典型金屬材料深海腐蝕行為規(guī)律與研究熱點(diǎn)探討

丁康康，范林，郭為民，張彭輝，侯健，許立坤

（中國船舶重工集團(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 26600）

隨著科技的進(jìn)步和地球資源的日益枯竭，人類一直在追求拓展深空、深海和深地活動(dòng)空間。深海油氣、礦產(chǎn)和生物資源的開發(fā)勘探，深海工程建設(shè)與深海裝備的開發(fā)應(yīng)用，已經(jīng)成為我國發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容。如今，我國自主設(shè)計(jì)、集成的載人潛水器“蛟龍”號(hào)已經(jīng)深潛至7000 m。海洋石油981號(hào)半潛式深水鉆井平臺(tái)，其作業(yè)深度達(dá) 3050 m，已進(jìn)軍南海，開始深海作業(yè)。與此同時(shí)，深海腐蝕問題也日益突顯出來，深海環(huán)境的獨(dú)特與苛刻性，導(dǎo)致深海裝備面臨著嚴(yán)重的腐蝕危害[1-4]，甚至有可能成為開發(fā)深海資源、利用深?？臻g與建設(shè)深海工程系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸，從而影響我國海洋經(jīng)濟(jì)和深海裝備的順利發(fā)展。

碳鋼與低合金鋼、鋁合金、銅合金、不銹鋼乃至鈦合金在深海裝備與管線中應(yīng)用較廣，尤其是依靠表面鈍化膜提高耐蝕性的高強(qiáng)材料，較易受到深海高壓低氧條件的影響，這幾類典型材料的深海腐蝕行為規(guī)律研究已引起國內(nèi)外相關(guān)科研人員的重視[1,5-14]。深海腐蝕環(huán)境試驗(yàn)及室內(nèi)模擬技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今材料腐蝕學(xué)科中的研究熱點(diǎn)，隨著腐蝕機(jī)理的深入探究與相關(guān)數(shù)據(jù)的持續(xù)積累，為我國深海工程設(shè)施的設(shè)計(jì)、選材提供了有力依據(jù)，有效保障其長期運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全可靠性。

1 典型金屬材料深海腐蝕行為規(guī)律

1.1 碳鋼與低合金鋼深海腐蝕研究

與淺海相比，深海環(huán)境中靜水壓力﹑溫度、鹽度、溶解氧濃度和pH值等因素隨著海水深度的變化而發(fā)生變化，這些因素對(duì)碳鋼與低合金鋼腐蝕行為的影響機(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜，也必然導(dǎo)致其在深海環(huán)境條件下的腐蝕行為與淺海存在顯著差異[7,15]。印度國家海洋技術(shù)研究所 Venkatesan等[16]用實(shí)海掛片方法研究了碳鋼在印度洋500、1200、3500、5100 m深度的腐蝕行為，結(jié)果表明，深海環(huán)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度隨溶解氧濃度的降低而減小。美國懷尼米港海軍建造營中心的土木工程實(shí)驗(yàn)室曾在 1962—1970年期間，在太平洋開展大規(guī)模海水環(huán)境試驗(yàn)，結(jié)果表明，碳鋼與低合金鋼在1828 m深海的腐蝕速度是在表層海水中的33%左右，762 m深處的腐蝕速度也比1828 m低，鋼暴露1年的平均腐蝕速度與氧濃度成直線關(guān)系[1]。實(shí)海試驗(yàn)結(jié)果反映了溶解氧濃度在碳鋼和低合金鋼深海腐蝕進(jìn)程的關(guān)鍵作用，但也有學(xué)者指出，深海高靜水壓力的作用也不容忽視。比如，中船重工七二五所研究人員[13]和中國科學(xué)院金屬研究所的孫海靜等[17]通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究了深海靜水壓對(duì)低合金鋼腐蝕行為的影響，發(fā)現(xiàn)高靜水壓不甚影響其陰極過程，但能夠提高 Cl-活性，加快陽極溶解速度。Yang等[18]也進(jìn)行了Ni-Cr-Mo-V鋼的深海腐蝕行為研究，認(rèn)為高靜水壓能夠降低其耐蝕性，通過加速點(diǎn)蝕萌生速度，降低點(diǎn)蝕生長速度，使腐蝕表面形態(tài)趨于均勻。

