抽水蓄能技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的大規(guī)模儲能技術(shù)之一。抽水蓄能電站具有啟動快、效率高、運(yùn)行靈活等特點(diǎn)，在電網(wǎng)運(yùn)行和電力供應(yīng)中起到調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相等功能，對整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行及能源結(jié)構(gòu)調(diào)整有著特殊貢獻(xiàn)。傳統(tǒng)抽水蓄能電站利用淡水運(yùn)行，對淡水資源依賴很大，需要依江河湖泊建設(shè)。而且抽水蓄能系統(tǒng)建設(shè)需要特殊的地理?xiàng)l件，選址困難，需建造水庫、廠房和水壩，前期工程費(fèi)用巨大且周期長，甚至?xí)χ車鷳B(tài)環(huán)境造成破壞。

    我國擁有廣闊的海岸線，海水資源豐富，開發(fā)和利用海水資源是目前很重要的任務(wù)之一，所以海水抽水蓄能電站具有廣闊的發(fā)展前景。沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，電力系統(tǒng)峰谷差更為嚴(yán)重，開發(fā)新能源和可再生能源（核能、太陽能、風(fēng)能等） 急需儲能技術(shù)。而且在目前淡水資源極度短缺的情況下，研究和開發(fā)海水抽水蓄能發(fā)電具有一定的前瞻性和需求性。海水抽水蓄能電站與傳統(tǒng)淡水抽水蓄能電站相比，具有選址方便、不需建設(shè)下庫、水量充足、水位變化幅度小、有利于水泵水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行等優(yōu)勢；同時(shí)海水抽水蓄能電站可以建在火電、核電、海上風(fēng)電等大型電源點(diǎn)附近或電力需求相對較大的沿海負(fù)荷中心附近，降低了輸電成本；也可以建在遠(yuǎn)離能源基地、淡水資源匱乏的沿海地區(qū)和島嶼上，有利于電力系統(tǒng)靈活調(diào)峰，對于能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整具有重要作用。

    海水抽水蓄能電站雖具有很多優(yōu)點(diǎn)，但海洋環(huán)境復(fù)雜多變，十分特殊，海水抽水蓄能電站同時(shí)也面臨著海水腐蝕、生物污損、海浪侵襲等問題。因此，研究和解決海水抽水蓄能電站的金屬腐蝕和選材問題具有重大現(xiàn)實(shí)意義。現(xiàn)階段，國內(nèi)外研究人員對海水抽水蓄能存在的選址、施工、運(yùn)行、維護(hù)等問題進(jìn)行了大量的研究。日本[10]建造了世界首座海水抽水蓄能電站，對海水抽水蓄能電站的選材和防腐進(jìn)行了研究，近年來美國、愛爾蘭、葡萄牙、希臘、印度尼西亞、沙特阿拉伯等國也開展了相應(yīng)的研究工作，我國也逐漸開展了對海水抽水蓄能電站的研究。由于海水抽水蓄能電站技術(shù)屬于前瞻研究，目前國內(nèi)外專家學(xué)者對海水抽水蓄能電站金屬腐蝕和選材問題的研究很少。本文結(jié)合前人對抽水蓄能電站和海水腐蝕的相關(guān)研究，就海水抽水蓄能電站的金屬腐蝕和選材問題進(jìn)行綜合分析。

    1 海水抽水蓄能電站運(yùn)行工況下的腐蝕影響因素

    近年來，世界各國極為重視對海洋的開發(fā)和利用，在沿海地區(qū)的工礦企業(yè)也常直接使用海水作為工業(yè)水源。海水成分極為復(fù)雜，是高腐蝕性的天然電解質(zhì)，所以與海水直接接觸的金屬材料都會在海水環(huán)境中發(fā)生消耗或破壞。海水抽水蓄能電站直接使用海水作為水源，采用高水頭以達(dá)到高效率低水耗，其設(shè)備也同樣承受著高壓高速海水的腐蝕。

