文|郭為民，孫明先，邱日，侯健，范林，逄昆，許立坤  中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所海洋腐蝕與防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

　　我國(guó)“十三五”規(guī)劃綱要指出，要加強(qiáng)深海、深地、深空、深藍(lán)領(lǐng)域的高技術(shù)部署，其中，深海成為4個(gè)主要方向的首選方向，不僅因?yàn)樯詈ＬN(yùn)藏著豐富的海底礦產(chǎn)資源，為人類可持續(xù)發(fā)展提供廣闊空間，同時(shí)，深海也是海洋科技強(qiáng)國(guó)爭(zhēng)奪的重要領(lǐng)域。目前很多國(guó)家均加強(qiáng)了在深海研究及工程應(yīng)用方面的投入，許多海洋裝備被部署到深海。然而深海環(huán)境的溫度、鹽度、壓力、溶解氧、pH值、海水流速等因素與表層海水環(huán)境不同，具有其獨(dú)特的環(huán)境特性，尤其是深海巨大的壓力，給海洋工程裝備的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和使用帶來(lái)很多挑戰(zhàn)，同時(shí)，海水的高腐蝕性使裝備在水下面臨極大風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生腐蝕失效事故，損失巨大。墨西哥灣“深水地平線”平臺(tái)事故造成的損失和生態(tài)災(zāi)難記憶猶新。因此，研究深海環(huán)境下的材料環(huán)境適應(yīng)性是開(kāi)發(fā)深海的前提和基礎(chǔ)，從上世紀(jì)六十年代開(kāi)始一些國(guó)家先后開(kāi)展了材料深海環(huán)境腐蝕老化研究，進(jìn)而推動(dòng)本國(guó)深海探測(cè)技術(shù)、深海資源開(kāi)發(fā)技術(shù)、深海空間利用技術(shù)、深海環(huán)境保護(hù)技術(shù)以及深海裝備技術(shù)的發(fā)展，提高其在海洋技術(shù)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力[1]。

　　1 材料深海環(huán)境試驗(yàn)裝置

　　與表層海水腐蝕試驗(yàn)相比，深海環(huán)境腐蝕試驗(yàn)要復(fù)雜得多。首先必須設(shè)計(jì)制造可以進(jìn)行深海環(huán)境腐蝕試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置，可以承載材料腐蝕試樣，試驗(yàn)結(jié)束后可以將試樣回收以便進(jìn)行研究，試驗(yàn)裝置本身必須具有高可靠性，在無(wú)人監(jiān)控下在千米深的海底穩(wěn)定地運(yùn)行。世界各國(guó)在開(kāi)展材料深海腐蝕試驗(yàn)研究中，研制了多種深海腐蝕試驗(yàn)裝置。

　　1.1 坐底式試驗(yàn)裝置

　　美國(guó)海軍于1962~1970 年進(jìn)行了大量的材料深海試驗(yàn)[2]，其使用的裝置如圖1 所示，其裝掛試樣的試樣框架坐沉在試驗(yàn)海域的海床上。投放時(shí)，到達(dá)預(yù)定深海試驗(yàn)場(chǎng)后，將試樣框架用吊車投放至海底；回收時(shí)，通過(guò)聲釋放裝置斷開(kāi)海底的錨固物，由上浮標(biāo)將連接繩帶出海面，最后用試驗(yàn)船絞車提起試樣框架。坐底式試驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)是試樣框架載樣量大，受到海流影響小，布放深度準(zhǔn)確；缺點(diǎn)是對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)要求高，試樣框架易產(chǎn)生吸底現(xiàn)象，布放回收操作復(fù)雜，費(fèi)用高昂。