1.2 鋁合金深海腐蝕研究

鋁合金在海洋環(huán)境中能夠發(fā)生鈍化，腐蝕質(zhì)量損失數(shù)值較小，但通過腐蝕質(zhì)量損失的大小仍可以初步評(píng)價(jià)鋁合金在各種海水環(huán)境中耐蝕性能。Venkatesan[15]研究了 1060鋁合金在印度洋海域不同深度暴露 168天后腐蝕情況，發(fā)現(xiàn)隨深度增加（500~5100 m），其腐蝕速率逐漸增大。此外，2000系鋁合金在太平洋和印度洋不同深度海水環(huán)境中的腐蝕速率也呈現(xiàn)類似規(guī)律[19]。僅依據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)不能說明深海中鋁合金的腐蝕速率隨著深度的增加而線性增大，其中存在不少反常情況，因此鋁合金深海腐蝕評(píng)價(jià)還要結(jié)合點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕等其他數(shù)據(jù)[1]。

鋁合金海洋腐蝕形式以點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕為主，高強(qiáng)度鋁合金在應(yīng)用過程中還存在應(yīng)力腐蝕問題。印度深海暴露結(jié)果表明，鋁鎂合金在各種深度下比純鋁或鋁銅合金的腐蝕率更低。Al-1100在深海環(huán)境下產(chǎn)生了點(diǎn)蝕，且在5100 m點(diǎn)蝕最嚴(yán)重，鋁鎂合金表現(xiàn)為均勻腐蝕及少量稀疏的點(diǎn)蝕，鋁及鋁-鎂-硅合金Al-6061-T6在深海暴露后表面表現(xiàn)為泥裂特征[3,16]。特別的是，5000系和 6000系鋁合金在淺海具有很好的耐蝕性，但在深海中點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕敏感性卻增加[20]。Beccaria等[21]認(rèn)為局部腐蝕加重的原因是由于壓力的增加引起離子半徑和金屬離子水解程度的變化，改變了金屬離子活性以及金屬配合物的組成，導(dǎo)致鋁的化合物具有更高的反應(yīng)常數(shù)。Boyd等[22]和Reinhart[23]則分別調(diào)查了鋁鎂合金在太平洋表層海水和深海中的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)深海環(huán)境下5000系列鋁鎂合金點(diǎn)蝕速率加快，在700 m深海水環(huán)境下點(diǎn)蝕速率最大，為表層海水的3倍，而在1700 m深處則降為2倍，并認(rèn)為影響5000系列鋁鎂合金點(diǎn)蝕的主要因素是氧含量。深海中不同系列鋁合金應(yīng)力腐蝕的研究表明，在屈服強(qiáng)度為50%和75%的應(yīng)力條件下，760 m深海中暴露402天后，除7000系外，其他系列鋁合金均無應(yīng)力腐蝕敏感性，7000系鋁合金中7075、7079、7178存在應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象[1,19]。

1.3 銅合金深海腐蝕研究

銅合金在深海環(huán)境下仍以均勻腐蝕為主[16,24]，基于質(zhì)量損失計(jì)算的腐蝕速度能可靠地應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但這并不適用于脫成分腐蝕敏感的銅基合金。已有實(shí)海掛片試驗(yàn)結(jié)果顯示，不同深度海水中，除含砷海軍黃銅、鋁黃銅、鎳黃銅、鋁青銅以及硅青銅外，所有含 10%~42%鋅的黃銅都出現(xiàn)脫成分腐蝕。有研究指出，深海中銅合金比在表層海水中腐蝕更緩慢，但這種傾向不明顯，除紫銅和硅青銅外，其他銅合金的腐蝕速度隨氧濃度的增加而增加[1]。Sawant等[12]研究了銅、黃銅及銅鎳合金在阿拉伯海和孟加拉海灣淺海、1000~2900 m深處暴露1年的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)除了黃銅的腐蝕速度與深度沒有關(guān)系外，其他材料在2900 m深處比在1000 m和淺海環(huán)境下的腐蝕速度更低。同時(shí)，文中也指出了銅合金腐蝕速率受到溶解氧含量的控制。北京科技大學(xué)李曉剛課題組借助中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所環(huán)試平臺(tái)在中國南海海域開展了500 m和1200 m級(jí)實(shí)海暴露實(shí)驗(yàn)[14]，研究了H62黃銅、QAl9-2鋁青銅、QSn6.5-0.1錫青銅在深海暴露3年的腐蝕行為。結(jié)果表明，隨著水深的增加，H62黃銅的腐蝕速率呈線性降低，QAl9-2鋁青銅和 QSn6.5-0.1錫青銅的腐蝕速率隨水深的增加先降低后升高，腐蝕速率的最小值出現(xiàn)在水深800~1200 m之間，腐蝕速率的大小依次為：H62黃銅>QSn6.5-0.1錫青銅>QAl9-2鋁青銅。由此可知，國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究結(jié)果呈現(xiàn)較好的一致性，銅合金深海腐蝕規(guī)律相對(duì)單一，且已有數(shù)據(jù)表明，任何一種銅合金均對(duì)應(yīng)力腐蝕不敏感[1]，所有這些均為深海環(huán)境下銅合金的選材和應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和指導(dǎo)。

