海工鋼在熱帶海域長(zhǎng)尺試驗(yàn)腐蝕行為研究

張彭輝，王煒，郭為民，丁康康，范林

（1.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，山東 青島 266101；2.寶鋼研究院 寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

海工鋼在熱帶海域長(zhǎng)尺試驗(yàn)腐蝕行為研究

張彭輝1，王煒2，郭為民1，丁康康1，范林1

（1.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，山東 青島 266101；2.寶鋼研究院 寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

目的獲得A517Q海工鋼長(zhǎng)尺試樣在熱帶海域的腐蝕行為。方法通過(guò)貫穿海洋大氣、飛濺、潮差和全浸區(qū)的長(zhǎng)尺電連接試驗(yàn)進(jìn)行研究。結(jié)果試樣在飛濺區(qū)的腐蝕速率最高，潮差區(qū)高潮位部位的腐蝕速率大于低潮位。全浸區(qū)上部的腐蝕速率高于其下部。各區(qū)帶試樣的腐蝕形貌存在顯著差異。結(jié)論三亞海域的海浪飛濺沖刷作用較大，水溫和氣溫較高，導(dǎo)致A517Q長(zhǎng)尺試樣的飛濺區(qū)腐蝕嚴(yán)重。大量的海生物附著，Cr，Mo，Mn，Ni等合金元素的添加，減緩了全浸區(qū)的腐蝕。

海工鋼；長(zhǎng)尺；海洋環(huán)境；腐蝕

隨著海洋油氣資源開(kāi)發(fā)的不斷深入，各種海上采油設(shè)備、平臺(tái)也逐漸向大型化、深水化方向發(fā)展。海工鋼作為各種海洋工程設(shè)施的主要結(jié)構(gòu)材料，長(zhǎng)期應(yīng)用在海洋環(huán)境中，由于海水的強(qiáng)腐蝕性，會(huì)遭受嚴(yán)重腐蝕危害[1—2]，因此研究海工鋼在海水中的腐蝕行為對(duì)保證操作人員生命安全，提高海洋平臺(tái)使用壽命以及開(kāi)發(fā)海洋資源具有重要意義。為研究鋼鐵在海水中的耐蝕性能，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量鋼材實(shí)海試驗(yàn)，這些試驗(yàn)多采用短尺裸材，分開(kāi)投放在大氣、飛濺、潮差和全浸等區(qū)帶，各區(qū)帶試樣間并無(wú)聯(lián)系[3—5]。在實(shí)際應(yīng)用中，工程設(shè)施往往是貫穿于整個(gè)海洋環(huán)境區(qū)帶，短尺試樣的腐蝕數(shù)據(jù)不能反映整體結(jié)構(gòu)物的腐蝕規(guī)律。長(zhǎng)尺試驗(yàn)是采用防水導(dǎo)線將各區(qū)帶試樣連接在一起，其試驗(yàn)結(jié)果更符合結(jié)構(gòu)物實(shí)際腐蝕情況，能更真實(shí)地反映鋼材在實(shí)際使用中的腐蝕規(guī)律[6—9]。

寶鋼A517Q海工鋼以其高強(qiáng)度和良好的焊接性能，在海洋平臺(tái)支撐樁腿的制造中得到大量應(yīng)用。為考察A517Q海工鋼在具有典型腐蝕性能的熱帶海域的腐蝕規(guī)律，文中以A517Q海工鋼為研究對(duì)象進(jìn)行了長(zhǎng)尺試驗(yàn)，并對(duì)獲得的腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，探討其腐蝕行為，為實(shí)際應(yīng)用腐蝕防護(hù)提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)地點(diǎn)在三亞海水腐蝕試驗(yàn)站，地理位置處于東經(jīng)109o32′，北緯18o13′，氣候類型為熱帶海洋氣候。此處的潮汐為不規(guī)則全日潮，平均潮差為0.8 m。其海水環(huán)境參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)地點(diǎn)的海水環(huán)境參數(shù)平均值

試驗(yàn)用A517Q海工鋼，其化學(xué)成分如表2所示。

表2 A517Q鋼化學(xué)成分 %

試驗(yàn)參照GB/T 5776—2005《金屬和合金的腐蝕金屬和合金在表層海水中暴露和評(píng)定的導(dǎo)則》進(jìn)行，采用50 mm×60 mm×5 mm槽鋼作為試樣架，試驗(yàn)材料為A517Q鋼，試樣尺寸為200 mm×100 mm×5 mm，采用丙酮除去表面油污。按標(biāo)準(zhǔn)打孔，用塑料套和鋼螺絲將試樣固定在試樣架上，試樣間距為60 mm。每個(gè)試樣架長(zhǎng)8 m，裝30片試樣。試樣間采用防水導(dǎo)線聯(lián)結(jié)，導(dǎo)線與試樣間通過(guò)螺絲鉚接，聯(lián)結(jié)處涂覆環(huán)氧樹(shù)脂。平行試樣2組，編號(hào)SH-1，SH-2。試驗(yàn)周期為0.5 a。

