海洋環(huán)境中金屬的腐蝕及防護(hù)研究

王玉瑩，張 蒙，范思民

（1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司教育培訓(xùn)中心，遼寧 鞍山 114000；2.鞍鋼集團(tuán)礦山設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 鞍山 114004；3.鞍鋼集團(tuán)鞍千礦業(yè)有限責(zé)任公司，遼寧 鞍山 114000）

隨著地球人口的增多，環(huán)境的惡化，人們對(duì)于海洋開發(fā)的重視程度日益提升，人工碼頭、海洋通道、臨海工業(yè)、海底油氣輸送管線鋪設(shè)等等已十分普遍，但是由此而產(chǎn)生的海洋環(huán)境污染，尤其是金屬腐蝕越來越嚴(yán)重。海洋金屬腐蝕不僅僅是經(jīng)濟(jì)上的損失，更重要的是會(huì)引發(fā)各種事故，加劇生態(tài)環(huán)境污染，還會(huì)引發(fā)人員傷亡。因此必須重視海洋環(huán)境中金屬的腐蝕以及防護(hù)，采取必要的控制防護(hù)措施，從而促進(jìn)海洋環(huán)境持續(xù)發(fā)展。

1 海洋環(huán)境金屬腐蝕防護(hù)的意義

隨著海洋開發(fā)力度的不斷加大，海洋產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展意識(shí)也在不斷提升。海洋環(huán)境十分龐大而且腐蝕系統(tǒng)非常復(fù)雜，除了含有海洋生物、泥沙、水流的腐蝕還涉及到一些化學(xué)腐蝕、電化學(xué)侵蝕等，因此隨著海洋開發(fā)的不斷深入，海洋環(huán)境中的金屬腐蝕也日益嚴(yán)重[1]。

2 海洋環(huán)境中金屬腐蝕的機(jī)理

海洋環(huán)境中金屬與環(huán)境中的某些介質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)從而產(chǎn)生很多破壞性材料的過程就是腐蝕。從熱力學(xué)的角度分析，金屬腐蝕是一個(gè)自然過程，可以分為物理腐蝕、化學(xué)腐蝕以及生物腐蝕幾大類，其中我們常見的就是電化學(xué)腐蝕。例如，鑄鐵長(zhǎng)期處于濕潤(rùn)的環(huán)境當(dāng)中就會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕的反映，化學(xué)反映過程可以用下面的幾個(gè)公式表達(dá)。

陽(yáng)極（Fe）：

陰極（雜質(zhì)）：

電池反應(yīng)：

3 海洋環(huán)境中金屬的腐蝕類型

海洋環(huán)境相對(duì)封閉且復(fù)雜，因此海洋金屬腐蝕也比較復(fù)雜，不同的海域，使用時(shí)間的不同都會(huì)導(dǎo)致不同的腐蝕程度和損害程度，因此本文將海洋環(huán)境中的金屬腐蝕分為以下幾種。

3.1 全面腐蝕

全面腐蝕比較均勻，從環(huán)境影響來說可以說是均衡的，也就是金屬材料在于腐蝕介質(zhì)接觸的過程中，相關(guān)接觸的位置均被腐蝕。這種腐蝕性可以預(yù)測(cè)，不會(huì)隨著時(shí)間的變化越來越嚴(yán)重，因此可以在設(shè)計(jì)過程中預(yù)留一定的腐蝕位置，從而促進(jìn)金屬使用壽命的演唱。例如，碳鋼就容易產(chǎn)生全面腐蝕，碳鋼處于全面浸透的情況下就會(huì)產(chǎn)生全面腐蝕的狀態(tài)，在現(xiàn)實(shí)中，全面腐蝕的預(yù)防要相對(duì)容易。

3.2 局部腐蝕

局部腐蝕與全面腐蝕相對(duì)，這就意味著金屬與腐蝕介質(zhì)的接觸面存在一定的局限性，由于材料不同，電化學(xué)反映不同，因此所產(chǎn)生的腐蝕程度也不同。表面上來分析，局部腐蝕比較輕，但是這種危險(xiǎn)卻比較幾種，反而帶來更大的危險(xiǎn)事故產(chǎn)生。從現(xiàn)實(shí)中來看，很多海洋金屬事故觸發(fā)也多數(shù)是因?yàn)榫植勘桓g。因此這種危險(xiǎn)因素不容小覷，應(yīng)當(dāng)及時(shí)預(yù)防[2]。

4 海洋環(huán)境中金屬腐蝕的防護(hù)措施

通過上面的分析可以看出，海洋環(huán)境中的金屬腐蝕機(jī)理以及類型比較復(fù)雜，受到各種環(huán)境和因素的影響，可以說海洋腐蝕是十分復(fù)雜和多變的。例如，不同海域的海水PH 值、溫度、含鹽量等都是不同的，即使是同一個(gè)海域還會(huì)存在大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、海水全浸區(qū)等，因此不同區(qū)域、區(qū)域內(nèi)不同狀態(tài)下金屬腐蝕的情況也存在著一定的差異，因此海洋環(huán)境中的金屬防護(hù)也是比較多樣的，需要針對(duì)不同的情況采取不同的防腐蝕措施，下面提出幾種不同的防護(hù)措施，希望對(duì)相關(guān)研究有所幫助[3]。

4.1 優(yōu)化選材及優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

既然海洋環(huán)境中容易產(chǎn)生金屬腐蝕，那么就可以在選用金屬的時(shí)候優(yōu)化其標(biāo)準(zhǔn)，提高金屬材料的防腐蝕性，例如鎳鋁青銅、錳青銅、不銹鋼等材料就具有很好的抗腐蝕性。同時(shí)還應(yīng)當(dāng)對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，減少表面腐蝕介質(zhì)存在的可能，從而更好保護(hù)金屬發(fā)揮其積極作用[4]。