1.4 不銹鋼深海腐蝕研究

對(duì)不銹鋼來說，隨著海水深度的增加，其腐蝕速率一般呈減小趨勢(shì)，且數(shù)值相差不大[25]。印度洋海域深海不銹鋼掛片試驗(yàn)表明，500、1200、3500、5100 m深度條件下不銹鋼仍能形成致密鈍化膜，暴露168天后的腐蝕速率接近0[15]。Reinhart[26]則研究了1000、1500、2000 m的海水深度對(duì)AISI 300 和400系列不銹鋼腐蝕的影響，得到類似結(jié)果。

不銹鋼在海水中多發(fā)生局部腐蝕，其在深海環(huán)境下同樣可能發(fā)生點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕乃至隧道腐蝕。301不銹鋼在太平洋海域1615 m深處暴露1064天后，隧道腐蝕幾乎橫過整個(gè)試樣，但AISI304在5300 m深度暴露相同時(shí)間，則未發(fā)生隧道腐蝕。由此可知，不同材質(zhì)的不銹鋼在深海條件下發(fā)生縫隙腐蝕的幾率是不一致的[26]。

在深海條件下，不銹鋼構(gòu)件承受很大的靜壓力，應(yīng)力腐蝕敏感性升高，力學(xué)性能劣化，威脅深海結(jié)構(gòu)物/裝備的服役安全。已有研究表明，AISI405與焊接并敏化處理的AISI316不銹鋼分別在1830 m和762 m處暴露近400天后，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率出現(xiàn)嚴(yán)重下降；15-7AMV、RH1150和RH950在1719 m的深海下暴露751天發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂；AISI201和AISI300系列不銹鋼在不同深海條件下，力學(xué)性能并未受到不良影響[27]。這進(jìn)一步反映了不銹鋼深海局部腐蝕敏感性與材質(zhì)密切相關(guān)。整體上，從幾種腐蝕的出現(xiàn)率和嚴(yán)重程度而言，AISI300系不銹鋼優(yōu)于AISI400系不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼[1]。

1.5 鈦合金深海腐蝕研究

鈦合金在海水環(huán)境中具有優(yōu)異的抗腐蝕和抗點(diǎn)蝕性能，深海條件下基本不發(fā)生腐蝕[16,24]。美國土木工程實(shí)驗(yàn)室研究了鈦合金深海應(yīng)力腐蝕敏感性，結(jié)果顯示，除了對(duì)焊接的 13V-11Cr-3Al合金外，當(dāng)對(duì)其他任何未焊接的和焊接的合金施加數(shù)值等于屈服強(qiáng)度的75%的應(yīng)力，并在表層海水暴露180天、在762 m深處暴露402天和在1828 m深處暴露1751天時(shí)，均未發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂破壞[1]。

2 深海腐蝕研究熱點(diǎn)探討

2.1 實(shí)海環(huán)境腐蝕試驗(yàn)

