海纜供電導(dǎo)體陽極電化學(xué)腐蝕特性研究

劉亞楠，周媛媛，周學(xué)軍

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海纜供電導(dǎo)體陽極電化學(xué)腐蝕特性研究

劉亞楠，周媛媛，周學(xué)軍

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，武漢 430033）

為了延長海底受損光電纜的最大供電時間，分析了海纜導(dǎo)電芯線在海洋環(huán)境中的電腐蝕特性的影響，模擬海洋環(huán)境設(shè)計實(shí)驗(yàn)對比了三種不同規(guī)格海纜在不同受損程度下的電腐蝕特性以及最大供電時間。此外，本文還探究了鈦合金材料對于改善受損海纜電化學(xué)腐蝕特性的應(yīng)用前景。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明可以通過改善設(shè)計，使用新材料等手段有效延長供電時間。

通訊電纜 電纜材料 電化學(xué)腐蝕 耐腐蝕

0 引言

海底光纜通信系統(tǒng)是通信網(wǎng)的重要組成部分，在保障作戰(zhàn)指揮、科研試驗(yàn)和日常通信中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。海底光纜系統(tǒng)在給予我們信息便利的同時，也時刻遭受著來自各方面的安全威脅，如急流沖走泥沙引起的懸空，地殼運(yùn)動造成的海底斷層，海纜敷設(shè)時的施工質(zhì)量問題等都會造成海纜的安全隱患。尤其隨著海洋開發(fā)活動越來越活躍，海纜經(jīng)常遭到捕撈、船錨等人為損壞，錨害會造成海纜被切斷，給海纜搶修造成很大困難，已成為威脅海纜安全的最主要因素。

當(dāng)海纜被船錨鉤斷，海纜中的銅芯就會與海水直接接觸，形成電極。由于海水中含有很多侵蝕性成分如 Cl-離子使其具有較強(qiáng)的腐蝕性，從而造成陽極海纜中的銅、鋼等金屬材料腐蝕加快，海水和氣泡灌入，從而阻斷供電回路，海纜中斷往往不能及時搶修，因此如果增加供電時間就會增加系統(tǒng)工作時間，這給搶修提供更多的時間。因此考慮到海纜的耐腐蝕性能的重要性及海底環(huán)境的復(fù)雜性，開展海纜斷裂后在海水中海纜腐蝕行為的研究具有重要意義。

1995年王永紅等人對電纜在土壤中的腐蝕進(jìn)行了研究，總結(jié)了全國土壤腐蝕網(wǎng)站7個試驗(yàn)站14種電纜、光纜及材料1~3年土壤腐蝕試驗(yàn)結(jié)果，比較了外護(hù)層材料的耐腐蝕性能。其對于電纜腐蝕的研究主要集中在對電纜外護(hù)層耐腐蝕性能研究上，并沒有考慮內(nèi)芯的腐蝕行為[1]。2007年張效龍等人研究了北?！R海海底光纜路由區(qū)表層和1.5 m海底土中的泥溫、PH值、EH值、硫化物和硫酸鹽還原菌等幾種腐蝕因子對海纜腐蝕影響，然而并未涉及海水對海纜供電導(dǎo)體腐蝕情況[2]。2015年趙志英從電化學(xué)腐蝕的基本概念和原理出發(fā)，概括介紹了電化學(xué)腐蝕的分類和防腐蝕措施，同時也列舉了在實(shí)際生產(chǎn)中的相關(guān)應(yīng)用[3]。2016年楊甫軍等人對海纜的防腐性能進(jìn)行了研究，從海纜外套結(jié)構(gòu)等方面探討了目前國內(nèi)海纜的防腐技術(shù)。得出螺桿擠出式壓鉛機(jī)包覆鉛套對海纜的防腐有顯著效果[4]。目前，海纜的設(shè)計壽命一般不低于30年，然而在這種特殊的環(huán)境下，防腐材料的使用能否保護(hù)海底電纜正常工作這么久呢?目前國內(nèi)尚無相關(guān)數(shù)據(jù)證實(shí)，還有待進(jìn)一步研究。