    海水抽水蓄能機(jī)組主要有停機(jī)穩(wěn)態(tài)、發(fā)電、抽水、發(fā)電調(diào)相、抽水調(diào)相5 種運(yùn)行工況。海水抽水蓄能機(jī)組處于停機(jī)穩(wěn)態(tài)工況時(shí)，海水中的附著生物更易附著在電站壓力管道、水泵水輪機(jī)機(jī)組、尾水隧洞的內(nèi)壁上，對金屬材料造成生物污損；海水?dāng)y帶的泥沙沉積在水泵水輪機(jī)機(jī)組的底部，在金屬的表面容易發(fā)生點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕等局部腐蝕。海水抽水蓄能電站處于發(fā)電和抽水工況時(shí)，抽水蓄能機(jī)組由空載狀態(tài)變?yōu)闈M載狀態(tài)，電站的壓力管道、蝸殼、尾水管道等部位受到高流速海水的沖擊作用，金屬材料產(chǎn)生磨損腐蝕，腐蝕速率急劇增加；同時(shí)電站工作壓力的增加也會加劇金屬結(jié)構(gòu)在海水中的腐蝕。海水抽水蓄能電站處于發(fā)電調(diào)相和抽水調(diào)相工況時(shí)，金屬結(jié)構(gòu)的外部容易產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，應(yīng)力腐蝕敏感的金屬在工作應(yīng)力、工作溫度和海水共同作用下易發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂；在周期應(yīng)力持續(xù)作用下，電站的管道和振動部位如導(dǎo)葉、泵軸、攔污柵等都易發(fā)生腐蝕疲勞。海水抽水蓄能電站運(yùn)行工況下的金屬腐蝕問題十分嚴(yán)重，腐蝕過程復(fù)雜多變，海水中含有的鹽類、溶解氣體、海生物及其他物理因素綜合影響著金屬材料在海水抽水蓄能電站中的腐蝕行為。

    1.1 鹽度

    海水含鹽量高，在32%~38%之間，鹽度隨著深度的增加而遞增，但變化非常小。海水中的Cl-等鹵素離子能夠阻礙和破壞金屬的鈍化，使腐蝕速率加快。其作用包括破壞鈍化膜、吸附作用、絡(luò)合作用和電場效應(yīng)，都能減少陽極極化阻滯，造成海水對金屬的高腐蝕性。蔣志國等通過直讀光譜儀、光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡（SEM） 和X射線衍射儀（XRD） 對泄露失效的304 不銹鋼管道的化學(xué)成分、顯微組織、腐蝕形貌及腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：該管道失效的主要原因是Cl-濃縮所造成的點(diǎn)蝕穿孔。海水抽水蓄能電站運(yùn)行工況下，易鈍化金屬的氧化膜由于Cl-的存在而遭到局部破壞，在金屬的表面發(fā)生嚴(yán)重的點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕，影響金屬材料的使用壽命。

    1.2 含氧量

    海水的含氧量是影響海水腐蝕的重要因素，絕大多數(shù)金屬和合金在海水中的腐蝕都是氧去極化過程。海水的含氧量越高，氧擴(kuò)散到金屬表面的含量及氧的陰極去極化速率增加，導(dǎo)致金屬的腐蝕速率加快。解利昕等[21]利用動電位極化掃描和電化學(xué)阻抗測試等實(shí)驗(yàn)方法，研究了海水溶解氧濃度對鋁合金腐蝕行為的影響。結(jié)果表明：隨著海水溶解氧濃度的提高，鋁合金的腐蝕電位負(fù)移，鈍化膜電阻、電荷轉(zhuǎn)移電阻均減小，腐蝕電流密度升高。海水抽水蓄能電站運(yùn)行工況下，海水的溶解氧含量高，擴(kuò)散快，從而使金屬的腐蝕速率加快。

    1.3 溫度

    海水溫度也是影響材料在海水中腐蝕行為的一個(gè)重要因素。海水溫度上升，腐蝕加速，溫度升高同時(shí)也會使氧在海水中的溶解度降低，腐蝕減輕。廖柯熹等采用電化學(xué)方法研究了溫度對X65 管線鋼在模擬海水環(huán)境中腐蝕行為的影響，結(jié)果表明：隨溫度升高，腐蝕電流密度增大，但增加幅度逐漸減小；到臨界溫度時(shí)，腐蝕電流密度最大，然后腐蝕電流密度隨溫度的繼續(xù)升高而降低。海水抽水蓄能電站的工作溫度基本與海水溫度一致，海水溫度的升高和降低都將影響電站金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕速率，在電站的某些部位工作溫度較高，金屬的腐蝕也較嚴(yán)重。

    1.4 流速

    海水流速對材料的腐蝕也有一定影響，很多金屬材料對海水的流速較為敏感。海水抽水蓄能電站的海水常常處于高流速狀態(tài)，加劇了金屬的腐蝕。 對于碳鋼、低合金鋼等難鈍化材料，高流速的海水會加速溶解氧的運(yùn)輸，加快溶解氧向陰極的擴(kuò)散速率，增加金屬的腐蝕速率；而且由于流動海水的沖刷作用使金屬表面的銹層難以堆積，金屬不斷露出新鮮表面而繼續(xù)腐蝕。對于不銹鋼、鈦合金、銅合金等易鈍化的金屬，一定流速的海水能促進(jìn)金屬表面鈍化膜的生成而腐蝕較輕，但是超過臨界流速的海水會加速腐蝕。在海水抽水蓄能電站運(yùn)行工況下，金屬受到電化學(xué)與機(jī)械力的雙重作用，發(fā)生磨損腐蝕、沖擊腐蝕和空泡腐蝕等局部腐蝕，使腐蝕速率急劇增加。