深層海水的理化性質(zhì)與表層海水存在顯著差異，為了積累各種材料在深海環(huán)境中的腐蝕數(shù)據(jù)，為深海海洋工程及裝備/設(shè)施的設(shè)計(jì)、選材提供依據(jù)，必須進(jìn)行深海實(shí)海環(huán)境的腐蝕試驗(yàn)研究。隨著海水深度的增加，材料的腐蝕數(shù)據(jù)積累和表征方法研究的難度也增大。目前，世界上僅有少數(shù)國家開展了材料的深海實(shí)海環(huán)境腐蝕試驗(yàn)[3-5]。美國（懷尼米港試驗(yàn)站）、前蘇聯(lián)、日本（北九州試驗(yàn)點(diǎn)、別府試驗(yàn)點(diǎn)）、英國等在20世紀(jì)60年代就開始了材料的深海環(huán)境腐蝕試驗(yàn)研究，隨后挪威、印度等國家也在開展了這方面的研究工作[1,6-12,16]。然而，近年來，深海技術(shù)發(fā)展成為整個(gè)海洋科學(xué)的前沿，且多應(yīng)用于軍事方面，因此可以查到的相關(guān)環(huán)試資料越發(fā)減少。此外，不同的海域?qū)嶋H腐蝕環(huán)境千差萬別，國外的研究數(shù)據(jù)不能代表我國相鄰海域的實(shí)際情況。為此，中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所深海試驗(yàn)站科研人員于2008年在我國南海海域進(jìn)行了深海腐蝕試驗(yàn)裝置的投放工作，首次在500~1200 m不同深度成功投放了三套深海腐蝕試驗(yàn)裝置，標(biāo)志著我國在材料深海環(huán)境腐蝕老化性能研究上進(jìn)入了實(shí)施階段，拉開了國內(nèi)深海環(huán)境試驗(yàn)的序幕，開展更深海域、長周期深海腐蝕數(shù)據(jù)積累工作仍需國內(nèi)同行的不懈努力[27]。

此外，當(dāng)前的實(shí)海環(huán)境試驗(yàn)大都采用失重掛片方法，無法實(shí)時(shí)顯示或表征深海中材料的腐蝕動(dòng)力學(xué)過程和老化狀態(tài)，只能在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后通過取樣分析來判斷腐蝕程度，缺乏深海電化學(xué)測(cè)試手段。為提升深海腐蝕研究水平，必須開展實(shí)海在線/原位電化學(xué)研究。當(dāng)前，進(jìn)行了金屬深海腐蝕電化學(xué)測(cè)量的只有挪威和印度兩國，二者的方法和側(cè)重點(diǎn)不同。印度于印度洋進(jìn)行 5000 m的深海暴露試驗(yàn)的同時(shí)從 500 m和1200 m深海處取得海水送到實(shí)驗(yàn)室，作為介質(zhì)對(duì)鋼做極化掃描。雖然所得到的測(cè)試結(jié)果并不能完全可信，但作為相對(duì)比較是可行的[29]。1982—1984年挪威船舶研究所在北挪威海的多個(gè)地點(diǎn)400~1200 m深度范圍內(nèi)進(jìn)行了材料深海陰極保護(hù)參數(shù)的研究，這是真正意義上的實(shí)海測(cè)試。試驗(yàn)采用單點(diǎn)錨系結(jié)構(gòu)，利用多通道海流計(jì)的定向舵板，固定犧牲陽極、參比電極和陰極，定期采集保護(hù)電位、保護(hù)電流以及相關(guān)的環(huán)境因素，得到了挪威外海不同深度的鋼的保護(hù)電流密度[30]。

在國外測(cè)試技術(shù)的基礎(chǔ)之上，郭為民與侯健等人分別研制了金屬材料深海腐蝕電位與電偶電流多通道測(cè)試裝置，可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)十種金屬材料的腐蝕原位監(jiān)測(cè)，為金屬材料深海腐蝕機(jī)理研究以及具體材料在深海環(huán)境中的配伍應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持[29,31]。需要注意的是，當(dāng)前深海原位電化學(xué)測(cè)試裝置只能實(shí)現(xiàn)腐蝕電位或電流的簡單采集，尚無法實(shí)現(xiàn)恒電位/恒電流極化以及交流阻抗等可以進(jìn)行快速腐蝕評(píng)價(jià)的電化學(xué)測(cè)量技術(shù)。中國石油大學(xué)的李強(qiáng)等[32]已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種可在 300 m水深條件下進(jìn)行各類腐蝕電化學(xué)在線監(jiān)測(cè)作業(yè)的水密電子艙，但如何實(shí)現(xiàn)耐受更大水壓、抗外界信號(hào)干擾且集電化學(xué)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與遠(yuǎn)程（無線）傳輸于一體的深海電化學(xué)測(cè)試裝置仍是一個(gè)技術(shù)難題。

