災(zāi)難。由于3000m深海環(huán)境的復(fù)雜性，歷時(shí)3個(gè)多月，幾乎動(dòng)用了所有的力量才堵住了海底原油的泄露。2013年11月22日，山東青島經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)排水暗渠發(fā)生爆炸，造成62人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)7.5億元。國(guó)務(wù)院特別重大事故調(diào)查組調(diào)查報(bào)告指出，該事故直接原因是“輸油管道與排水暗渠交匯處管道腐蝕減薄、管道破裂、原油泄漏”。

    除了安全問(wèn)題，海洋腐蝕也帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。2016年3月，全球腐蝕調(diào)查報(bào)告表明，世界平均腐蝕損失約占全球國(guó)民生產(chǎn)總值（GNP）的3.4%。一般認(rèn)為，海洋腐蝕損失約占總腐蝕損失的1/3。因此海洋腐蝕的損失是驚人的。根據(jù)國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，如果采用有效的防護(hù)措施，25%～40%的腐蝕損失可以被避免。

    綜上，海洋腐蝕會(huì)造成設(shè)施裝備結(jié)構(gòu)損傷、使役壽命縮短，是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的重要問(wèn)題。嚴(yán)重的腐蝕還可能引起突發(fā)性災(zāi)難事故，污染環(huán)境，危及人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

    一、海洋環(huán)境腐蝕特點(diǎn)

    海洋環(huán)境是腐蝕性最為嚴(yán)酷的自然環(huán)境。海水是一種具有很強(qiáng)腐蝕性的電解質(zhì)溶液，含有大量的鹽類，包括氯化鈉以及含有鉀、溴、碘等元素的鹽類。海水中溶解有氧氣、氮?dú)狻⒍趸嫉葰怏w，而其中的氧氣是引起海水中碳鋼、低合金鋼等金屬結(jié)構(gòu)物腐蝕的重要影響因素。表層海水氧氣是飽和的，大約為8mg/L，腐蝕性更強(qiáng)。海水溫度有周期性的變化，一般來(lái)說(shuō)，鋼鐵等的腐蝕速度會(huì)隨著海水溫度的升高而增加。另外，海水中含有豐富的氧微量元素和營(yíng)養(yǎng)鹽類等，這為海洋生物的生存和繁殖提供了必要的條件。而海洋生物的存在則會(huì)影響金屬材料的腐蝕行為與機(jī)制。

    通常來(lái)說(shuō)，從腐蝕的角度可將海洋環(huán)境分為5個(gè)不同區(qū)帶：海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、海洋潮差區(qū)、海水全浸區(qū)和海底泥土區(qū)（表 1）。

    ⒈ 海洋大氣區(qū)腐蝕特點(diǎn)

    大氣是金屬材料接觸最多的環(huán)境介質(zhì)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，80%的金屬構(gòu)件在大氣環(huán)境中使用。我國(guó)有18000多公里的海岸線，金屬材料多處于海洋大氣環(huán)境中；且海洋大氣中富含多種鹽粒，對(duì)金屬有較強(qiáng)腐蝕性。金屬材料的大氣腐蝕是以電化學(xué)機(jī)理進(jìn)行的。金屬暴露在大氣環(huán)境中，會(huì)從大氣環(huán)境中吸收水分，并在金屬表面形成一薄層電解液膜。這層電解液膜的存在使得金屬表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)成為可能。金屬表面吸水量是與大氣環(huán)境的相對(duì)濕度有關(guān)的。在相對(duì)濕度為75%時(shí)，吸附的水分子層厚度約為5層。一般來(lái)講，水膜的厚度大于5層，就可進(jìn)行電化學(xué)腐蝕過(guò)程。大氣污染性氣體及大氣懸浮粒子會(huì)沉降在金屬表面的薄液層中，并影響和參與材料的大氣腐蝕過(guò)程。

    ⒉ 浪花飛濺區(qū)腐蝕特點(diǎn)

    在海洋環(huán)境中，海水的飛沫能夠噴灑到其表面，但在海水漲潮時(shí)又不能被海水所浸沒(méi)的部位通常稱為浪花飛濺區(qū)。在浪花飛濺區(qū)，材料長(zhǎng)期處于干濕交替的環(huán)境中，供氧量充分，且由于海水的飛濺，其飛沫可以直接打到金屬表面，使其腐蝕很嚴(yán)重，一般為海水全浸區(qū)的5～10倍，是海洋環(huán)境中典型的強(qiáng)腐蝕區(qū)。中科院海洋環(huán)境腐蝕與防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了持續(xù)的海洋浪花飛濺區(qū)腐蝕機(jī)理和防腐蝕技術(shù)研究，成功開(kāi)發(fā)礦質(zhì)包覆防護(hù)技術(shù)，解決了浪花飛濺區(qū)腐蝕問(wèn)題。同時(shí)，開(kāi)發(fā)了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕與修復(fù)技術(shù)，在海洋工程結(jié)構(gòu)防護(hù)中得到廣泛應(yīng)用。