    1.5 海洋生物

    海洋環(huán)境中存在多種海生物和微生物，它們附著于船底、海水管道及其他工程材料表面，影響材料在海水中的腐蝕行為。在海水中的材料常受到生物污損和微生物腐蝕的破壞。海生物常常附著在船底、海水管道及海工設(shè)施材料的表面，附著的海生物在材料表面形成完整致密的覆蓋層，對金屬結(jié)構(gòu)會有一定的保護(hù)作用。但是海生物的附著并非是完整均勻的，污損生物雖然會阻止氧的擴(kuò)散，降低均勻腐蝕速率，但是材料內(nèi)外會形成氧濃差電池，造成局部腐蝕，如縫隙腐蝕等；附著層內(nèi)部形成缺氧環(huán)境，也會促進(jìn)硫酸鹽還原菌等厭氧性微生物的腐蝕破壞作用[24]。海水抽水蓄能電站運(yùn)行工況下，海洋生物隨著海水進(jìn)入電站內(nèi)部，附著在攔污柵、機(jī)組內(nèi)壁、管道內(nèi)壁上，造成生物污損，影響機(jī)組的正常運(yùn)行，甚至?xí)绊懻麄€(gè)海水抽水蓄能電站的穩(wěn)定運(yùn)行。

    2 海水抽水蓄能電站運(yùn)行工況下金屬的腐蝕

    材料在海水抽水蓄能電站運(yùn)行工況下不僅會發(fā)生均勻腐蝕、點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕，還會產(chǎn)生海水沖刷腐蝕以及承受高靜水壓力帶來的應(yīng)力腐蝕等。所以研究海水抽水蓄能電站運(yùn)行工況下材料的腐蝕狀況和腐蝕機(jī)理，可以綜合評價(jià)材料在海水蓄能電站運(yùn)行工況下的耐蝕性能，對解決海水抽水蓄能電站結(jié)構(gòu)的腐蝕和選材問題具有實(shí)際參考價(jià)值。

    2.1 海水抽水蓄能電站金屬腐蝕的實(shí)驗(yàn)方法

    海水抽水蓄能電站的運(yùn)行環(huán)境十分苛刻，雖然將待測的金屬材料制成的設(shè)備放在現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行工況下進(jìn)行腐蝕實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虮容^全面、準(zhǔn)確地提供金屬在實(shí)際使用中的耐蝕性和腐蝕行為，但是實(shí)驗(yàn)周期長，前期投入費(fèi)用大，進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)難度大。所以可以通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和實(shí)海實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行金屬在海水抽水蓄能電站運(yùn)行工況下的腐蝕研究。

    2.1.1 實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)

    實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)是指在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有目的地將制備的小型金屬試樣放在模擬的海水抽水蓄能運(yùn)行環(huán)境中進(jìn)行腐蝕實(shí)驗(yàn)，可以采用極化曲線、電化學(xué)阻抗譜（EIS）、電化學(xué)噪聲（EN） 和循環(huán)極化曲線等電化學(xué)測試技術(shù)準(zhǔn)確測試金屬的腐蝕速率，并通過光學(xué)顯微鏡、SEM、透射電鏡（TEM）、場指紋法（FSM）、XRD和X射線光電子能譜（XPS）等表征手段觀察腐蝕前后金屬表面的微觀結(jié)構(gòu)變化。還可以通過數(shù)值模擬計(jì)算與實(shí)際研究相結(jié)合的方法，建立海水抽水蓄能電站不同運(yùn)行工況下的流體腐蝕動力學(xué)模型；并結(jié)合模擬腐蝕實(shí)驗(yàn)，研究金屬在海水抽水蓄能電站運(yùn)行環(huán)境中的腐蝕機(jī)理。通過上述實(shí)驗(yàn)研究，可對金屬在海水抽水蓄能電站運(yùn)行工況下的腐蝕規(guī)律和機(jī)理進(jìn)行綜合性分析，預(yù)測海水抽水蓄能電站金屬結(jié)構(gòu)在長期服役期間的腐蝕行為。但是實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)不能完全模擬海水抽水蓄能電站的運(yùn)行環(huán)境，可以在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，開展實(shí)海實(shí)驗(yàn)。

    2.1.2 實(shí)海實(shí)驗(yàn)

    實(shí)海實(shí)驗(yàn)是指將專門制備的金屬試片置于現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用的海水環(huán)境中進(jìn)行腐蝕實(shí)驗(yàn)。實(shí)海實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠，實(shí)驗(yàn)操作簡單。但是實(shí)海實(shí)驗(yàn)周期較長，試片與實(shí)際金屬結(jié)構(gòu)狀態(tài)也存在較大差異，實(shí)驗(yàn)的可靠性較差。因此，想要得到更真實(shí)、可靠的數(shù)據(jù)，可以將實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)與實(shí)海實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，同時(shí)體現(xiàn)二者的優(yōu)勢。