2.2 室內(nèi)模擬加速試驗(yàn)

深海自然環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)復(fù)雜、試驗(yàn)費(fèi)用高，除試驗(yàn)裝置的投放、運(yùn)行與回收外，其可靠性還與地質(zhì)、環(huán)境、裝置、人為等多種因素相關(guān)，存在樣板丟失、裝置回收率低等問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國際上進(jìn)行此類海洋環(huán)境試驗(yàn)，其裝置的回收率最高為76%[5]。因此，開展室內(nèi)模擬深海加速腐蝕試驗(yàn)不可或缺。室內(nèi)模擬加速腐蝕方法是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用小試樣和人工配制的海水介質(zhì)，通過模擬海水環(huán)境，用化學(xué)或電化學(xué)加速方法研究影響材料腐蝕的主要因素和控制規(guī)律。由于在深海環(huán)境下影響材料腐蝕的因素眾多，其環(huán)境與實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境有一定差異，因此除了能模擬深海環(huán)境下的一些物理參數(shù)外，很難在實(shí)驗(yàn)室條件下完全模擬實(shí)際材料的深海腐蝕行為[33]。通過控制其中一個(gè)或幾個(gè)因素，在較短時(shí)間內(nèi)探索材料在深海模擬溶液中的腐蝕規(guī)律，并通過不同材料的平行比較，推測(cè)材料的深海耐蝕性行為，對(duì)研究不同材料在該條件下的腐蝕機(jī)理、腐蝕規(guī)律和腐蝕失效原因具有重要的參考價(jià)值[3]。

深海材料室內(nèi)模擬加速腐蝕試驗(yàn)研究典型裝置為芬蘭CORMET公司制造的深水腐蝕試驗(yàn)裝置，可以實(shí)現(xiàn)不同壓力和水質(zhì)條件下的電化學(xué)性能測(cè)試、疲勞試驗(yàn)和應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)[3,34]。中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所、北京科技大學(xué)、中國海洋大學(xué)與中科院金屬所等國內(nèi)多家研究院所在這方面進(jìn)行了卓有成效的研究工作，取得了許多重要數(shù)據(jù)[13,17,35-37]。當(dāng)前，深海室內(nèi)模擬試驗(yàn)的一些研究熱點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面。

2.2.1 陰極保護(hù)

近些年來對(duì)深海環(huán)境下材料及構(gòu)件陰極保護(hù)的研究受到了格外的重視，然而當(dāng)前國內(nèi)外尚無材料在深海條件下的陰極保護(hù)電位判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[38]，陰極保護(hù)電流密度也受深海壓力、溫度、流速等多因素影響[39-40]。深海的低溫、缺氧和交變壓力，往往造成犧牲陽極活性和電流效率的降低[41-43]。比如，Hu等[43]研究了深海交變壓力對(duì)犧牲陽極性能的影響，發(fā)現(xiàn)犧牲陽極溶解產(chǎn)生的陽離子（Al3+，Zn2+）與氧氣還原產(chǎn)生的OH-離子反應(yīng)生成的沉積物（Al(OH)3，Zn(OH)2）容易附著在陽極表面，導(dǎo)致陽極工作電位正移，活性降低。為解決深海環(huán)境犧牲陽極材料性能下降問題，國內(nèi)外專家進(jìn)行了卓有成效的探索。在這方面，中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所已經(jīng)研發(fā)出專用于深海環(huán)境的鋁合金犧牲陽極材料和 Al-Zn-In-Mg-Ga-Mn高活化犧牲陽極，并在海洋工程裝備上安裝應(yīng)用，取得了一定的效果，但仍需進(jìn)一步改進(jìn)，以滿足服役于不同深海環(huán)境的工程裝備防腐需求。同時(shí)，亟需智能化、便于操作的陰極保護(hù)監(jiān)檢測(cè)技術(shù)，以確保犧牲陽極深海陰極保護(hù)效果和工程裝備結(jié)構(gòu)的安全[38]。

2.2.2 仿真預(yù)測(cè)

