0 引言

    隨著經濟建設的飛速發展以及科學技術水平的逐步提高，我國對于海洋的開發有了突飛猛進的發展，海洋構筑物也越來越多。21 世紀是人類開發利用新環境、新資源的時代，而深海資源也已得到了人們的廣泛利用。但水下的環境與陸地環境極其不同，多數用于陸地上的技術無法同樣應用于深海工程。

    由于海水中富含氯離子及各種鹽類，加以深海環境下靜水壓力的作用，深海金屬結構設施的腐蝕也成為了人們日益關注的問題。因此，研究深海環境中的腐蝕規律及控制腐蝕的方法，對延長深海金屬結構設施的使用壽命，保證深海構筑物的正常運行和安全使用，以及促進海洋經濟的發展具有十分重要的意義。

    本文針對深海構筑物所處的深海環境，綜述了深海環境因素對金屬結構腐蝕行為的影響；簡要介紹了當今各國在深海環境腐蝕防護技術方面的研究進展，并對深海腐蝕防護研究的必要性和前景作了展望。

    1 深海環境因素對金屬結構腐蝕行為的影響

    對于深海，不同領域有不同的界定。按照《中國大百科全書》的定義，深海指200 m 以下的海洋環境，在軍事領域通常將深海定義為300 m 以下的海洋環境。

    深海環境是一種苛刻的腐蝕環境，尤其對于金屬而言是高腐蝕性環境，其中的氧濃度、光照量、pH、溫度、鹽度、流速等條件與淺海環境中大不相同。

    中國船舶重工集團公司第七二五所青島分部的侯建等研究了深海環境因素對碳鋼的腐蝕行為的影響，得出碳鋼和低合金鋼在深海環境中的腐蝕速率與溫度、溶解氧、鹽度、pH 等海水環境因素密切相關。其中，溶解氧的含量影響最大。

    1.1 溶解氧含量

    Sawant S S 等研究了低碳鋼、不銹鋼、銅、黃銅及銅鎳合金在阿拉伯海和孟加拉海灣淺海、1 000~2 900 m 深處暴露1 a 的腐蝕行為，發現除了黃銅的腐蝕速率與深度沒有關系外，其它材料在2 900 m 深處比在1 000 m 深處和在淺海環境下的腐蝕速率更低。

    在淺海環境下腐蝕速率順序為低碳鋼> 銅> 銅鎳合金> 黃銅> 不銹鋼，在深海環境下腐蝕速率順序為低碳鋼> 銅鎳合金> 黃銅> 銅> 不銹鋼。這些金屬的腐蝕速率受到溶解氧含量的控制。

    美國海軍實驗室在2 060 m 深度進行了各種金屬與合金的腐蝕試驗，發現該環境下鋼材腐蝕速率與氧含量呈線性關系。他們還研究了中碳鋼AISI 1020在阿拉伯海1 000~2 900 m 深處浸泡1 a 的腐蝕行為，發現其在2 900 m 深處的腐蝕速率小于1 000 m 深處，并且認為腐蝕速率隨深度變化在深海環境中小于淺海環境。

    印度國家海洋技術研究所的Venkatesan R 等用實海掛片方法研究了碳鋼在印度洋中500 m、1 200 m、3 500 m 和5 100 m 深度的腐蝕行為，研究結果表明，深海環境中氧濃度是影響均勻腐蝕過程的主要因素，中碳鋼在深海中的腐蝕速率隨溶解氧濃度降低而減小。美國在西海岸太平洋2 000 m 處的深海腐蝕試驗表明，溶解氧含量在700 m 處達到最小值后又逐漸增加，金屬腐蝕速率與溶解氧含量變化完全一致。

    從當前國內外研究的成果來看，在深海環境其他因素不變的情況下，金屬結構設施的腐蝕速率與氧含量成正比。由于氧含量隨著海水的深度降低，故腐蝕速率的變化也應如此。

    1.2 其他因素

    除了溶解氧含量外，海水溫度、含鹽度、pH、二氧化碳濃度、靜水壓力以及海水流速等都是影響金屬結構設施腐蝕的重要因素。

    隨海水深度的增加，溫度是不斷變化的。在500 m深處的海水溫度不到10℃，在2 000 m 深處的海水溫度約2℃，在5 000 m 深處的海水溫度約1℃。隨著海水溫度升高，分子熱運動加強，氧氣的擴散速度增大，增強了海水的導電性能，從而加快了金屬的腐蝕速率。

    研究表明，室溫條件下不同濃度的NaCl 水溶液中，3%~315% 左右質量含量的NaCl 水溶液對鋼鐵的腐蝕最為嚴重。因為當鹽濃度低于3% 時，隨鹽濃度增加，溶液導電性增加，腐蝕速率上升；當鹽濃度高于315% 時，氧的溶解度降低及擴散速度減小，腐蝕速率明顯下降。在深海環境下，海水中的含鹽度約在315%，變化幅度非常小。