　　1.2 串掛式深海試驗(yàn)裝置

　　前蘇聯(lián)和印度也開(kāi)展了多個(gè)深度的材料深海腐蝕試驗(yàn)研究，使用的試驗(yàn)裝置如圖2 所示。該裝置是將裝載材料試樣的試驗(yàn)框架安裝在水文浮標(biāo)上進(jìn)行材料腐蝕試驗(yàn)，該試驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)是：可在一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)同時(shí)開(kāi)展不同海水深度環(huán)境試驗(yàn)；對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地要求不高。其缺點(diǎn)是：裝置長(zhǎng)度大，易受到海流的影響發(fā)生偏移，其擺幅可達(dá)20°；其投放材料的種類和數(shù)量受到限制，一般每個(gè)深度只能投放幾種，十幾件試樣，而且試樣尺寸小；裝置的試樣框架只適合進(jìn)行金屬的試驗(yàn)，不能進(jìn)行其他種類的腐蝕試驗(yàn)。

　　1.3 近底懸浮式試驗(yàn)裝置

　　世界上其他開(kāi)展深海腐蝕試驗(yàn)的國(guó)家大多也利用上述兩類或其改進(jìn)的試驗(yàn)裝置。中船重工七二五所在分析了兩類裝置的特點(diǎn)后，立足深海環(huán)境試驗(yàn)需求，利用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)研制了一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的近底懸浮式的深海環(huán)境試驗(yàn)裝置，如圖3a。該裝置是利用本身的儲(chǔ)備浮力將一個(gè)尺寸較大的試樣框架懸浮在距離海底20~30 m的位置，避免了裝置座底產(chǎn)生的吸底現(xiàn)象；裝置總體采用冗余設(shè)計(jì)、部件采用耐蝕材料，提高了裝置整體的安全性、可靠性、海域適應(yīng)性；裝置的試樣框架采用模塊化設(shè)計(jì)，即將相同試驗(yàn)?zāi)康牡脑嚇影惭b在尺寸相同的小試樣框架中，再將該模塊安裝在試樣框架上，方便安裝拆卸和運(yùn)輸，提高海上作業(yè)效率；該裝置具有載樣量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)；采用一種介于先錨后標(biāo)和先標(biāo)后錨兩種方法之間的新投放方法，保證裝置不纏繞、不磕碰，順利下水，試樣的布放深度準(zhǔn)確。

　　1.4 高效串型多功能試驗(yàn)裝置

　　此外，為滿足小批量多深度深海試驗(yàn)的要求，中船重工七二五所設(shè)計(jì)研制了高效串型深海環(huán)境試驗(yàn)裝置，如圖3b。該裝置可同時(shí)進(jìn)行多深度深海環(huán)境試驗(yàn)，裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，將電偶腐蝕、應(yīng)力腐蝕、涂層耐環(huán)境老化等不同目的的試驗(yàn)裝置進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，使其能夠根據(jù)需要進(jìn)行組合，固定在深海試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)框架上，以達(dá)到高效試驗(yàn)的效果；整套裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于組裝拆卸，重復(fù)使用性強(qiáng)；滿足承載試樣量大、試驗(yàn)周期長(zhǎng)等要求；由于裝置長(zhǎng)度長(zhǎng)，受到海流影響大，在設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)流體力學(xué)建模，利用計(jì)算機(jī)編程，對(duì)試驗(yàn)裝置各個(gè)試樣框架在水中的受力情況和姿態(tài)進(jìn)行了精確的分析和計(jì)算，保證試驗(yàn)裝置不會(huì)因海流等外力作用造成連接部件斷裂或產(chǎn)生深度上較大的偏差位移。

　　2 材料深海環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)

　　實(shí)際深海環(huán)境試驗(yàn)具有不可替代性，獲得材料深海腐蝕老化數(shù)據(jù)真實(shí)的反映了材料腐蝕老化行為，但若只是進(jìn)行掛片試驗(yàn)獲得的信息有限，材料的一些特殊性能，例如應(yīng)力腐蝕性能等不能顯露出來(lái)，因此，如何利用深海環(huán)境試驗(yàn)平臺(tái)，更全面地獲取材料深海環(huán)境中的性能是深海環(huán)境試驗(yàn)研究需要關(guān)注的問(wèn)題[3]。中船重工七二五所根據(jù)深海環(huán)境的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)不斷地實(shí)踐探索，開(kāi)發(fā)出系列深海環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)。