按照GB/T 16545—1996《金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除》除去試樣的腐蝕產(chǎn)物，稱量，計(jì)算腐蝕速率。用三維視頻顯微鏡觀察各區(qū)帶試樣的腐蝕形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕速率

A517Q長(zhǎng)尺試樣在三亞暴露0.5 a的腐蝕速率曲線見(jiàn)圖1。

圖1 A517Q長(zhǎng)尺試樣在三亞暴露0.5 a的腐蝕速率曲線

由圖1可以看出，兩組平行試樣間具有良好的重現(xiàn)性。由腐蝕曲線可以看出，A517Q海工鋼長(zhǎng)尺試樣在飛濺區(qū)腐蝕速率最大，同時(shí)在潮差區(qū)上端及全浸區(qū)上端腐蝕速率也相對(duì)較高，這與其他研究者獲得的結(jié)果較為一致[6]。腐蝕速率曲線表明，長(zhǎng)尺試樣上端處于飛濺區(qū)。

A517Q長(zhǎng)尺試樣在三亞海域暴露0.5 a，飛濺區(qū)腐蝕速率很高，最大達(dá)0.83 mm/a。高于文獻(xiàn)[2]，[6]，[9]中低合金鋼實(shí)海暴露的長(zhǎng)尺試樣飛濺區(qū)的腐蝕速率，即A517Q在三亞飛濺區(qū)試樣腐蝕嚴(yán)重。這是由于飛濺區(qū)受較大海浪飛濺沖刷作用，導(dǎo)致其腐蝕較快。同時(shí)已有研究表明，隨溫度由北向南逐漸升高，飛濺區(qū)試樣腐蝕加重[6]，三亞的水溫和氣溫均較高，也會(huì)加速飛濺區(qū)試樣的腐蝕。此外，由于暴露時(shí)間較短，飛濺區(qū)試樣在暴露初期腐蝕速率也會(huì)相對(duì)較快，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，其表面銹層增厚，銹層保護(hù)作用加強(qiáng)，其腐蝕速率會(huì)逐漸降低。黃桂橋?qū)?C鋼在青島海域長(zhǎng)尺試驗(yàn)的研究表明，隨暴露時(shí)間由25 d延長(zhǎng)至360 d，飛濺區(qū)試樣腐蝕速率降低80%以上[9]。

長(zhǎng)尺試樣與短尺試樣腐蝕差異最明顯區(qū)域?yàn)槌辈顓^(qū)和全浸區(qū)上部[9]。短尺試樣在潮差區(qū)由于干濕交替作用以及供氧充分等條件影響，其腐蝕速率通常會(huì)高于全浸區(qū)試樣，而長(zhǎng)尺試樣則相反。這是由于與全浸區(qū)試樣相比，潮差區(qū)試樣供氧充分，電位較正，在全浸區(qū)與潮差區(qū)間形成宏觀氧濃差電池，潮差區(qū)試樣作為陰極得到保護(hù)[7]。由腐蝕速率曲線可看出，潮差區(qū)高潮位和低潮位試樣腐蝕速率出現(xiàn)分化，較高潮位試樣腐蝕速率較高，而較低潮位試樣腐蝕速率較低。這是因?yàn)楦叱蔽辉嚇咏胨械臅r(shí)間較短，得到保護(hù)的時(shí)間較短，露出水面的試樣得不到陰極保護(hù)，因而高潮位試樣的腐蝕速率較高。張萬(wàn)靈等對(duì)長(zhǎng)尺試樣氧濃差電池電流變化進(jìn)行了研究，證實(shí)高潮位試樣和低潮位試樣受到陰極保護(hù)程度不同，保護(hù)電流峰值出現(xiàn)在低潮位區(qū)[8]。全浸區(qū)上部試樣由于氧濃差電池效應(yīng)，其腐蝕速率相對(duì)較高，但由于潮差區(qū)較短，陰極區(qū)面積小，相比之下全浸區(qū)面積較大，其陽(yáng)極溶解促進(jìn)作用較小，因而全浸區(qū)上部腐蝕速率增加較少。全浸區(qū)下部試樣腐蝕速率較低。

