海洋腐蝕防護的現狀與未來*

侯保榮 張 盾 王 鵬中國科學院海洋研究所 青島 266071

海洋腐蝕防護的現狀與未來*

侯保榮 張 盾 王 鵬
中國科學院海洋研究所 青島 266071

海洋環境是最為惡劣的自然腐蝕環境；海洋腐蝕問題是海洋工程安全服役面臨的主要威脅，也給國民經濟帶來巨大的損失。未來人類對海洋開發的深度和廣度將不斷拓展，也將面臨不斷出現新的腐蝕問題的挑戰。文章結合目前海洋開發研究的現狀及未來發展趨勢，介紹了海洋腐蝕環境特點，分析了我國海洋腐蝕防護現狀及需求，并對海洋腐蝕防護研究以及相關政策規章的制定提出了建議。

海洋環境，腐蝕與防護，規劃建議

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2016.12.006

海洋蘊藏著豐富的資源，具有潛在的巨大經濟利益和戰略性的國防地位。海洋事業的發達程度是一個國家科技力量和水平的綜合體現，也是一個國家經濟發展和國家地位的標志。

海洋腐蝕問題是海洋開發過程中面臨的威脅之一。由海洋腐蝕所引起的災難性事故案例很多，造成了很多極其巨大的損失。1980 年，英國北海“亞歷山大基定德”號鉆井平臺樁腿上的焊縫被海水腐蝕，裂紋在波浪載荷的反復作用下不斷擴展，導致傾倒，123人遇難。2010 年 4 月 20 日，英國石油公司墨西哥灣“深水地平線”鉆井平臺海底閥門失效導致爆炸，致死 11 人，隨后 3 個月海底原油不斷涌出，溢出量超過 400 萬桶，成為美國海域最嚴重的環境災難。由于 3 000 m 深海環境的復雜性，歷時 3 個多月，幾乎動用了所有的力量才堵住了海底原油的泄露。2013 年 11 月 22 日，山東青島經濟開發區排水暗渠發生爆炸，造成 62 人死亡，直接經濟損失超過 7.5 億元。國務院特別重大事故調查組調查報告指出，該事故直接原因是“輸油管道與排水暗渠交匯處管道腐蝕減薄、管道破裂、原油泄漏”。

除了安全問題，海洋腐蝕也帶來了巨大的經濟損失。2016 年 3 月，全球腐蝕調查報告表明，世界平均腐蝕損失約占全球國民生產總值（GNP）的 3.4%。一般認為，海洋腐蝕損失約占總腐蝕損失的 1/3。因此海洋腐蝕的損失是驚人的。根據國內外經驗，如果采用有效的防護措施，25%—40% 的腐蝕損失可以被避免。

綜上，海洋腐蝕會造成設施裝備結構損傷、使役壽命縮短，是關系到國計民生的重要問題。嚴重的腐蝕還可能引起突發性災難事故，污染環境，危及人民群眾的生命財產安全。

1 海洋環境腐蝕特點

海洋環境是腐蝕性最為嚴酷的自然環境。海水是一種具有很強腐蝕性的電解質溶液，含有大量的鹽類，包括氯化鈉以及含有鉀、溴、碘等元素的鹽類。海水中溶解有氧氣、氮氣、二氧化碳等氣體，而其中的氧氣是引起海水中碳鋼、低合金鋼等金屬結構物腐蝕的重要影響因素。表層海水氧氣是飽和的，大約為 8 mg/L，腐蝕性更強。海水溫度有周期性的變化，一般來說，鋼鐵等的腐蝕速度會隨著海水溫度的升高而增加。另外，海水中含有豐富的氧微量元素和營養鹽類等，這為海洋生物的生存和繁殖提供了必要的條件。而海洋生物的存在則會影響金屬材料的腐蝕行為與機制。

通常來說，從腐蝕的角度可將海洋環境分為 5 個不同區帶：海洋大氣區、浪花飛濺區、海洋潮差區、海水全浸區和海底泥土區（表 1）[1]。

1.1 海洋大氣區腐蝕特點

大氣是金屬材料接觸最多的環境介質，據統計，80% 的金屬構件在大氣環境中使用。我國有 18 000 多公里的海岸線，金屬材料多處于海洋大氣環境中；且海洋大氣中富含多種鹽粒，對金屬有較強腐蝕性。金屬材料的大氣腐蝕是以電化學機理進行的。金屬暴露在大氣環境中，會從大氣環境中吸收水分，并在金屬表面形成一薄層電解液膜。這層電解液膜的存在使得金屬表面發生電化學反應成為可能。金屬表面吸水量是與大氣環境的相對濕度有關的。在相對濕度為 75% 時，吸附的水分子層厚度約為 5 層。一般來講，水膜的厚度大于 5 層，就可進行電化學腐蝕過程。大氣污染性氣體及大氣懸浮粒子會沉降在金屬表面的薄液層中，并影響和參與材料的大氣腐蝕過程。