4.2 添加緩蝕劑

花樣環(huán)境相對(duì)封閉，因此對(duì)于金屬腐蝕的防護(hù)還可以采取加入一定的緩腐劑，例如在海水循環(huán)系統(tǒng)以及管道、管線中加入一定的緩腐劑，從而降低金屬腐蝕的速度，增加其壽命。緩蝕劑是具有抑制金屬腐蝕功能的一類無機(jī)物質(zhì)和有機(jī)物質(zhì)的總稱，主要包括鉬酸鹽、鋅鹽、鋁系金屬鹽、葡萄糖酸鹽、咪唑啉及其衍生物、胺類、醛類及季銨鹽等。

此外，緩腐劑的添加要視情況而定，不同的區(qū)域金屬腐蝕程度不同，因此需要針對(duì)性的添加，同時(shí)還要設(shè)立一定的緩腐劑效果監(jiān)督體系，從而利用最低的成本來達(dá)到緩腐劑最好的效果，根據(jù)監(jiān)督體系的監(jiān)督效果進(jìn)行緩腐劑添加數(shù)量及位置的調(diào)整。

4.3 采取不同的隔離法

通過上述分析可以看出，微電池作用是引發(fā)海洋環(huán)境中金屬腐蝕的主要原因，因此根據(jù)不同情況采取一定的隔離法是防治海洋金屬腐蝕的有效措施之一，根據(jù)不同的原理又分為電鍍法、涂層法、鈍化法。

（1）電鍍法。電鍍層可分成陽(yáng)極性鍍層和陰極性鍍層2種類型。陽(yáng)極性鍍層是指鍍上的金屬比被保護(hù)金屬的電勢(shì)低，比如，將鋁作為保護(hù)層鍍?cè)阼F外層；陰極性鍍層是指鍍上的金屬比被保護(hù)金屬的電勢(shì)要高，如將錫作為保護(hù)層鍍?cè)阼F外層。當(dāng)鍍層完好時(shí)，2種類型的鍍層都能夠?qū)⒔饘倥c腐蝕介質(zhì)隔離開來，起到良好的防腐作用。可是，假如鍍層遭到破壞，2種鍍層就會(huì)顯現(xiàn)出截然不同的效果。在陽(yáng)極性鍍層中，鍍層充當(dāng)陽(yáng)極，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，鍍層會(huì)起到犧牲陽(yáng)極保護(hù)的作用，被保護(hù)的金屬仍不受腐蝕；在陰極性鍍層中，由于被保護(hù)金屬充當(dāng)陽(yáng)極，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，首先受到破壞的將變成被保護(hù)金屬，這時(shí)鍍層反而會(huì)使得被保護(hù)金屬加速腐蝕。

（2）涂層法。防腐涂層對(duì)于保護(hù)金屬腐蝕十分常見，對(duì)于海洋環(huán)境中金屬的防護(hù)也可以嘗試這種方式，經(jīng)濟(jì)成本低、防護(hù)效果好，而且不需要十分復(fù)雜的施工工藝。從是否為金屬涂層材料可以分為金屬涂層和非金屬涂層兩種，通過涂層將金屬和腐蝕介質(zhì)進(jìn)行隔離，從而阻止了化學(xué)反應(yīng)，因此可以有效的保護(hù)金屬被腐蝕，常用到的涂層材料有環(huán)氧樹脂、過氯乙烯、聚氯乙烯、環(huán)氧瀝青、聚氨酯等。

（3）鈍化法。根據(jù)金屬腐蝕的化學(xué)原理可以看出，電極越小，電勢(shì)就越小，從而越容易被腐蝕，因此可以通過增強(qiáng)電勢(shì)的方式來緩解金屬的腐蝕。因此，可以采取增大金屬電勢(shì)的方式。例如，不銹鋼就是一個(gè)很好的例子，在鐵中加入一定的鉻，從而形成不銹鋼，增強(qiáng)金屬的電勢(shì)，提升其抗腐蝕性，這就是我們常說的鈍化膜，從而降低海洋中的金屬污染。

4.4 電化學(xué)保護(hù)法

所謂電化學(xué)保護(hù)法就是引入外部電流來環(huán)節(jié)金屬腐蝕速度的方式，外部電流可以有效的改變金屬的電位。因此電化學(xué)保護(hù)方法可以分為陰極和陽(yáng)極兩種。電化學(xué)保護(hù)法是根據(jù)電化學(xué)腐蝕原理，通過加入外部電流來改變金屬電位，進(jìn)而降低其腐蝕速度的一種材料保護(hù)技術(shù)。電化學(xué)保護(hù)可分為陰極保護(hù)和陽(yáng)極保護(hù)2 種類型。通過降低材料電位來達(dá)到保護(hù)目的的方法稱為陰極保護(hù)。

5 總結(jié)

綜上可以看出，全球經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展背景下，海洋開發(fā)規(guī)模將會(huì)不斷擴(kuò)大，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，海洋產(chǎn)業(yè)也將不斷的被開發(fā)，與此同時(shí)，金屬的腐蝕如何進(jìn)行防護(hù)已經(jīng)成為了海洋產(chǎn)業(yè)可持續(xù)性發(fā)展必須要面對(duì)的問題。例如，緩解腐蝕的方法、抑制腐蝕的方法等都可以嘗試，同時(shí)還可以利用計(jì)算機(jī)一級(jí)微電子等新技術(shù)對(duì)于海洋環(huán)境中金屬的腐蝕情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而盡可能的預(yù)見和阻止金屬腐蝕所帶來的的損失，相信，在未來隨著海洋開發(fā)的不斷發(fā)展，金屬腐蝕的防護(hù)措施也將日益完善，推動(dòng)海洋產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。