隨著海水深度的增加，材料的腐蝕數(shù)據(jù)積累和表征方法研究的難度也增大，尤其是深海自然環(huán)境試驗(yàn)，成本高、回收率低、周期長，無法實(shí)現(xiàn)深海工程材料的快速腐蝕評(píng)價(jià)與篩選。當(dāng)前，室內(nèi)模擬裝置試驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)較為成熟，多種非現(xiàn)場評(píng)價(jià)方法可以研究高靜水壓、溫度、鹽度、溶解氧濃度、pH值和鈣鎂離子沉積等環(huán)境因素對(duì)材料深海腐蝕行為規(guī)律的影響[21,44-45]，在此基礎(chǔ)上建立海水腐蝕參數(shù)與海水腐蝕速度相關(guān)數(shù)據(jù)庫與仿真預(yù)測(cè)模型，可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)快速評(píng)價(jià)典型金屬材料深海腐蝕行為規(guī)律，具有重大價(jià)值。在這方面，國內(nèi)已經(jīng)開展了先期工作，比如，侯健等[2]在系統(tǒng)總結(jié)了溶解氧、溫度、鹽度等深海腐蝕環(huán)境因素特征及變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，利用A3鋼腐蝕速度與海洋環(huán)境參數(shù)間的函數(shù)表達(dá)式，預(yù)測(cè)了我國南海不同深度條件下A3鋼的腐蝕速度。中國海洋大學(xué)的王佳課題組[46]則采用灰關(guān)聯(lián)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫方法研究了5種海洋工程鋼材在5000 m深海環(huán)境中的腐蝕行為，建立并使用 MCM-CORRDB03和MCM- GOCEANDB03兩個(gè)數(shù)據(jù)庫預(yù)測(cè)了相關(guān)鋼材在不同深海環(huán)境腐蝕速率。然而，上述兩個(gè)腐蝕預(yù)測(cè)模型均未考慮靜水壓力本身對(duì)腐蝕過程的影響。此外，不同類金屬材料的深海腐蝕行為存在較大差異，其主要環(huán)境作用因素并不相同，數(shù)據(jù)庫與預(yù)測(cè)模型有待進(jìn)一步完善和印證。

2.2.3 應(yīng)力腐蝕

與陸上裝備和淺海裝備相比，深海裝備最大的不同是受到巨大的靜壓力作用，有可能使材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕，導(dǎo)致力學(xué)性能嚴(yán)重衰減。已有研究結(jié)果表明，多數(shù)合金在深海環(huán)境中對(duì)應(yīng)力腐蝕不敏感，包括銅合金、鎳合金、除7系以外的鋁合金、鈦合金等[1,8,10]。容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的材料普遍具有很高的強(qiáng)度，例如，AISI 4140（42CrMo）鋼、18Ni馬氏體時(shí)效鋼、15-7 AMV沉淀硬化不銹鋼和7075、7079、7178鋁合金以及13V-11Cr-3Al鈦合金等[1]。然而，深海環(huán)境決定了必須使用這些具有高應(yīng)力腐蝕敏感性的高強(qiáng)合金，因此，探明相關(guān)材料在深海水環(huán)境中服役時(shí)的耐腐蝕性能及其機(jī)制，尤其是應(yīng)力腐蝕行為和規(guī)律是解決深海水環(huán)境腐蝕防護(hù)技術(shù)的關(guān)鍵之一。胡建朋等[47]則通過模擬南海某海域環(huán)境研究了 304不銹鋼在模擬深海和淺海中的應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）行為，發(fā)現(xiàn)304不銹鋼在深海和淺海的SCC機(jī)制不同，在深海中為氫致開裂，淺海中則主要為陽極溶解。深海環(huán)境是一種相對(duì)缺氧的環(huán)境，因此，氫在深海應(yīng)力腐蝕中所起的作用不容忽視，高靜水壓力通過影響氫的吸脫附與滲透過程可能改變材料應(yīng)力腐蝕敏感性。為此，張博[48]利用自制試驗(yàn)裝置研究了10CrSiNiCu低合金鋼模擬深海環(huán)境下的氫滲透-應(yīng)力腐蝕機(jī)制，并提出了一種利用電化學(xué)阻抗譜低頻端感抗檢測(cè)氫在金屬表面吸附能力的測(cè)試方法。此外，孫飛龍等[49]則采用電化學(xué)預(yù)充氫的方法，研究了高壓下 X70鋼的氫滲透行為以及充氫對(duì) X70鋼在深海環(huán)境中應(yīng)力腐蝕敏感性的影響規(guī)律。結(jié)果表明，高靜水壓力促進(jìn)了氫在X70鋼中的滲透，X70鋼的應(yīng)力腐蝕敏感性隨充氫電流密度的增加先降低后升高，其 SCC敏感性的臨界吸附氫濃度C=2.68×10-4mol/cm3。類似的深海應(yīng)力腐蝕研究結(jié)果為深海裝備的選材提供了依據(jù)，但對(duì)于我們理解材料在深海環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕規(guī)律及其電化學(xué)機(jī)制還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。尤其是近年來，隨著深海工程技術(shù)快速發(fā)展，現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道已不能完全覆蓋實(shí)際需求材料種類，亟待擴(kuò)充。