    2.2 海水抽水蓄能電站金屬材料的腐蝕機(jī)理

    對于海水抽水蓄能電站金屬材料的腐蝕問題，日本已有一定的研究成果，其他國家也正在積極地進(jìn)行研究，但是至今尚無公開發(fā)表的文獻(xiàn)。海水抽水蓄能電站的運(yùn)行環(huán)境十分復(fù)雜，不同的海域?qū)饘俚母g也不盡相同，材料的不同組成和結(jié)構(gòu)也使其腐蝕性能不同。在此介紹金屬材料在海洋環(huán)境中常見的腐蝕類型及其機(jī)理，并介紹海水抽水蓄能電站主要結(jié)構(gòu)在電站運(yùn)行工況下會出現(xiàn)的腐蝕問題。

    2.2.1 點(diǎn)蝕

    金屬材料在某些環(huán)境介質(zhì)中，經(jīng)過一定時(shí)間后，在金屬表面極為局部的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)向縱深發(fā)展的腐蝕小孔，而其余大部分表面不腐蝕或腐蝕輕微，這種腐蝕稱為孔蝕，也稱點(diǎn)蝕。

    Vazdirvanidis 等通過光學(xué)顯微鏡、SEM 和能量色散X射線能譜法（EDS） 分析循環(huán)冷卻不銹鋼水泵的失效機(jī)制。結(jié)果表明：點(diǎn)蝕是造成不銹鋼水泵部件失效的主要機(jī)制；當(dāng)溫度超過一定范圍時(shí)，介質(zhì)中存在氯化物和硫酸鹽將會參與到金屬腐蝕的電化學(xué)反應(yīng)中，加速腐蝕進(jìn)程，從而加劇點(diǎn)蝕的發(fā)生。證明氯化物和硫酸鹽會促進(jìn)點(diǎn)蝕的發(fā)生。Li 等通過電化學(xué)測試和表面分析技術(shù)研究了一種腐蝕性海洋細(xì)菌綠膿桿菌對S32654 超級奧氏體不銹鋼腐蝕行為的影響。結(jié)果表明：綠膿桿菌生物膜促進(jìn)了不銹鋼的腐蝕速率，不銹鋼在綠膿桿菌環(huán)境中產(chǎn)生點(diǎn)蝕的深度比其在非生物環(huán)境中的點(diǎn)蝕深度要深得多。其原因是綠膿桿菌生物膜促進(jìn)了不穩(wěn)定化合物CrO3的生成，從而加速鈍化膜的破壞，導(dǎo)致嚴(yán)重的麻點(diǎn)腐蝕。

    不銹鋼和鎳合金等材料依賴于其表面的保護(hù)性鈍化膜而腐蝕輕微，但是在海水抽水蓄能電站運(yùn)行工況下這層耐蝕性薄膜特別容易受到局部破壞，如Cl-、附著生物能夠穿透鈍化膜，高速海水的沖刷和水錘壓力的沖擊都能破除鈍化膜，使金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生孔蝕并發(fā)展。在海水抽水蓄能電站運(yùn)行的過程中，壓力管道、攔污柵、水泵水輪機(jī)、閘門等金屬結(jié)構(gòu)不可避免地會發(fā)生點(diǎn)蝕。

    2.2.2 縫隙腐蝕

    當(dāng)金屬表面存在異物或結(jié)構(gòu)上存在縫隙時(shí)，由于縫內(nèi)溶液中有關(guān)物質(zhì)遷移困難所引起縫隙內(nèi)金屬的腐蝕，總稱為縫隙腐蝕。Machuca 等研究了在30 ℃的海水環(huán)境中O2和生物膜對UNS S31803 不銹鋼和UNS N08825 鎳合金縫隙腐蝕的影響，結(jié)果表明兩種材料在無氧條件下的縫隙腐蝕比暴露在空氣中的腐蝕要嚴(yán)重的多，生物膜只有在金屬表面存在陽極溶解時(shí)才會促進(jìn)縫隙腐蝕，生物膜對縫隙腐蝕的影響受到O的制約，在厭氧條件下生物膜將會嚴(yán)重加劇縫隙腐蝕。含氧量和生物膜是影響縫隙腐蝕的重要因素。Zhang 等[28]利用微電極原位測量技術(shù)和EN技術(shù)研究5083 和6061鋁合金在3.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）NaCl 溶液中的縫隙腐蝕行為，結(jié)果表明5083 鋁合金的縫隙腐蝕與Cl-的聚集和縫隙內(nèi)溶液酸化有關(guān)，自催化加速腐蝕；而6061鋁合金因合金成分的電位差構(gòu)成微電偶發(fā)生點(diǎn)蝕。