綜上所述，國內(nèi)外對海纜的內(nèi)芯防腐研究較少，大多集中在對金屬鎧裝設(shè)計以及防護(hù)套材料優(yōu)化的研究，并且對于研究的結(jié)果很少應(yīng)用于實(shí)際海纜制造過程中。所以針對以前的研究現(xiàn)狀以及實(shí)際的需要，本文從海纜供電導(dǎo)體防腐為切入點(diǎn)，以多種海纜的為研究對象，研究其在海洋環(huán)境中的腐蝕行為，主要解決在海纜發(fā)生割裂損壞的情況下，減緩金屬腐蝕速率，延長光纜搶修時間。

1 海纜供電導(dǎo)體在海水中腐蝕行為

1.1 電腐蝕原理

海水是天然的電解質(zhì)，含有大量的鹽類，主要是氯化鈉，其次是氯化鎂。電纜金屬或合金由于提煉、鍛造工藝及其他原因，往往會存在成分不均一、分布不均一等問題，當(dāng)浸泡在海水中后，將會導(dǎo)致金屬與海水界面上電極電位的不均一，金屬表面上就會形成許多腐蝕微電池，從而導(dǎo)致腐蝕反應(yīng)的發(fā)生和發(fā)展。陽極區(qū)通常發(fā)生的是金屬的溶解破壞反應(yīng)，陰極區(qū)一般為溶解氧還原去極化[5]。

金屬材料與電解質(zhì)溶液相接觸時，在界面上將發(fā)生有自由電子參加的廣義氧化和廣義還原反應(yīng)，致使接觸面處的金屬變?yōu)閱渭冸x子、絡(luò)離子而溶解，或者生成氫氧化物、氧化物等穩(wěn)定化合物，從而破壞了金屬材料的特性[6]。這個過程被稱為電化學(xué)腐蝕或濕腐蝕，它是以金屬為陽極的腐蝕原電池過程。

金屬浸泡在海水中，金屬表面上就會形成許多腐蝕微電池，從而導(dǎo)致腐蝕反應(yīng)的發(fā)生和發(fā)展。陽極區(qū)通常發(fā)生的是金屬的溶解破壞反應(yīng)，陰極區(qū)一般為溶解氧還原去極化。

陽極區(qū)：

陰極區(qū)：

其中，M是活潑金屬元素（Fe、Cu）。

如圖1所示，根據(jù)陽極A處，F(xiàn)e失去的電子和外電路流經(jīng)電流表的電子相等，列方程如下：

1.2 海纜供電導(dǎo)體的組成與特點(diǎn)

海纜供電導(dǎo)體中的鎧裝鋼絲多為鍍鋅鋼絲，國內(nèi)開發(fā)有耐海水腐蝕的合金外被層可以是聚乙烯護(hù)套, 也可以是澆灌瀝青、纏繞 PP 繩結(jié)構(gòu)。海纜中的供電導(dǎo)體必需采用金屬管,常用的金屬管有銅、不銹鋼等。銅具有良好的導(dǎo)電性, 在中繼系統(tǒng)中, 還可作為中繼供電和故障探測用導(dǎo)體；不銹鋼管以其優(yōu)異的機(jī)械性能極高的性價比已被海纜大量使用。

當(dāng)發(fā)生海纜被船錨鉤掛的情況，海纜的外被層及瀝青保護(hù)層將受到一定程度的破壞，海纜局部區(qū)段的銅管、鋼絲與海水直接接觸，承擔(dān)供電任務(wù)的金屬導(dǎo)體會接地與海水形成回路，形成陽極或陰極，其中陽極端會因海水腐蝕而使海水氣泡灌入，致使供電阻斷，從而造成通信中斷。目前的鋼絲，其中一種是國產(chǎn)的合金鍍層鋼絲，其鍍層成份是鋅、鋁、鎂三種金屬的合金，其抗腐壽命比普通鍍鋅鋼絲提高約3.5倍，受到普遍歡迎。

圖2 典型深海海纜結(jié)構(gòu)