    ⒊ 海洋潮差區(qū)腐蝕特點(diǎn)

    海洋潮差區(qū)處于平均高潮線與低潮線之間，該區(qū)域作為氧濃差電池的陰極區(qū)而受到保護(hù)，腐蝕速率較低。但是，該區(qū)域存在海洋生物污損及好氧菌附著腐蝕現(xiàn)象。腐蝕生物會(huì)通過(guò)氧濃差電池等多種方式加速金屬基底腐蝕，誘發(fā)局部腐蝕破壞等問(wèn)題。據(jù)報(bào)道，微生物腐蝕所致腐蝕損失占總腐蝕損失的20%左右。

    ⒋ 海水全浸區(qū)腐蝕特點(diǎn)

    在海水全浸區(qū)，由于腐蝕與氧含量密切相關(guān)，因此腐蝕速率隨深度增加有所減輕。然而，該區(qū)域覆蓋范圍較廣，隨著深度的增加，海水壓力、pH值、鹽度、海洋生物和含氧量會(huì)發(fā)生明顯的變化，均勻腐蝕速率降低，電偶腐蝕、縫隙腐蝕和點(diǎn)蝕等局部腐蝕加劇。另外，該區(qū)域腐蝕存在多因素交互作用的特點(diǎn)，氫致開(kāi)裂、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞規(guī)律與機(jī)理都會(huì)發(fā)生顯著的變化，材料在海洋環(huán)境下發(fā)生環(huán)境敏感斷裂的傾向更為嚴(yán)重。

    ⒌ 海底泥土區(qū)腐蝕特點(diǎn)

    在海底泥土區(qū)，由于氧氣濃度較低，腐蝕速率通常較低。但是，在有腐蝕微生物存在條件下，微生物代謝活動(dòng)會(huì)加速金屬的腐蝕，改變腐蝕機(jī)制。中科院海洋所在微生物腐蝕研究領(lǐng)域積累了大量成果，研究了海洋微生物腐蝕機(jī)理，開(kāi)發(fā)了腐蝕微生物快速檢測(cè)傳感器技術(shù)，以及多種海洋微生物腐蝕防護(hù)新材料技術(shù)。

    二、我國(guó)海洋腐蝕與防護(hù)現(xiàn)狀

    ⒈ 我國(guó)海洋腐蝕現(xiàn)狀

    為深入了解我國(guó)現(xiàn)階段腐蝕狀況，中國(guó)工程院特別設(shè)立了“我國(guó)腐蝕狀況及控制戰(zhàn)略研究”重大咨詢項(xiàng)目。組織了包括近30位院士在內(nèi)的200位科技工作者，針對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施、水環(huán)境、能源、交通運(yùn)輸和生產(chǎn)制造五大領(lǐng)域的鐵路、機(jī)場(chǎng)、公路橋梁、港口碼頭、水利工程、船舶、飛機(jī)、火車、煤炭工業(yè)、電力系統(tǒng)、城市供水、海水養(yǎng)殖、文物/古跡、海水淡化、海洋平臺(tái)及裝備、海底管道、海洋石油裝備、建筑、汽車、石油天然氣工業(yè)、冶金、電子工業(yè)、造紙業(yè)、化工、電信、家電、制藥業(yè)、采礦業(yè)、食品加工、醫(yī)療器械、農(nóng)業(yè)等30多個(gè)重點(diǎn)行業(yè)進(jìn)行腐蝕成本和防護(hù)策略的調(diào)查研究。在此基礎(chǔ)上，借助數(shù)學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)的理論和方法，計(jì)算我國(guó)的腐蝕成本。

    經(jīng)過(guò)問(wèn)卷調(diào)查、實(shí)地考察、案例調(diào)研、會(huì)議交流、專題座談、上網(wǎng)檢索、模擬計(jì)算、統(tǒng)計(jì)分析等系統(tǒng)工作，調(diào)查結(jié)果表明，2014年，我國(guó)腐蝕成本約占我國(guó)GDP的3.34%，達(dá)到21278.2億元人民幣，每位公民承擔(dān)的腐蝕成本超過(guò)1555 元。

    與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)腐蝕調(diào)查工作開(kāi)展晚，重視程度低。此次腐蝕成本調(diào)查的開(kāi)展對(duì)于加強(qiáng)人們對(duì)腐蝕危害的認(rèn)識(shí)，提高人們的防腐蝕意識(shí)有重要的意義。