    在海水抽水蓄能系統(tǒng)中，海生物附著在壓力管道、水泵水輪機(jī)、尾水隧洞等金屬部位時(shí)，與金屬表面之間形成縫隙；在電站的螺栓結(jié)合處和金屬與非金屬的接觸處，也會形成縫隙。幾乎所有的腐蝕性介質(zhì)都可能引起金屬縫隙腐蝕，在Cl-等活性離子豐富的海水環(huán)境中最容易引起該類腐蝕。

    2.2.3 應(yīng)力腐蝕

    應(yīng)力腐蝕是金屬結(jié)構(gòu)在拉應(yīng)力和特定的化學(xué)介質(zhì)的持續(xù)作用下產(chǎn)生的脆斷現(xiàn)象，不論是韌性材料還是脆性材料都可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂。超過臨界值的拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用在金屬上產(chǎn)生裂紋，隨著作用時(shí)間的延長，裂紋逐漸擴(kuò)展，當(dāng)應(yīng)力腐蝕開裂擴(kuò)展至某一深度時(shí)，材料就會因此斷裂，甚至有的材料可以在不發(fā)生任何形變的情況下斷裂，對結(jié)構(gòu)的危害性極大。

    Al-Nabulsi 等用實(shí)時(shí)熒光定量核酸擴(kuò)增檢測系統(tǒng)（qPCR）、SEM和EDS 來研究C86300 銅合金在海洋中應(yīng)力腐蝕失效的機(jī)制。結(jié)果表明，C86300銅合金的環(huán)境裂紋是由硝酸鹽還原菌代謝產(chǎn)生的氨引起的，在氨氣環(huán)境下，金屬表面的局部腐蝕造成應(yīng)力集中，是金屬應(yīng)力腐蝕開裂的起始點(diǎn)。Yang 等模擬深海環(huán)境，研究靜水壓力對X70 管線鋼應(yīng)力腐蝕行為的影響并對應(yīng)力腐蝕開裂的機(jī)理進(jìn)行分析。

    結(jié)果表明，靜水壓力和H+濃度的升高都會使應(yīng)力腐蝕開裂的閾值壓力降低，從而促進(jìn)應(yīng)力腐蝕開裂，靜水壓力促進(jìn)了麻點(diǎn)的生成從而引發(fā)了應(yīng)力腐蝕斷裂的微裂紋；靜水壓力會使金屬裂紋中氫濃度增加，促進(jìn)腐蝕。表明陽極溶解和氫誘導(dǎo)開裂是深海環(huán)境下材料應(yīng)力腐蝕開裂的主要原因。在海水抽水蓄能電站運(yùn)行工況下，工作溫度、工作介質(zhì)和殘余應(yīng)力共同作用，使金屬結(jié)構(gòu)的抗應(yīng)力腐蝕開裂能力大大降低，容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。

    2.2.4 磨損腐蝕

    磨損腐蝕是由物理、力學(xué)、化學(xué)和電化學(xué)綜合作用而產(chǎn)生的破環(huán)。磨損腐蝕會對海水抽水蓄能電站的金屬材料造成嚴(yán)重的破壞，金屬表面的腐蝕產(chǎn)物在摩擦過程中被剝離，暴露出的新的金屬面又發(fā)生新的化學(xué)反應(yīng)，腐蝕和磨損交替出現(xiàn)而使材料損失。磨損腐蝕的過程十分復(fù)雜，介質(zhì)流速、顆粒物大小、沖刷角、材料自身的組成及結(jié)構(gòu)都影響其腐蝕速率。海水抽水蓄能電站材料長期處于高壓高流速的海水中，在泵體、葉輪、閥的過流部件、管道內(nèi)壁面及攔污柵處最容易受到磨損腐蝕，其中以電站運(yùn)行過程中出現(xiàn)的雙相流造成的腐蝕磨損破壞最為嚴(yán)重。在海水抽水蓄能電站中磨損腐蝕可分為沖擊腐蝕和空泡腐蝕。

    海水抽水蓄能電站運(yùn)行工況下，高壓高流速的海水中可能會攜帶大量的懸浮固體物質(zhì)，對金屬結(jié)構(gòu)突出部位的沖擊作用會加劇腐蝕過程，形成沖擊腐蝕。在攔污柵的柵條、泵的出口處、水輪機(jī)的葉片和壓力管道的彎管部位常發(fā)生這種現(xiàn)象。海水在高速流動中，由于氣泡的產(chǎn)生和破滅，對所接觸的金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水錘作用，其瞬間壓力可達(dá)數(shù)千大氣壓，能將材料表面的腐蝕產(chǎn)物保護(hù)膜和襯里破除，使之不斷暴露新鮮表面而造成空泡腐蝕。在水泵水輪機(jī)的葉片部位最易發(fā)生空泡腐蝕，造成葉片碎裂失效。

    對于防止磨損腐蝕最有效的方法之一就是選用抗沖刷腐蝕能力較好的金屬，通過合理提高合金中Mo，Ni 和Cr 等元素的含量，增強(qiáng)金屬表面的鈍化能力，形成更穩(wěn)定的鈍化膜，從而改善材料在海水中的抗磨損腐蝕的能力。