1.3 腐蝕速率計算

當(dāng)海纜斷裂時，海纜的供電導(dǎo)體與海水直接接觸，承擔(dān)供電任務(wù)的金屬導(dǎo)體(如銅管、鋼絲)會接地與海水形成回路，形成陽極或陰極，其中陽極端會因海水腐蝕而使海水氣泡灌入，致使供電阻斷，從而造成通信中斷。根據(jù)文獻(xiàn)[5][6]中使用的方法，最后通過公式（3）（4）進(jìn)行計算得到金屬的腐蝕速率及材料通電前后的質(zhì)量差：

其中，1為材料通電前的重量；2為材料通電后的重量；為恒定電流的大?。粸橥姇r間；是金屬的腐蝕速率，單位是g/(A?h)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計與驗(yàn)證

本文對海水的電化學(xué)腐蝕機(jī)理以及各種電極材料在海水中的電化學(xué)腐蝕機(jī)理進(jìn)行研究。通過查閱大量的與海水電腐蝕有關(guān)的資料[7, 8]，理解海水以及電極材料的腐蝕機(jī)理，在此基礎(chǔ)上設(shè)計實(shí)驗(yàn)?zāi)M海水中海纜斷裂時，得到因海水腐蝕直至供電停止所提供的線路搶修時間。設(shè)計出了較為完整的實(shí)驗(yàn)方案來驗(yàn)證多種海纜在海水中的腐蝕速度以及與電流的關(guān)系。一是在電流恒定不變的條件下，分別對長度不同的陽極海纜進(jìn)行腐蝕的實(shí)驗(yàn)方案。二是在陽極海纜長度不變的條件下，海纜腐蝕隨電流大小變化情況的實(shí)驗(yàn)方案。根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案開展實(shí)驗(yàn)，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)象，最后對實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析，選出符合要求的銥鉭鈦合金、釕銥鈦合金、銥钚鈦合金三種材料進(jìn)行腐蝕實(shí)驗(yàn)研究設(shè)計最佳合金材料替代海纜銅芯中的鋼絲，達(dá)到海纜耐腐蝕特性增強(qiáng)的目的。并選用不同廠家的海纜進(jìn)行腐蝕實(shí)驗(yàn)，以此為依據(jù)對海纜中的導(dǎo)電材料或結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到增強(qiáng)海纜耐腐蝕性的目的。

由于本文研究的重點(diǎn)是海纜在海水中的電腐蝕情況，因此，本章根據(jù)之前的研究，選擇了A廠家、B廠家、C廠家三種廠家作為海水接地極陽極的材料進(jìn)行電化學(xué)腐蝕的分析。以下實(shí)驗(yàn)均是在3.5%的NaCl溶液（模擬海水）中進(jìn)行的。在模擬海水中通以恒定的電流，在一定的時間間隔后觀察材料的腐蝕情況，以及周圍海水的現(xiàn)象，并將材料腐蝕前后的重量記錄下來，計算材料的電腐蝕速率，并通過比較這三種通電海纜的電腐蝕速率，確定出當(dāng)水下光纜斷裂時，在不影響供電的條件下，預(yù)留的搶修時間。實(shí)驗(yàn)條件：常溫下，A、B為相同電極材料，電解液為3.5%NaCl溶液（模擬海水），實(shí)驗(yàn)原理圖如圖1所示。

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M海纜在未剝離絕緣層的情況下斷裂之后，直至海水氣泡灌入絕緣層，導(dǎo)致供電中斷的過程，從而得到搶修光纜所預(yù)留的時間。選取來自三種不同的廠家的海纜材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。海纜型號參數(shù)參見表1。

表1 三種廠家海纜型號參數(shù)說明

2.1 帶絕緣層海纜的腐蝕試驗(yàn)

常溫下，利用實(shí)驗(yàn)室水箱（60 cm×50 cm×25 cm），根據(jù)海水密度在水箱中撒入食鹽形成3.5% NaCl溶液模擬海洋環(huán)境，分別將兩段10 cm海纜（A廠家、B廠家、C廠家三種海纜）置入水箱中使用DH1724A—3型直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源進(jìn)行供電，陰陽兩極距離保持60 cm，觀察銅表面的腐蝕情況。