1.2 浪花飛濺區腐蝕特點

在海洋環境中，海水的飛沫能夠噴灑到其表面，但在海水漲潮時又不能被海水所浸沒的部位通常稱為浪花飛濺區。在浪花飛濺區，材料長期處于干濕交替的環境中，供氧量充分，且由于海水的飛濺，其飛沫可以直接打到金屬表面，使其腐蝕很嚴重，一般為海水全浸區的5—10 倍，是海洋環境中典型的強腐蝕區。中科院海洋環境腐蝕與防護重點實驗室開展了持續的海洋浪花飛濺區腐蝕機理和防腐蝕技術研究，成功開發礦質包覆防護技術，解決了浪花飛濺區腐蝕問題。同時，開發了鋼筋混凝土結構防腐蝕與修復技術，在海洋工程結構防護中得到廣泛應用。

1.3 海洋潮差區腐蝕特點

海洋潮差區處于平均高潮線與低潮線之間，該區域作為氧濃差電池的陰極區而受到保護，腐蝕速率較低。但是，該區域存在海洋生物污損及好氧菌附著腐蝕現象。腐蝕生物會通過氧濃差電池等多種方式加速金屬基底腐蝕，誘發局部腐蝕破壞等問題。據報道，微生物腐蝕所致腐蝕損失占總腐蝕損失的 20% 左右[2]。

表1 不同海洋環境區域的腐蝕特點比較

1.4 海水全浸區腐蝕特點

在海水全浸區，由于腐蝕與氧含量密切相關，因此腐蝕速率隨深度增加有所減輕。然而，該區域覆蓋范圍較廣，隨著深度的增加，海水壓力、pH 值、鹽度、海洋生物和含氧量會發生明顯的變化，均勻腐蝕速率降低，電偶腐蝕、縫隙腐蝕和點蝕等局部腐蝕加劇。另外，該區域腐蝕存在多因素交互作用的特點，氫致開裂、應力腐蝕和腐蝕疲勞規律與機理都會發生顯著的變化，材料在海洋環境下發生環境敏感斷裂的傾向更為嚴重。

1.5 海底泥土區腐蝕特點

在海底泥土區，由于氧氣濃度較低，腐蝕速率通常較低。但是，在有腐蝕微生物存在條件下，微生物代謝活動會加速金屬的腐蝕，改變腐蝕機制。中科院海洋所在微生物腐蝕研究領域積累了大量成果，研究了海洋微生物腐蝕機理[3,4]，開發了腐蝕微生物快速檢測傳感器技術[5,6]，以及多種海洋微生物腐蝕防護新材料技術[7,8]。

2 我國海洋腐蝕與防護現狀

2.1 我國海洋腐蝕現狀

為深入了解我國現階段腐蝕狀況，中國工程院特別設立了“我國腐蝕狀況及控制戰略研究”重大咨詢項目。組織了包括近 30 位院士在內的 200 位科技工作者，針對基礎設施、水環境、能源、交通運輸和生產制造五大領域的鐵路、機場、公路橋梁、港口碼頭、水利工程、船舶、飛機、火車、煤炭工業、電力系統、城市供水、海水養殖、文物/古跡、海水淡化、海洋平臺及裝備、海底管道、海洋石油裝備、建筑、汽車、石油天然氣工業、冶金、電子工業、造紙業、化工、電信、家電、制藥業、采礦業、食品加工、醫療器械、農業等 30 多個重點行業進行腐蝕成本和防護策略的調查研究。在此基礎上，借助數學和經濟學的理論和方法，計算我國的腐蝕成本。

經過問卷調查、實地考察、案例調研、會議交流、專題座談、上網檢索、模擬計算、統計分析等系統工作，調查結果表明，2014 年，我國腐蝕成本約占我國 GDP 的 3.34%，達到 21 278.2 億元人民幣，每位公民承擔的腐蝕成本超過 1 555 元。