　　2.1 深海環(huán)境金屬腐蝕電位測(cè)試技術(shù)

　　研制出適用于深海的低功耗多通道電位自動(dòng)采集設(shè)備，滿足深海腐蝕試驗(yàn)中電位檢測(cè)和評(píng)估的需要。采用程序控制，在一定時(shí)間間隔內(nèi)自動(dòng)對(duì)50 個(gè)金屬試樣進(jìn)行電位測(cè)試，并將結(jié)果及時(shí)間存儲(chǔ)到設(shè)備中。試驗(yàn)結(jié)束后，導(dǎo)出數(shù)據(jù)并結(jié)合環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)的變化，判斷深海環(huán)境因素對(duì)各種材料電位的影響。

　　2.2 深海環(huán)境原位電化學(xué)測(cè)試技術(shù)

　　深海環(huán)境中進(jìn)行典型金屬材料原位電化學(xué)測(cè)試，獲得材料深海環(huán)境中腐蝕過(guò)程的電化學(xué)表征數(shù)據(jù)，可以分析金屬材料腐蝕機(jī)理，提高對(duì)材料在深海環(huán)境中腐蝕過(guò)程的認(rèn)知。由于深海環(huán)境嚴(yán)苛、復(fù)雜，測(cè)試過(guò)程不能人為控制，因此，采用了計(jì)算機(jī)程序控制自動(dòng)測(cè)試方式，設(shè)定測(cè)試時(shí)間，對(duì)多個(gè)試樣進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，在一定時(shí)間內(nèi)完成線性極化、阻抗等的測(cè)試。

　　2.3 深海數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)

　　開(kāi)展深海試驗(yàn)的海域距離大陸較遠(yuǎn)，需要及時(shí)獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為困難，因此，開(kāi)發(fā)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，可以將深海試驗(yàn)過(guò)程中獲得的深海環(huán)境數(shù)據(jù)、原位電化學(xué)數(shù)據(jù)或裝置位置等數(shù)據(jù)按照一定的時(shí)間間隔從深海傳輸?shù)胶Ｃ嬷欣^站，然后通過(guò)衛(wèi)星傳輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室，便于及時(shí)掌握試驗(yàn)裝置的動(dòng)態(tài)和分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

　　2.4 其他形式的腐蝕試驗(yàn)技術(shù)

　　利用三點(diǎn)彎曲法將典型材料試樣加力彎曲，使其發(fā)生形變，調(diào)整形變大小使試樣中點(diǎn)的受力為0，60%，75%和90%材料斷裂強(qiáng)度，研究受力試樣在深海環(huán)境中的腐蝕行為。

　　深海金屬結(jié)構(gòu)物需采用犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)，但犧牲陽(yáng)極在深海受到環(huán)境的影響保護(hù)效果如何是長(zhǎng)期困擾人們的難題。中船重工七二五所在深海試驗(yàn)過(guò)程中投放了鋼－犧牲陽(yáng)極偶對(duì)試樣，利用自制設(shè)備測(cè)量保護(hù)電流，用以研究深海環(huán)境對(duì)犧牲陽(yáng)極性能的影響。

　　3 材料深海環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累和規(guī)律研究

　　為了獲得完整的各種結(jié)構(gòu)件在深海中的腐蝕和防護(hù)效果數(shù)據(jù)，一些國(guó)家利用上述研制的深海腐蝕試驗(yàn)裝置開(kāi)展了大量深海環(huán)境試驗(yàn)。美國(guó)海軍土木工程實(shí)驗(yàn)室于1962~1970 年在加州懷尼美港西南的海底進(jìn)行了深度為762~1829 m的材料深海腐蝕試驗(yàn)，該試驗(yàn)的掛片接近20000 片，包括475 種不同的合金材料，涵蓋了鋼、鑄鐵、不銹鋼、Cu、Ni、Al 等多種合金。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同材料而言，深度影響不能一概而論，以鋁合金為例，在深海環(huán)境下，其點(diǎn)蝕和腐蝕開(kāi)裂程度遠(yuǎn)高于淺表海水環(huán)境，遭受較為嚴(yán)重的腐蝕破壞。與此同時(shí)，1968~1972年，美國(guó)洛克希德公司開(kāi)展了7種涂裝鋁合金和不銹鋼材料深海試驗(yàn)。試樣分別投放于太平洋和大西洋，深度為1798 和1234 m。通過(guò)對(duì)不銹鋼進(jìn)行腐蝕形貌對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)投樣點(diǎn)的最大腐蝕開(kāi)裂深度分別為5.0和2.5 mm，研究者認(rèn)為太平洋投樣點(diǎn)的氧含量低于大西洋的投樣點(diǎn)的含量，抑制了不銹鋼的鈍化，從而造成腐蝕開(kāi)裂速率變大。

