在腐蝕工程中，海水是需要被討論環(huán)境中最重要的因素，而其中最容易引起問題的就是用于輸送石油、氣體的管道。現在就讓我們一同了解一下一些能夠引起海水中金屬發(fā)生腐蝕的重要因素以及該如何在海水環(huán)境中使用結構材料。
 
海水腐蝕中的三大重要因素

 1. 氯離子濃度

鹽水中所含有的氯離子在海水中也是腐蝕性最強的物質之一。水中的氯離子濃度一般被稱為鹽度。海水中的鹽度值會受水的太陽蒸發(fā)率，水中的沉淀物和由淡水和空氣循環(huán)造成的稀釋影響程度而不同，一般會在3.1%至3.8%這個質量百分率濃度范圍內浮動變化。
 
海水中氯離子具有的腐蝕性可通過以下三方面進行解釋：
 
氯離子可與溶液中的亞鐵離子發(fā)生反應生成氯化亞鐵，具體化學反應如下：

 Fe = Fe2+ + 2 e-
Fe2+ + 2 Cl- = FeCl2
 
生成的氯化亞鐵可以同溶解氧發(fā)生反應生成氧化鐵和氯化鐵，氯化鐵可作為氧化劑提高一般腐蝕和點狀腐蝕的發(fā)生速率。鐵離子能改變腐蝕電位值，使其高于點蝕電位或擊穿電位，從而引起更加嚴重的腐蝕。
 
在點狀腐蝕中，氯離子被稱為“具有強攻擊性的陰離子”，其能夠引起并促使點蝕的發(fā)生。氯離子能夠穿過鈍化膜增加點蝕的發(fā)生幾率。此外，氯化物也能夠通過自身催化過程加劇點狀腐蝕的影響。
 
 值得注意的是，靜水的存在是點狀腐蝕是否會發(fā)生的必要條件，也就是說，在表面具有流動水存在的區(qū)域發(fā)生點蝕的幾率會相對較小。
 
溶解氧也是影響海水腐蝕性的另一個重要因素；氯化物的濃度能夠影響氧氣的溶解度。氯化鈉溶液中氧氣能達到的最大溶解度為0.035，如下圖所示：

 

通過觀察上述圖表，我們能了解氯離子濃度和溶氧濃度分別在達到何種數值時才會造成最大的腐蝕速率。

 
2. 氧氣

由于海水的PH值一般在7.5至8.5范圍間，因此主要的陰極反應為氧化還原反應。實際上，溶解氧會對海水中的金屬腐蝕速率具有巨大影響。
 
有多種因素能夠影響陰極的氧化還原反應。由海浪對海水產生的攪動會增加海水中的氧濃度。溫度作為另一個影響因素會產生兩種相反效應。首先，溫度能影響溶解氧的溶解度及其擴散率。海水中氧氣的擴散率會隨海水溫度的上升而提高。腐蝕速率也會由于陰極氧化還原反應中極限電流密度的提高而增加。但在高溫情況下，海水中的氧溶解度會下降并相應降低腐蝕速率。但總的來說，在鹽水中氧的擴散率相比其溶解度更易受溫度的影響。
 
此外，鹽濃度會影響溶解氧的濃度。一般來說，在溶解鹽含量為3.5%的氯化鈉溶液中氧濃度最高。
 
3. 溫度

溫度能夠對活化極化和濃差極化造成影響，這兩種極化均能提高大部分類型腐蝕的腐蝕性。例如，海水中的鋼鐵腐蝕，溫度每升高1度，其腐蝕就很增加2%到4%。因此，熱帶地區(qū)發(fā)生的海水腐蝕要比北極區(qū)的更為嚴重。
  
海水中的結構材料
現在讓我們一同了解一下一些海水中重要結構材料的耐蝕性。
 
普通鋼
未進行防護工序處理的低碳鋼在海洋環(huán)境中不具有抗腐蝕性，但在對其使用保護手段后（如陰極保護法或涂裝聚合物涂層），其通常可被用作制造板樁，船體等設施的材料。對于海水中未受保護的鋼鐵結構，其受到的腐蝕速率與它在海水中所處的位置有關，具體可見下圖：
 