    2.2.5 腐蝕疲勞

    腐蝕疲勞是指在介質(zhì)的腐蝕作用和交變循環(huán)應(yīng)力作用下金屬材料發(fā)生開裂或斷裂而過早破損的現(xiàn)象。海水抽水蓄能電站的壓力管道、攔污柵和一些振動部件都容易發(fā)生腐蝕疲勞。

    在腐蝕環(huán)境和交變應(yīng)力的共同作用下，腐蝕疲勞損傷達(dá)到臨界值，開始萌生裂紋，腐蝕疲勞裂紋最易發(fā)生在能產(chǎn)生孔蝕的環(huán)境中，孔蝕起到了應(yīng)力集中的作用。然后腐蝕疲勞裂紋在腐蝕損傷和機(jī)械損傷的相互促進(jìn)下開始擴(kuò)展，周期應(yīng)力使鈍化膜反復(fù)局部破裂，裂口處裸露金屬遭受不斷腐蝕，兩種損傷相互促進(jìn)直至結(jié)構(gòu)斷裂。

    與應(yīng)力腐蝕破裂不同的是，腐蝕疲勞對腐蝕環(huán)境沒有選擇性，氧含量、溫度、pH值和溶液成分都影響腐蝕疲勞，陽極溶解會加快腐蝕疲勞，陰極極化會減緩腐蝕疲勞。

    3 海水抽水蓄能電站的選材

    由于海水抽水蓄能電站以高壓、高流速的海水作為工作介質(zhì)，海水腐蝕、生物污損等問題會使金屬結(jié)構(gòu)物發(fā)生早期破壞，甚至引起重大事故，電站的結(jié)構(gòu)材料都有不同于一般抽水蓄能電站的特殊要求。

    海水抽水蓄能電站的選材應(yīng)從材料的力學(xué)性能、耐蝕性能、成本和維護(hù)等方面綜合考慮，采用金屬、非金屬和復(fù)合材料等廣泛應(yīng)用于海工設(shè)施的耐蝕材料作為電站重要結(jié)構(gòu)的備選材料。國內(nèi)外學(xué)者對耐蝕材料在不同海洋環(huán)境下的腐蝕進(jìn)行了較多的研究工作。了解各種耐蝕材料及其在海洋環(huán)境中的耐蝕性對海水抽水蓄能電站的選材具有重要參考價(jià)值。

    3.1 碳鋼和低合金鋼

    海洋工程中使用的金屬材料80%以上是碳鋼和普通的低合金鋼，因?yàn)檫@些材料價(jià)格低廉，使用方便，加工性能好。碳鋼和低合金鋼的強(qiáng)度、韌性、耐蝕性能較好，適用于作為壓力管道、海水泵、閥的材料。碳鋼和低合金鋼在海洋環(huán)境中的腐蝕形式主要表現(xiàn)為均勻腐蝕，但是隨著服役時(shí)間的延長，鋼鐵會發(fā)生局部腐蝕。尤其是海水抽水蓄能電站的碳鋼和低合金鋼設(shè)備處于高壓、高流速的海水環(huán)境中，局部腐蝕更為嚴(yán)重。研究顯示，碳鋼和低碳鋼的管道在海水中容易產(chǎn)生坑蝕，其腐蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于均勻腐蝕速率，而且管道中微生物的附著會加速腐蝕，造成管道的破壞失效。在碳鋼和低合金鋼的銹層中存在裂紋和縫隙，形成缺氧層，裂紋中的基體金屬將作為陽極發(fā)生縫隙腐蝕。研究表明，碳鋼和低合金鋼在海水中存在明顯的應(yīng)力腐蝕傾向，抗應(yīng)力腐蝕開裂的能力很差。碳鋼和低合金鋼在海水中使用必須要采用一定的防腐措施，實(shí)際工程應(yīng)用中顯示電化學(xué)陰極保護(hù)與涂覆防腐涂層聯(lián)用可有效防止均勻腐蝕、孔蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕等，提高碳鋼和低合金鋼在海水中的使用年限。綜合考慮碳鋼和低合金鋼的力學(xué)性能、耐蝕性能、成本和維護(hù)費(fèi)用等，碳鋼和低合金鋼可用于海水抽水蓄能電站的壓力管道和蝸殼部位。