電源的陽極和陰極分別連接兩段海纜，置于水箱中通電，電源電流1 A。在恒流條件下，陽極海纜的內(nèi)芯金屬逐步減少同時產(chǎn)生大量氣泡，觀察直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源顯示狀態(tài)，電壓上升為最大值，記錄下腐蝕時間。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)海纜斷裂時，陽極海纜中的金屬材料失去電子，隨著通電時間的增加，電壓逐漸增大，當(dāng)電路斷路，電壓瞬間達(dá)到最大值85 V，恒流與恒壓功能進(jìn)行跳轉(zhuǎn)切換。如表2所示，從開始通電腐蝕至供電中斷，斷裂的A廠家海纜所用時間最長，B廠家海纜次之，C廠家海纜所用時間最長。分析其原因主要在于通光海纜的銅管外徑最大，內(nèi)鎧裝鋼絲的直徑最大。

表2 三種海纜腐蝕情況比較

帶有絕緣層的海纜產(chǎn)生斷裂時，兩段海纜在海水中形成陽極—陰極腐蝕，海纜中的銅及鋼等金屬材料失去電子，變成自由離子進(jìn)入海水中，實(shí)驗(yàn)表明A廠家海纜腐蝕4 h 45 min造成供電中斷，B廠家海纜腐蝕3 h 28 min造成供電中斷，C廠家海纜腐蝕2 h 43 min造成供電中斷。當(dāng)通電時間達(dá)2 h 43 min~4 h 45 min時，陽極海纜腐蝕產(chǎn)生的大量氣泡進(jìn)入絕緣層中，阻斷電路，電壓在某一瞬間達(dá)到最大值，導(dǎo)致供電中斷。

2.2 剝離絕緣層海纜的腐蝕試驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)研究在模擬海水環(huán)境下剝離絕緣層后的海纜時陰陽極海纜的表面腐蝕情況，從而得到海纜腐蝕速率與海纜在海水中裸露長度的關(guān)系。

圖3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

利用實(shí)驗(yàn)室水箱（60 cm×50 cm×25 cm），根據(jù)海水密度在水箱中撒入食鹽形成3.5% NaCl溶液模擬海洋環(huán)境，分別將兩段10 cm A廠家海纜置入水箱中通電，觀察銅表面的腐蝕情況。

電源的陽極和陰極分別連接兩段海纜，置于水箱中通電，電源開機(jī)狀態(tài)電流為1 A。將兩段海纜取出，進(jìn)行質(zhì)量稱量，觀察海纜腐蝕情況，將10 cm B廠家、C廠家兩種海纜重復(fù)上述步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

用20 cm三種不同廠家的海纜重復(fù)上述步驟，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。用30 cm三種不同廠家的海纜重復(fù)上述步驟，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

圖4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本章實(shí)驗(yàn)主要研究剝離絕緣層的光纜在海水中腐蝕情況，經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究，銅芯中的鋼絲的金屬離子溶解在海水中，浸泡在海水中的銅芯隨腐蝕時間增強(qiáng)逐漸失去光澤，腐蝕產(chǎn)生氫氧化銅附著在其表面海水在腐蝕光纜過程中，先從斷裂口處開始腐蝕，在1 A通電電流條件下，通電時間達(dá)到45 h后，整個裸露的光纜的銅管出現(xiàn)多處腐蝕斷口。可以得到結(jié)論：在電流不變的條件下，裸露在海水中的光纜長度越長，腐蝕速率越快；在通電海纜長度一定的條件下，通電電流越大，海纜腐蝕速度越快。

2.3 合金替換海纜鋼絲腐蝕試驗(yàn)