 

位于海底（全浸區(qū)）的海水處于停滯狀態(tài)、其溫度及氧濃度均為最低。因此，這個區(qū)域中的腐蝕速率要低于其他區(qū)域。海底較高的區(qū)域被稱為潮汐區(qū)，處于該地帶中的物質會受干濕循環(huán)的影響。干濕循環(huán)每24小時重復一次并可提高腐蝕速率。研究顯示處于潮汐地帶的低碳鋼腐蝕速率大約為每年100微米，而全浸區(qū)的這一數值卻低于每年50微米或被視為接近于零。高溫、氧飽和以及海水外濺會在飛濺區(qū)引起嚴重的腐蝕情況。飛濺區(qū)（如阿拉斯加的庫克海灣）的腐蝕速率能達到每年900微米。
 
值得注意的是在緊接著飛濺區(qū)下方區(qū)域中的腐蝕速率要略高于潮汐區(qū)中的其他地帶，其背后原因是由于氧濃差電池的形成，在此電池中，陽極位于氧氣分壓較低的飛濺區(qū)的下方區(qū)域，而陰極則位于氧氣分壓較高的飛濺區(qū)中。
 
位于海面上方的水平面被稱為“海洋大氣”，海水形成的薄層會在金屬表面凝結造成大氣腐蝕。風力強度，海水鹽度以及溫度是能夠影響海洋大氣腐蝕的三大重要因素。
 
使用陰極保護，涂料以及覆蓋層板可有效防止處于海水中的鋼柱和鋼樁發(fā)生腐蝕現象。
 
不銹鋼
由于不銹鋼表面的氧化鉻保護層，不銹鋼對海水中的一般性腐蝕具有較高的耐蝕性。但由于海水中的氯離子濃度較高，不銹鋼合金在海洋里的滯水環(huán)境中易受點狀腐蝕的影響，比如常用的304型不銹鋼就十分容易在海水中受點蝕的影響。要提高不銹鋼的耐點蝕性，可向其原來的化學成分中添加其他元素，如包含2%鉬的316型不銹鋼，其耐點蝕性大大優(yōu)于原先的不銹鋼。除了添加鉬，增加不銹鋼中的鉻含量也能提高不銹鋼在海水中的耐點蝕性。
 
銅合金
銅及其合金（青銅和黃銅）在海水中對一般腐蝕具有耐蝕性。因此，銅合金被廣泛用于海洋產業(yè)中。有時，可通過改變黃銅合金的化學組成使其能在海洋環(huán)境中更好地發(fā)揮作用：比如含1%錫的海軍黃銅或船用黃銅以及包含少量砷的砷黃銅能有效防止脫鋅腐蝕的發(fā)生。在黃銅中添加鋁通常可以增加用于制造船只葉輪的黃銅對沖蝕腐蝕的耐蝕性。白銅，由于其對海水腐蝕優(yōu)異的耐蝕性而在海洋項目中被大量使用。

混凝土
氯化物能夠通過混凝土表面的縫隙穿過混凝土與鋼筋鋼條接觸，由于混凝土的高度堿性環(huán)境，鋼筋鋼條會被鈍化，從而引起局部區(qū)域的腐蝕，最終由于生銹產生的內壓，混凝土會發(fā)生斷裂。
 
鋁
鋁和鋁合金在海洋環(huán)境中的耐蝕性取決于其包含的合金元素及其表面涂裝的面漆。比如，當鋁中含有鐵或者銅元素成分時，其耐蝕性會受到損害。而含有鎂元素的5xxx系列鋁合金（如5052鋁合金）則適用于海洋環(huán)境中。此外，可通過在鋁表面形成質地較硬的陽極氧化層(較厚的氧化鋁層）來防止海洋腐蝕的發(fā)生。
 
鈦和鈦合金
鈦和鈦合金可作為制造海洋設備的優(yōu)質材料，盡管其價格昂貴，但考慮到其良好的品質特性，故還是具有被考慮使用的價值。
 
 
 
原作：Mehdi Yari
譯者：方呈祥
譯自：corrosionpedia