    3.2 不銹鋼

    目前不銹鋼主要應(yīng)用于海洋工程中的海水泵、水輪機(jī)葉片、壓力管道、閥門、螺栓等。不銹鋼是易鈍化金屬，在海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、海洋潮差區(qū)的耐蝕性較好。不銹鋼在浪花飛濺區(qū)常被充氣海水、海霧所潤濕，并且干濕交替頻繁，有利于不銹鋼保持鈍態(tài)而產(chǎn)生輕微腐蝕。但是在浪花飛濺區(qū)有浪花飛濺、海浪沖擊，鹽粒子沉積在不銹鋼表面能引起不銹鋼的點(diǎn)蝕破壞，有縫隙存在時(shí)也容易產(chǎn)生縫隙腐蝕。在海洋潮差區(qū)的不銹鋼表面也是干濕交替頻繁且海水是充分溶氧的，也有利于不銹鋼保持鈍態(tài)，腐蝕速率相對全浸區(qū)也較小。但是在潮差區(qū)，不銹鋼表面容易受到藤壺、牡蠣等海生物污損而引起縫隙腐蝕。不銹鋼在全浸區(qū)的整體腐蝕速率也較低，其主要腐蝕特征是局部腐蝕，易造成不銹鋼嚴(yán)重破壞。由于Cl-的存在，表面鈍化膜被破壞而形成孔蝕，并且也會因微生物的附著而發(fā)生縫隙腐蝕。

    Sidelle 等分析了運(yùn)輸石油和天然氣的超級雙相不銹鋼管道的過早失效問題，認(rèn)為孔蝕是造成管道失效的主要原因。海水抽水蓄能電站機(jī)組的關(guān)鍵部位如水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪和葉片、水泵等所處的工作環(huán)境苛刻，容易發(fā)生點(diǎn)蝕、磨損腐蝕和縫隙腐蝕，需要采用耐蝕性能優(yōu)異的不銹鋼材料。

    3.3 有色金屬及其合金

    海洋工程中常用的有色金屬及其合金材料主要包括Ti 與鈦合金、Cu 與銅合金以及鋁合金，它們在海洋環(huán)境中都具有良好的耐腐蝕性，可應(yīng)用于海水抽水蓄能電站的水輪機(jī)葉片、水泵、閥門、換熱器和攔污柵等部位。其中Ti 和鈦合金是海洋工程中耐腐蝕性最好的材料之一，Ti 及鈦合金在常溫海洋環(huán)境中耐點(diǎn)蝕和耐縫隙腐蝕的性能是最好的，在流動海水中的腐蝕速率也很低。所以Ti 及鈦合金廣泛應(yīng)用于深潛器耐壓球殼、輸送管道、海水泵、換熱器、閥門等結(jié)構(gòu)。Ti 及鈦合金在使用時(shí)與其它金屬（碳鋼、不銹鋼、Cu等） 偶接時(shí)會造成其它金屬產(chǎn)生嚴(yán)重的電偶腐蝕。Du 等[39]采用EIS、EN 和SEM 研究了Cu 和Cu/Ti 電偶在海水中的腐蝕行為。結(jié)果表明：Cu 與Ti 之間的電位差使Cu 的腐蝕初始驅(qū)動力增大，加速Cu 的腐蝕和點(diǎn)蝕。研究顯示，Ti 常常作為腐蝕電偶對的陰極，H可能在其表面析出而造成氫脆破壞。Ti 及鈦合金是一種極易吸氫的材料，少量吸氫即可導(dǎo)致鈦材脆化或開裂，氫脆是導(dǎo)致鈦設(shè)備失效的主要原因。

    Cu與銅合金具有良好的力學(xué)性能、可成型性和導(dǎo)熱性，同時(shí)在海洋環(huán)境中具有優(yōu)良的耐點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕和生物污損的性能，因此在海洋環(huán)境中有廣泛的應(yīng)用。海水冷凝管、海水管道、葉輪、海水泵、閥門等關(guān)鍵部位會采用銅材料。黃桂橋研究了12 種銅合金在青島海域飛濺區(qū)暴露16 a 的腐蝕行為和規(guī)律，結(jié)果表明：Cu與銅合金在海水中呈現(xiàn)均勻腐蝕的特征，在海洋大氣區(qū)和飛濺區(qū)腐蝕最輕，潮差區(qū)居中，全浸區(qū)最重。Cu與銅合金在海水中長期暴露會產(chǎn)生點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕，也會發(fā)生成分選擇性腐蝕，高鋅黃銅有脫鋅腐蝕敏感性，同時(shí)也易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，增大開裂傾向；白銅有脫鎳腐蝕敏感性。在海洋環(huán)境下服役的銅合金熱交換管常會因局部腐蝕而失效。

    鋁合金在海洋環(huán)境中以局部腐蝕為主，常常因點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕或應(yīng)力腐蝕等受到破壞。鋁合金在海洋大氣區(qū)腐蝕最輕；在飛濺區(qū)的腐蝕比大氣區(qū)嚴(yán)重一些，而且易發(fā)生縫隙腐蝕；鋁合金在潮差區(qū)的整體腐蝕速率比全浸區(qū)的低，但是在潮差區(qū)點(diǎn)蝕最嚴(yán)重；鋁合金在全浸區(qū)腐蝕最重，年平均腐蝕速率會隨著暴露時(shí)間的增加而逐漸下降。Al-Zn-Mg系耐蝕鋁合金被認(rèn)為是最耐海水腐蝕的，常應(yīng)用于海水冷凝器材料。