通過前文中海纜腐蝕實(shí)驗(yàn)研究表明，現(xiàn)有海纜在斷裂后，在2~5 h 內(nèi)會造成供電和通信中斷，給海纜搶修時間帶來很大的緊迫性。海纜的內(nèi)芯金屬材質(zhì)選擇是保證線路供電極重要的一環(huán)，需要采用耐腐蝕更強(qiáng)的金屬材料。本節(jié)對多種合金材料的腐蝕特性進(jìn)行比較，并進(jìn)行海纜中內(nèi)鎧裝鋼絲的腐蝕實(shí)驗(yàn)研究，找到合適的供電導(dǎo)體，保證系統(tǒng)通信暢通。

本文對性能最優(yōu)的鈦合金進(jìn)行試驗(yàn)，三種鈦合金在短時間內(nèi)腐蝕效果不明顯，質(zhì)量一直保持不變。證明所選鈦合金具有延長搶修時間的效果，考慮到海水的PH值在7.5~8.6之間，由于植物光合作用，PH值略高些，通常為8.1~8.3。在堿性或Cl-濃度大的情況下，釕銥鈦的耐腐蝕情況優(yōu)于銥鉭鈦，銥钚鈦的硬度遠(yuǎn)大于其他兩種合金，其機(jī)械性能不利于生產(chǎn)加工。

圖6 腐蝕前的釕銥鈦

圖7 實(shí)驗(yàn)120 h后的釕銥鈦

經(jīng)研究，在不考慮生產(chǎn)成本條件下，用釕鉭鈦代替海纜中的一根45號鋼絲，應(yīng)用于漁船來往繁多的航道。此外由于鈦合金的硬度比較大，機(jī)械性能比較好，可應(yīng)用于線路系統(tǒng)的某一區(qū)域的直線部分。

3 結(jié)語

本文以解決海纜斷裂腐蝕問題為切入點(diǎn)展開研究，對海纜因外觀因素斷裂的不同情況進(jìn)行分析，根據(jù)電化學(xué)腐蝕機(jī)理，分析了海水的電腐蝕特性以及影響海水腐蝕的因素，根據(jù)這些腐蝕特性選擇了三個廠家的海纜樣品作為實(shí)驗(yàn)材料，制定了實(shí)驗(yàn)方案，模擬海纜在水下因錨害等因素斷裂時的腐蝕情況，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計算所選實(shí)驗(yàn)材料在海水中的電腐蝕速率，通過實(shí)驗(yàn)對比材料電腐蝕速率，預(yù)算通電海纜發(fā)生斷裂后預(yù)留的搶修時間。具體結(jié)論如下：

1) 通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行海纜因環(huán)境因素導(dǎo)致絕緣層被剝離的腐蝕情況的研究，表明在電流不變的條件下，裸露在海水中的光纜長度越長，腐蝕速率越快；在通電海纜長度一定的條件下，通電電流越大，海纜腐蝕速度越快。

2) 研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有海纜在斷裂后，在2 h 43 min~4 h 45 min 內(nèi)會造成系統(tǒng)供電中斷，給海纜搶修帶來很大壓力，因此需采用耐腐蝕性能更強(qiáng)的材料。本文對多種合金材料的腐蝕特性進(jìn)行比較，結(jié)合參考文獻(xiàn)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，認(rèn)為可用釕鉭鈦代替海纜中的一根45號鋼絲。由于鈦合金的機(jī)械性能比鋼絲差，可應(yīng)于漁船繁多的短直線海域。

本文對海纜腐蝕的研究是通過實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行的，通過實(shí)驗(yàn)方法可以得到準(zhǔn)確的結(jié)果，但是在對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析查看上實(shí)驗(yàn)方法也有其弊端。尤其是在腐蝕速率的研究上，通過實(shí)驗(yàn)方法無法對每時每刻的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行查看，而且在實(shí)驗(yàn)中由于操作原因也會造成誤差使結(jié)果不準(zhǔn)確。

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Study on Electrochemical Corrosion Characteristics of the Anode of Power Supply Conductor for Submarine Cable

Liu Yanan, Zhou Yuanyuan, Zhou Xuejun

(College of Physics and Electronic, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TQ150

A

1003-4862（2018）08-0060-05

2018-04-28

劉亞楠（1993-），女，工學(xué)學(xué)士。研究方向：信息通信與工程。E-mail: liuyanan1824@163.com