2.2.4 涂層防護(hù)

有機(jī)涂層是深海環(huán)境中對(duì)海洋工程結(jié)構(gòu)防護(hù)的最重要手段之一，當(dāng)服役環(huán)境由淺海變?yōu)樯詈r(shí)，海水靜壓力增大，導(dǎo)致各種腐蝕性介質(zhì)如水、氧氣和電解質(zhì)離子等在涂層中的傳輸行為不同于常壓，引起涂料的防護(hù)性能、使用壽命以及涂層下金屬腐蝕行為發(fā)生明顯的變化[50]。一般認(rèn)為，高壓海水滲透和海水壓力交變是導(dǎo)致防腐涂料在深海環(huán)境中加速失效的兩大腐蝕因素[51]。高靜水壓會(huì)加快海水滲透過程，縮短涂料發(fā)揮屏蔽保護(hù)作用的時(shí)間，從而削弱對(duì)基底金屬的防護(hù)性能[52-54]。海軍裝備研究院的方志剛等[55]利用自制的深海環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置，研究了靜水壓力對(duì)深海工程涂料性能的影響，發(fā)現(xiàn)與淺表海水環(huán)境相比，高靜水壓下涂層具有不同的吸水特征，其與金屬基體間的附著力降低，防護(hù)性能的劣化過程明顯加快。此外，水下航行器等深海裝備在潛行過程中存在的高流速?zèng)_刷和壓應(yīng)力交替變化等特殊工況，會(huì)使涂料的微觀結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致附著力、柔韌性等力學(xué)性能嚴(yán)重降低。高瑾等[35]采用電化學(xué)阻抗譜技術(shù)與局部交流阻抗技術(shù)探討了交變壓力對(duì)深海用涂層防護(hù)性能的影響，發(fā)現(xiàn)壓力交變能加快電解質(zhì)溶液向涂層金屬界面的擴(kuò)散，加速涂層下金屬的腐蝕過程，且缺陷周圍涂層的剝離面積增大。因此，有必要開展具備耐高壓海水滲透性和耐海水壓力交變性防腐蝕涂料的開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)研究。國內(nèi)外研究人員已經(jīng)加大相關(guān)工作的研究，但許多技術(shù)仍處于起步階段[56-58]。

3 展望

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，伴隨著海洋強(qiáng)國的戰(zhàn)略部署和“一帶一路”思想的提出，海洋開發(fā)不斷向深度和廣度擴(kuò)展，深海材料必將發(fā)展成為我國未來的新興戰(zhàn)略型支柱產(chǎn)業(yè)。材料是發(fā)展深海工程裝備的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，因此，有必要進(jìn)行典型材料深海自然環(huán)境腐蝕試驗(yàn)，尤其是中國臨近海域深尺度、涵蓋當(dāng)前實(shí)際需求材料的大規(guī)模深海環(huán)境試驗(yàn)與電化學(xué)原位監(jiān)測(cè)研究。此外，材料在深海條件下的腐蝕規(guī)律和機(jī)理的研究，也離不開實(shí)驗(yàn)室深海模擬加速試驗(yàn)，通過典型材料在深海模擬加速環(huán)境下的腐蝕規(guī)律研究，與自然環(huán)境試驗(yàn)相互補(bǔ)充，建立深海材料腐蝕機(jī)理（預(yù)測(cè)）模型與數(shù)據(jù)庫，為我國深海工程、裝備或設(shè)施的設(shè)計(jì)、選材、防護(hù)以及新材料的開發(fā)提供依據(jù)。