　　20 世紀(jì)70 年代，前蘇聯(lián)在太平洋西北部以及Sargasso 海開(kāi)展了碳鋼、不銹鋼、銅、黃銅、鋁合金等材料的深海腐蝕試驗(yàn)[4,5]，暴露周期分別為20、40 和70 d。深海壓力并未顯著影響材料的腐蝕過(guò)程，溫度卻表現(xiàn)出很大的影響。該結(jié)果與其他國(guó)家研究人員所得結(jié)果有所出入，這主要是由于他們的投樣時(shí)間較短，試樣尚處于腐蝕的初期，難以和長(zhǎng)時(shí)間投樣的腐蝕現(xiàn)象表現(xiàn)一致。

　　1987 年，印度研究者在阿拉伯海和孟加拉灣分別進(jìn)行了1000 和2900 m深度、1 a 周期的暴露試驗(yàn)[6,7]，研究了低碳鋼、不銹鋼、黃銅、銅、銅鎳合金的腐蝕行為，并與淺表海水中的腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行了對(duì)比。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低碳鋼在深海中的腐蝕速率低于淺表海水環(huán)境；不銹鋼在深海中幾乎不腐蝕，然而在淺表海水中點(diǎn)蝕嚴(yán)重。對(duì)于其他投樣材料，海水深度對(duì)腐蝕的影響輕微。

　　2002~2003 年期間，印度國(guó)家海洋技術(shù)研究所在印度洋進(jìn)行了500，1200，3500 和5100 m深度下鐵系合金（低碳鋼、不銹鋼等）的腐蝕性能研究[8,9]。試驗(yàn)結(jié)果表明，受溶解氧降低影響，低碳鋼在淺表海水中的腐蝕速率是深海的4 倍左右；深海環(huán)境下，由于500 m處為溶解氧含量最大區(qū)域，低碳鋼腐蝕速率最大；馬氏體不銹鋼的腐蝕規(guī)律與低碳鋼一致。此外，研究指出雖然深海條件下宏觀生物污損微乎其微，但試樣表面微生物膜的生長(zhǎng)以及微生物誘發(fā)腐蝕作用不應(yīng)忽視，深海高壓對(duì)許多微生物種群生長(zhǎng)的抑制作用有限[10]。

　　近年來(lái)，深海腐蝕試驗(yàn)的最新研究進(jìn)展則來(lái)自于歐洲KM3NeT 研究團(tuán)隊(duì)，為了探索宇宙奧秘，他們計(jì)劃在地中海底建造巨大的探測(cè)器KM3NeT 從海水中捕捉中微子。然而建造該水下探測(cè)器，首先需要明確選用的材料在深海環(huán)境下的耐腐蝕性能。研究人員將鋁、銅和鐵合金投樣于意大利Capo Passero附近海域3350 m深海環(huán)境進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)[11,12]。通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)，該深海環(huán)境下，316L 和2205 雙相不銹鋼最耐腐蝕，而Cu-Ni 90/10 腐蝕最為嚴(yán)重；鋁合金7075 T651 和8090 T81 比5083 H111 和6082 T6 耐蝕性差。此外，深海條件使得鋁合金的腐蝕產(chǎn)物發(fā)生了變化，在1 個(gè)大氣壓下的淺表海水環(huán)境中，6000系列的鋁合金腐蝕產(chǎn)物為Al（OH）3；而在深海環(huán)境下的腐蝕產(chǎn)物以擬薄水鋁石為主[13]。