    徐立坤等在實驗中得出，高pH，高含氧量；低pH，低含氧量。海水的pH 相對比較固定，一般在7.4~8.2，對多數金屬的腐蝕并無明顯影響，但對鋁鎂合金是個例外。當海水pH 由8.2 降到7.2 時，鋁鎂合金點蝕及縫隙腐蝕趨勢增加。一般情況下，pH 升高有利于抑制海水的腐蝕性。

    Venkatesan R和Beccaria A M 等分別測定了印度洋測試點海水靜壓力與其深度的關系，以及在保持其它參數（溶氧量、溫度等）不變的情況下，在實驗室模擬研究了不同深度海水靜壓力對鋁及其合金、AISI 300 及AISI 400 系列不銹鋼的腐蝕行為的影響。結果表明，在深海環境中，靜水壓力很大，而氯離子在較高壓的環境中活性增強，更容易滲透進金屬的鈍化膜，多種金屬的氧化物能夠轉化為水溶性氫氧化物，從而引發點蝕。同時，在較高壓力下離子水合程度降低，氧化物/ 氫氧化物比值發生改變，因此形成腐蝕層的保護特性也發生改變。

    青島大學的唐曉等關于海水流動對A3 鋼腐蝕速度的影響的研究表明，流速的作用體現在物理流動的加速加快了腐蝕反應的速度，不僅減少了金屬表面氧氣的擴散層厚度，增強了氧氣的去極化作用；而且隨著流速的增大，有效沖刷了金屬表面由于腐蝕而生成的沉積保護膜，從而阻礙了沉積物對于金屬腐蝕的阻滯作用。

    2 國內外對深海腐蝕防護研究的新進展

    目前，國內外對深海環境中金屬的腐蝕防護研究中，多采用噴涂海洋重防腐涂料技術，在處于海洋環境中的金屬表面噴涂重防腐涂料來達到對海洋金屬腐蝕的防護效果。

    臺灣Formosa 石化公司在碼頭鋼樁上采用了美國Specialty Products Inc. Polyshield HT 聚脲作為新型防腐涂層。實踐表明，噴涂聚脲防腐層的鋼樁具有優良的物理性能、防腐性、附著力、耐老化性以及可耐受海水外力沖刷而不會被損壞。

    青島理工大學功能材料研究所的黃微波等人提出，海洋環境中金屬腐蝕速率遠遠大于大氣中的腐蝕速率，海洋產業的腐蝕損失已占我國全部腐蝕損失的約1/3，而涂裝重防腐涂料是最有效、最經濟、應用最普遍的的深海金屬防腐措施之一。他們選擇純聚脲材料作為重防腐涂層的主要材料，并通過FTIR（傅里葉轉換紅外光譜分析）、DSC（差示掃描量熱法）等方法，研究了在海洋大氣環境戶外自然曝曬老化、紫外線人工加速老化以及人工模擬海洋環境條件下，純聚脲重防腐涂層（簡稱Qtech-412 涂層）的力學性能、光澤度和分子結構的變化。試驗結果表明，純聚脲重防腐防護涂層的性能明顯優于普通的防腐涂層。目前Qtech-412 涂層已成功應用于青島海灣大橋承臺、港珠澳大橋沉管隧道接縫等防護工程。

    劉登良等在研究中指出，隨著深海鉆井平臺的大型化和作業深度的進一步增加，以及深海更加嚴酷的腐蝕環境，其防腐手段仍不斷面臨新的挑戰。

    尤其是舊平臺的維護保養所面臨的極端嚴酷的作業環境和施工困難，對深海金屬結構設施的腐蝕防護提出了更嚴格的要求。

    Shiwei William Guan通過研究發現，近年來聚脲噴涂技術已在國外大量采用，如用于韓國的仁川機場，美國的圣馬特跨海大橋，各類艦船、石油平臺等的防腐防滲。現有的海洋管道防腐蝕通常采用3PE 加水泥配套，若1 000 m 有80 個左右接頭，只要有1 個接頭防腐出問題，不合格率即為100%，而采用噴涂聚脲防腐，只有兩端2 個接頭，徹底解決了海洋管道接口的防腐問題。

    3 結語

    深海腐蝕環境較淺海表層腐蝕環境復雜，影響因素眾多，其中最重要的是海水中的氧含量，深海環境中的溶解氧含量是金屬深海腐蝕的最主要原因。

    除此之外，pH、光照、流速、靜水壓力、含鹽度等也是影響金屬在深海腐蝕行為的重要因素。

    目前，各國都在積極開展深海腐蝕防護工作的探索，已成功投放了多種形式的深海腐蝕試驗儀器以探測深海腐蝕行為，并通過逐步完善的涂料涂裝技術（如噴涂聚脲技術）對深海環境中金屬的防腐作出了有效的貢獻和探索，這對于深海環境中金屬的腐蝕與防護工作有著積極的推動作用，使人們對深海腐蝕的認識不僅停留在檢測與預測階段，更有力地推動了深海金屬防護的進程。通過對深海腐蝕試驗技術的完善，人們對于深海金屬腐蝕行為的了解將更加深入，為深海材料的制備和選用提供更加可靠的科學依據，也將使深海防護在現有陰極保護法及噴涂保護層的基礎上有進一步的發展。