與文獻(xiàn)[6]報(bào)道的腐蝕速率相比，該試驗(yàn)中全浸區(qū)的腐蝕速率較低。即在三亞海域暴露的A517Q長(zhǎng)尺試樣的全浸區(qū)并未因水溫升高而加快，原因有以下幾點(diǎn)：三亞海水中海生物較多（附著種類見(jiàn)后文），海生物生長(zhǎng)繁殖速度快，大量海生物的附著減緩了試樣腐蝕；A517Q添加的Cr，Mo，Ni等合金元素減緩了全浸區(qū)的腐蝕。侯保榮等采用模擬外海的腐蝕試驗(yàn)裝置，用長(zhǎng)尺電連接方法研究了不同合金元素對(duì)合金鋼在不同區(qū)帶耐蝕性影響，并采用回歸分析的方法得出了不同合金元素含量與各區(qū)帶鋼材腐蝕速率之間的關(guān)系[10—11]。結(jié)果表明，Cr，Al是提高鋼材在全浸區(qū)耐蝕性能的有效元素。王相潤(rùn)等[6]在我國(guó)4個(gè)海域進(jìn)行的低合金鋼長(zhǎng)尺試驗(yàn)結(jié)果表明，10CrMoAl，09MnNb，20NiCuP全浸區(qū)部分的腐蝕速率均小于碳鋼[2]。這表明添加Cr，Mo，Al，Mn，Ni，Cu，P等能降低長(zhǎng)尺試樣全浸區(qū)部分的腐蝕速率，因此A517Q中添加的Cr，Mo，Mn，Ni等元素減緩了全浸區(qū)的腐蝕。

2.2 腐蝕形貌

不同區(qū)帶試樣腐蝕形貌如圖2所示。飛濺區(qū)試樣表面生成較厚的銹層，腐蝕程度較為嚴(yán)重。潮差區(qū)試樣表面有白色產(chǎn)物生成，這是由于潮差區(qū)試樣在與全浸區(qū)試樣形成的氧濃差電池中作為陰極，其表面由于氧還原生成OH-，pH升高，導(dǎo)致海水中的鈣、鎂離子在表面發(fā)生沉積。該沉積物具有保護(hù)作用，使潮差區(qū)試樣的腐蝕速率進(jìn)一步降低[7,9]。全浸區(qū)試樣表面可以觀察到大量海生物附著，附著種類以石灰蟲(chóng)和藤壺為主。

圖2 長(zhǎng)尺試樣腐蝕形貌

試樣腐蝕形貌三維圖如圖3所示，可觀察到各區(qū)帶試樣的形貌存在顯著差異。飛濺區(qū)試樣腐蝕嚴(yán)重，其表面布滿大量蝕坑，潮差區(qū)試樣的腐蝕程度均明顯輕于飛濺區(qū)，蝕坑較小。全浸區(qū)試樣的腐蝕表面較均勻，蝕坑較少。

圖3 長(zhǎng)尺試樣微觀腐蝕形貌

3 結(jié)論

通過(guò)A517Q海工鋼在熱帶海域（三亞）的長(zhǎng)尺試驗(yàn)，獲得如下結(jié)論。

1）A517Q長(zhǎng)尺試樣在飛濺區(qū)腐蝕速率最高，潮差區(qū)高潮位部位的腐蝕速率高于低潮位，全浸區(qū)上部的腐蝕速率高于其下部。

2）三亞海域的海浪飛濺沖刷作用較大，水溫和氣溫較高，導(dǎo)致A517Q長(zhǎng)尺試樣的飛濺區(qū)腐蝕嚴(yán)重。

3）大量的海生物附著，Cr，Mo，MnNi等合金元素的添加，都減緩了A517Q長(zhǎng)尺試樣全浸區(qū)的腐蝕。

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Corrosion Behavior of Long-size Marine Steel Samples in Tropical Sea Area

ZHANG Peng-hui1, WANG Wei2, GUO Wei-min1, DING Kang-kang1, FAN Lin1
(1.State Key Laboratory for Marine Corrosion and Protection, Luoyang ship material research institute, Qingdao, Shandong province, 266101, China; 2.Research Institute, Baoshan Iron & Steel Co., Ltd., Shanghai 201900, China)

ObjectiveTo study corrosion behavior of long-size marine steel samples namely A517Q in tropical sea area. Methods The test was made based on the simulated long-size marine steel samples under influences of marine atmosphere, splash and tidal range throughout all immersion zones.ResultsThe samples located at the splash zone corroded the fastest. Corrosion rates of samples at high tide zone were relatively higher than those at low tide zone.Corrosionrate of samples located more deeply were lower than those located more shallowly at the full-immersion zone. The micro-morphologies of marine steels varied in different zones.ConclusionThe scouring action of wave splashing in Sanya sea area is large, in combination with high water and air temperature, the corrosion of A517Q long-size samples in the splash zone is severe. Due to the sea creatures growing over the surface and the addition of alloy elements such as Cr, Mo, Mn, Ni, the corrosion of samples at full-immersion zone is retarded.

marine steel; long-size; marine environment; corrosion

10.7643/ issn.1672-9242.2017.02.015

TJ04；TG172.5

A

1672-9242(2017)02-0077-04

2016-08-10；

2016-09-12

張彭輝（1989—），男，山東煙臺(tái)人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)椴牧细g與防護(hù)。