    ⒉ 我國(guó)海洋腐蝕與防護(hù)需求現(xiàn)狀

    目前，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)和海洋科技已經(jīng)被我國(guó)提升到前所未有的戰(zhàn)略高度，海岸工程、海洋開(kāi)采、水下工程等戰(zhàn)略性新興海洋產(chǎn)業(yè)正在迅速興起，發(fā)展和建造各類新型高水平深海鉆井設(shè)備、艦艇、深潛器和海洋空間站等設(shè)施是海洋資源開(kāi)發(fā)和維護(hù)國(guó)防安全的根本物質(zhì)保障。另外，我國(guó)海岸線長(zhǎng)，隨著近年來(lái)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，海岸工程、碼頭、跨海橋梁建設(shè)體量迅猛擴(kuò)張，使用了大量各類結(jié)構(gòu)材料。我國(guó)正在開(kāi)展包括環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)、黃三角經(jīng)濟(jì)區(qū)、山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)、江蘇沿海經(jīng)濟(jì)區(qū)、長(zhǎng)三角經(jīng)濟(jì)區(qū)、珠三角經(jīng)濟(jì)區(qū)和海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)的鏈?zhǔn)浇?jīng)濟(jì)區(qū)帶的建設(shè)。在開(kāi)展近海海洋工程建設(shè)的同時(shí)，海上設(shè)施也不斷在向遠(yuǎn)海和深海拓展，目前，我國(guó)在海洋油氣田開(kāi)發(fā)、港口建設(shè)、跨海大橋、海底管線、船舶工程和深海勘探等領(lǐng)域已建和在建大量的各種海洋鋼結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)施。這些海上設(shè)施廣泛分布在我國(guó)沿海一線和南海、東海等重點(diǎn)海域，貫穿海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、海洋潮差區(qū)、海水全浸區(qū)和海底泥土區(qū)等不同的海洋腐蝕環(huán)境，遭受十分嚴(yán)重的腐蝕破壞。海洋腐蝕及生物污損嚴(yán)重威脅著這些重大工程設(shè)施安全運(yùn)行。然而，目前多數(shù)海洋工程結(jié)構(gòu)處于裸露或欠保護(hù)狀態(tài)，海洋工程結(jié)構(gòu)安全堪憂，腐蝕損失巨大。保證各種海洋工程設(shè)施的耐久性和安全性，降低重大災(zāi)害性事故發(fā)生，延長(zhǎng)這些重大工程設(shè)施使用壽命，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中需要迫切解決的關(guān)鍵性問(wèn)題和共性問(wèn)題。

    過(guò)去10年間，我國(guó)的海港、橋梁、隧道以及海岸工程建設(shè)蓬勃發(fā)展，沿海地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)施的數(shù)量迅速增長(zhǎng)。在跨海大橋建設(shè)方面，最近幾年已竣工和開(kāi)工建設(shè)的有東海大橋、杭州灣大橋、廈門海滄大橋、舟山大陸連島工程、上海長(zhǎng)江大橋、青島海灣大橋等。海洋石油開(kāi)發(fā)是我國(guó)海洋開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)之一，我國(guó)已建有近200個(gè)海洋鋼結(jié)構(gòu)石油平臺(tái)。在港口建設(shè)方面，我國(guó)重大港口設(shè)施如曹妃甸碼頭等正在建設(shè)中。重大海洋工程設(shè)施通常設(shè)計(jì)有50年甚至上百年的服役壽命，然而，在多種海洋腐蝕環(huán)境因素協(xié)同作用下，據(jù)有關(guān)調(diào)查，我國(guó)部分海港碼頭設(shè)施在建成十幾年到20年已出現(xiàn)鋼筋銹蝕。據(jù)估計(jì)，鋼筋混凝土年腐蝕損失大于1000億元。我國(guó)在役的大量臨海設(shè)施將進(jìn)入腐蝕破壞的高風(fēng)險(xiǎn)期，嚴(yán)重威脅到正常的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，也勢(shì)必會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)損失。這些設(shè)施亟待科學(xué)的腐蝕控制和修復(fù)。這已經(jīng)不單單是技術(shù)方面的問(wèn)題，更是關(guān)系到國(guó)家發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的重要問(wèn)題。

    不同水位區(qū)域的海洋腐蝕狀況比對(duì)圖

    三、我國(guó)海洋腐蝕防護(hù)未來(lái)發(fā)展建議

    在國(guó)際海洋資源處于激烈競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)的今天，有必要針對(duì)我國(guó)海洋工程設(shè)施腐蝕污損防護(hù)重大需求，開(kāi)展海洋腐蝕與生物腐蝕機(jī)理及防護(hù)技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究，解決海洋工程腐蝕防護(hù)的共性及關(guān)鍵性問(wèn)題，同時(shí)將我國(guó)海洋工程設(shè)施腐蝕防護(hù)納入國(guó)家戰(zhàn)略，提高海洋腐蝕防護(hù)的重視程度，從國(guó)家層面上推動(dòng)我國(guó)海洋防腐蝕產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