　　在國(guó)內(nèi)方面，緊跟海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，我國(guó)深海自然環(huán)境試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。中船重工七二五所于2008 年在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了材料深海自然環(huán)境腐蝕老化試驗(yàn)，成功突破了深海試驗(yàn)裝置低功耗長(zhǎng)期自持設(shè)計(jì)、大深度深海試驗(yàn)裝置水下受力狀態(tài)模擬分析、深海原位腐蝕檢測(cè)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在我國(guó)南海海域相繼開(kāi)展了不同深度深海環(huán)境試驗(yàn)，積累了9大類40 余種不同材料、不同周期的深海腐蝕老化數(shù)據(jù)，試驗(yàn)材料包括碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅合金、鋁合金、鈦合金、偶合件、非金屬?gòu)?fù)合材料、有機(jī)涂層、金屬涂層、緊固件等，獲得腐蝕數(shù)據(jù)13000 余個(gè)，建立我國(guó)首個(gè)材料深海腐蝕老化數(shù)據(jù)庫(kù)，并從取得的數(shù)據(jù)中揭示出材料在深海環(huán)境下的腐蝕規(guī)律。在進(jìn)行材料深海腐蝕數(shù)據(jù)積累的同時(shí)積累了不同深度海洋環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)，對(duì)試驗(yàn)海域海水溫度、鹽度、溶氧量、海流速度等環(huán)境因素進(jìn)行了測(cè)試和收集，探討了材料腐蝕與環(huán)境因素之間的關(guān)系，填補(bǔ)了我國(guó)在深海環(huán)境中材料性能研究的空白，獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)我國(guó)深海裝備的發(fā)展具有重要意義[14-18]。

　　研究表明，碳鋼、低合金鋼的平均腐蝕速率和點(diǎn)蝕深度隨暴露深度增加而明顯減小，在深海環(huán)境中腐蝕減緩且趨向均勻，腐蝕產(chǎn)物均較為疏松，呈層狀結(jié)構(gòu)，其成分隨試驗(yàn)深度的增加略有差別；高鎳含量的不銹鋼在海洋環(huán)境中耐蝕性相對(duì)較好，但在深海條件下使用應(yīng)盡量避免縫隙的產(chǎn)生。與表層海水腐蝕速率對(duì)比發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)用銅合金在深海環(huán)境下的腐蝕速率普遍大于表層，在深海部件設(shè)計(jì)選材時(shí)應(yīng)加以注意，預(yù)留更多腐蝕余量。鋁合金在深海環(huán)境下的腐蝕速率大于表層，同時(shí)鋁合金縫隙腐蝕較嚴(yán)重，深海條件下應(yīng)用時(shí)應(yīng)避免縫隙的產(chǎn)生；無(wú)論是表層海水環(huán)境還是深海環(huán)境，鈦合金都具有極強(qiáng)的耐腐蝕性能。但由于其表面狀態(tài)穩(wěn)定存在藻類海生物附著，在設(shè)計(jì)深海裝備關(guān)鍵部位零部件和精密器件時(shí)應(yīng)考慮其影響。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　進(jìn)入21 世紀(jì)，人類為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，尋找新的發(fā)展空間和替代資源，再次把目光和期望轉(zhuǎn)向海洋。探索海洋、開(kāi)發(fā)海洋、利用海洋、保護(hù)海洋，將成為全球發(fā)展的新熱點(diǎn)和競(jìng)爭(zhēng)的新舞臺(tái)。因此，開(kāi)展材料深海自然環(huán)境腐蝕試驗(yàn)，積累不同材料在不同深度深海環(huán)境中的腐蝕行為和規(guī)律，將為海洋工程裝備的設(shè)計(jì)、選材、研發(fā)和使用提供技術(shù)支撐，具有重要意義。

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