    3.4 非金屬與復(fù)合材料

    非金屬與復(fù)合材料具有耐蝕性好、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、抗疲勞性好、綜合成本低等特點(diǎn)，因此，在海洋環(huán)境中得到越來越廣泛的應(yīng)用。海水抽水蓄能電站的一些部位可采用鋼筋混凝土、玻璃鋼和陶瓷材料。

    鋼筋混凝土成本低，強(qiáng)度好，并有一定的耐蝕性，廣泛應(yīng)用于海洋建筑，海水抽水蓄能電站的尾水隧洞和進(jìn)/出水口可采用鋼筋混凝土材料。但由于長期處于海水、海浪等海洋環(huán)境下，鋼筋混凝土的耐久性會有很大的減弱。研究表明，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境下破壞的主要原因有：鋼筋銹蝕，寒冷氣候下混凝土凍害，侵蝕環(huán)境下混凝土腐蝕，混凝土在結(jié)晶壓力下的破壞，混凝土的沖擊、磨損破壞，海洋微生物作用下的破壞。在電站運(yùn)行工況下，要對鋼筋表面進(jìn)行防腐處理和電化學(xué)保護(hù)，在混凝土的表面也要進(jìn)行防腐處理，提高鋼筋混凝土的使用壽命。

    玻璃鋼材料具有非常優(yōu)越的特性：質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，相對密度只有碳鋼的約1/4，但拉伸強(qiáng)度卻與碳鋼接近，在高壓容器中具有較廣泛的應(yīng)用；耐蝕性好，對大氣、水和一般濃度的酸、堿、鹽以及多種油類和溶劑都有較好的抵抗能力；是優(yōu)良的電絕緣體；耐熱性好，是優(yōu)良的絕熱材料；耐生物污損性好，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于油氣管、海水壓力管道等材料。

    玻璃鋼承受靜水壓力的能力會隨著直徑的增加而減少，實(shí)際工程中常采用混凝土包覆玻璃鋼材料進(jìn)行加固。由于鋼材造價(jià)高，運(yùn)輸和安裝成本高，在海水抽水蓄能電站壓力管道承受靜水壓力和水力沖擊較低的部位可采用玻璃鋼材料，從而在保證管道性能的同時(shí)降低海水抽水蓄能電站的工程成本。

    常杰等將TiAl 金屬間化合物作為燒結(jié)助劑與B4C 復(fù)合使其增韌增強(qiáng)，制備了TiAl/B4C 復(fù)合陶瓷材料，并對其耐海水腐蝕性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明TiAl/B4C 具有良好的抗腐蝕性能，TiAl 對B4C 具有良好的增韌增強(qiáng)作用。陶瓷基復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、硬度高、耐高溫、耐腐蝕、耐磨等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于海洋裝備材料、水泵耐磨涂層、高溫?zé)峤粨Q器等材料，海水抽水蓄能電站的活塞和隔熱部件可以采用陶瓷基復(fù)合材料，也可在電站的金屬結(jié)構(gòu)表面涂覆特殊的陶瓷涂層材料進(jìn)行防腐。但是陶瓷材料的韌性差和強(qiáng)度較低限制了其在海洋工程中的應(yīng)用，所以進(jìn)一步提高陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)韌性十分重要，研究陶瓷材料的性能和改性對海水抽水蓄能電站的選材也具有重大意義。

    4 結(jié)束語

    海水抽水蓄能電站材料的腐蝕是影響電站穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵問題之一，研究和解決海水抽水蓄能電站結(jié)構(gòu)的腐蝕對開發(fā)海洋資源和建設(shè)海水抽水蓄能電站具有重大現(xiàn)實(shí)意義。海水抽水蓄能電站運(yùn)行工況十分復(fù)雜，各種環(huán)境因素和材料本身的組成和結(jié)構(gòu)都會對材料腐蝕造成影響。因此，未來對海水抽水蓄能電站材料腐蝕和選材的研究應(yīng)注重：

    （1） 建立可以模擬海水抽水蓄能電站真實(shí)運(yùn)行工況的試驗(yàn)裝置，綜合考慮各種環(huán)境因素。

    （2） 研究材料在海水抽水蓄能運(yùn)行工況下，特別是在長期服役期間的腐蝕行為和腐蝕機(jī)理，明確各種環(huán)境因素的綜合作用。

    （3） 對材料的力學(xué)性能、耐蝕性能、價(jià)格、維護(hù)等方面進(jìn)行綜合性評價(jià)，制定海水抽水蓄能電站結(jié)構(gòu)的選材原則和方法。

    （4） 發(fā)展適用于金屬材料在海水抽水蓄能電站運(yùn)行工況下的防腐技術(shù)。

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責(zé)任編輯：王元

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