    ⑴在不同海洋環(huán)境因子對(duì)腐蝕作用的過(guò)程和機(jī)理研究方面。有必要圍繞海洋環(huán)境腐蝕影響因子對(duì)常用工程材料腐蝕過(guò)程的作用機(jī)制進(jìn)行研究。研究干濕交替、合金元素、防護(hù)涂層、光照、腐蝕產(chǎn)物結(jié)構(gòu)等因素對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕機(jī)理的影響因素。揭示海洋環(huán)境5個(gè)腐蝕區(qū)帶（海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、海水潮差區(qū)、海水全浸區(qū)和海底泥土區(qū)）誘發(fā)腐蝕機(jī)理，掌握腐蝕防護(hù)核心要素，為海洋采油平臺(tái)、海底管線等的設(shè)計(jì)和防腐提供科學(xué)依據(jù)和對(duì)策。

    ⑵在海洋污損生物腐蝕的關(guān)鍵過(guò)程、機(jī)理和防護(hù)技術(shù)研究方面。有必要針對(duì)海洋環(huán)境中微生物腐蝕與生物污損問(wèn)題，開(kāi)展不同海域微生物腐蝕機(jī)理研究。重點(diǎn)分析材料表面生物膜組成與結(jié)構(gòu)演化過(guò)程與機(jī)制，提出腐蝕微生物誘發(fā)典型海洋工程金屬材料腐蝕機(jī)制；分析海洋陰極保護(hù)下鋼結(jié)構(gòu)表面生成的鈣質(zhì)沉積層與污損生物群落的相互促進(jìn)和抑制的過(guò)程，揭示微生物活動(dòng)對(duì)金屬材料局部腐蝕的作用機(jī)制，并在分子水平闡明材料類型、表面物理化學(xué)性質(zhì)、生物活性分子對(duì)生物附著過(guò)程的影響機(jī)理，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物附著過(guò)程的調(diào)控。基于上述理論研究，開(kāi)發(fā)基于材料表面物理化學(xué)性質(zhì)、表面微觀結(jié)構(gòu)、光催化性質(zhì)等的海洋生物腐蝕及污損防護(hù)技術(shù)。

    ⑶在海洋腐蝕防護(hù)與監(jiān)檢測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用方面。有必要針對(duì)海洋腐蝕防護(hù)的需求，開(kāi)發(fā)包含鋼結(jié)構(gòu)浪花飛濺區(qū)腐蝕防護(hù)技術(shù)、海洋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)與修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)、海洋腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)、腐蝕探測(cè)預(yù)警技術(shù)在內(nèi)的集成化海洋環(huán)境腐蝕防護(hù)技術(shù)。制定防腐技術(shù)性能檢測(cè)規(guī)范、現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量規(guī)范、現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢測(cè)規(guī)范，形成一套先進(jìn)的防腐設(shè)計(jì)規(guī)范和質(zhì)量管理體系。并以此為基礎(chǔ)，建立近海腐蝕監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)站和腐蝕防護(hù)技術(shù)示范基地，加速成果推廣與轉(zhuǎn)化。

    ⑷在海洋腐蝕防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)與防護(hù)意識(shí)方面。在海洋防腐防污技術(shù)研究基礎(chǔ)上，有必要加快建立海洋腐蝕防護(hù)技術(shù)企業(yè)、地方及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)腐蝕產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，保障海洋工程設(shè)施安全運(yùn)行，減低經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)加強(qiáng)海洋腐蝕教育以及科普宣傳力度，通過(guò)強(qiáng)化對(duì)相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域技術(shù)人員的教育，提升專業(yè)人員對(duì)海洋腐蝕防護(hù)的重視程度；并通過(guò)媒體宣傳等方式，提高全民腐蝕防護(hù)意識(shí)。

    【作者簡(jiǎn)介】本文作者：侯保榮，張盾，王鵬。第一作者侯保榮，工程院院士，中科院海洋所研究員，國(guó)家海洋腐蝕防護(hù)工程技術(shù)研究中心主任，近40年一直從事海洋腐蝕防護(hù)技術(shù)研究，主持了我國(guó)近海腐蝕環(huán)境調(diào)查與研究，建立了海洋腐蝕環(huán)境的理論體系；第二作者張盾，女，中科院海洋所研究員，中科院“百人計(jì)劃”學(xué)者，中科院海洋環(huán)境腐蝕與生物污損重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)，中國(guó)海洋湖沼學(xué)會(huì)海洋腐蝕與污損專業(yè)委員會(huì)主任，主要從事海洋環(huán)境腐蝕與生物污損研究。本文來(lái)自《中國(guó)科學(xué)院院刊》（2016年第12期），參考文獻(xiàn)略，用于學(xué)習(xí)與交流，版權(quán)歸出版社與作者共同擁有。

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責(zé)任編輯：王元

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