與發達國家相比，我國腐蝕調查工作開展晚，重視程度低。此次腐蝕成本調查的開展對于加強人們對腐蝕危害的認識，提高人們的防腐蝕意識有重要的意義。

2.2 我國海洋腐蝕與防護需求現狀

目前，發展海洋經濟和海洋科技已經被我國提升到前所未有的戰略高度，海岸工程、海洋開采、水下工程等戰略性新興海洋產業正在迅速興起，發展和建造各類新型高水平深海鉆井設備、艦艇、深潛器和海洋空間站等設施是海洋資源開發和維護國防安全的根本物質保障。另外，我國海岸線長，隨著近年來經濟高速發展，海岸工程、碼頭、跨海橋梁建設體量迅猛擴張，使用了大量各類結構材料。我國正在開展包括環渤海經濟區、黃三角經濟區、山東半島藍色經濟區、江蘇沿海經濟區、長三角經濟區、珠三角經濟區和海峽西岸經濟區的鏈式經濟區帶的建設。在開展近海海洋工程建設的同時，海上設施也不斷在向遠海和深海拓展，目前，我國在海洋油氣田開發、港口建設、跨海大橋、海底管線、船舶工程和深海勘探等領域已建和在建大量的各種海洋鋼結構及鋼筋混凝土結構設施。這些海上設施廣泛分布在我國沿海一線和南海、東海等重點海域，貫穿海洋大氣區、浪花飛濺區、海洋潮差區、海水全浸區和海底泥土區等不同的海洋腐蝕環境，遭受十分嚴重的腐蝕破壞。海洋腐蝕及生物污損嚴重威脅著這些重大工程設施安全運行。然而，目前多數海洋工程結構處于裸露或欠保護狀態，海洋工程結構安全堪憂，腐蝕損失巨大。保證各種海洋工程設施的耐久性和安全性，降低重大災害性事故發生，延長這些重大工程設施使用壽命，是我國經濟發展中需要迫切解決的關鍵性問題和共性問題。

過去十年間，我國的海港、橋梁、隧道以及海岸工程建設蓬勃發展，沿海地區鋼結構和鋼筋混凝土結構設施的數量迅速增長。在跨海大橋建設方面，最近幾年已竣工和開工建設的有東海大橋、杭州灣大橋、廈門海滄大橋、舟山大陸連島工程、上海長江大橋、青島海灣大橋等。海洋石油開發是我國海洋開發的重點之一，我國已建有近 200 個海洋鋼結構石油平臺。在港口建設方面，我國重大港口設施如曹妃甸碼頭等正在建設中。重大海洋工程設施通常設計有五十年甚至上百年的服役壽命，然而，在多種海洋腐蝕環境因素協同作用下，據有關調查，我國部分海港碼頭設施在建成十幾年到二十年已出現鋼筋銹蝕。據估計，鋼筋混凝土年腐蝕損失大于1 000 億元。我國在役的大量臨海設施將進入腐蝕破壞的高風險期，嚴重威脅到正常的生產運營，也勢必會造成嚴重的經濟和社會損失。這些設施亟待科學的腐蝕控制和修復。這已經不單單是技術方面的問題，更是關系到國家發展和社會進步的重要問題。

3 我國海洋腐蝕防護未來發展建議

在國際海洋資源處于激烈競爭狀態的今天，有必要針對我國海洋工程設施腐蝕污損防護重大需求，開展海洋腐蝕與生物腐蝕機理及防護技術的開發研究，解決海洋工程腐蝕防護的共性及關鍵性問題，同時將我國海洋工程設施腐蝕防護納入國家戰略，提高海洋腐蝕防護的重視程度，從國家層面上推動我國海洋防腐蝕產業發展。

（1）在不同海洋環境因子對腐蝕作用的過程和機理研究方面。有必要圍繞海洋環境腐蝕影響因子對常用工程材料腐蝕過程的作用機制進行研究。研究干濕交替、合金元素、防護涂層、光照、腐蝕產物結構等因素對于鋼結構和鋼筋混凝土結構腐蝕機理的影響因素。揭示海洋環境5個腐蝕區帶（海洋大氣區、浪花飛濺區、海水潮差區、海水全浸區和海底泥土區）誘發腐蝕機理，掌握腐蝕防護核心要素，為海洋采油平臺、海底管線等的設計和防腐提供科學依據和對策。

（2）在海洋污損生物腐蝕的關鍵過程、機理和防護技術研究方面。有必要針對海洋環境中微生物腐蝕與生物污損問題，開展不同海域微生物腐蝕機理研究。重點分析材料表面生物膜組成與結構演化過程與機制，提出腐蝕微生物誘發典型海洋工程金屬材料腐蝕機制；分析海洋陰極保護下鋼結構表面生成的鈣質沉積層與污損生物群落的相互促進和抑制的過程，揭示微生物活動對金屬材料局部腐蝕的作用機制，并在分子水平闡明材料類型、表面物理化學性質、生物活性分子對生物附著過程的影響機理，實現對生物附著過程的調控。基于上述理論研究，開發基于材料表面物理化學性質、表面微觀結構、光催化性質等的海洋生物腐蝕及污損防護技術。

（3）在海洋腐蝕防護與監檢測技術開發及應用方面。有必要針對海洋腐蝕防護的需求，開發包含鋼結構浪花飛濺區腐蝕防護技術、海洋鋼筋混凝土結構腐蝕防護與修復補強技術、海洋腐蝕監測技術、腐蝕探測預警技術在內的集成化海洋環境腐蝕防護技術。制定防腐技術性能檢測規范、現場施工質量規范、現場質量檢測規范，形成一套先進的防腐設計規范和質量管理體系。并以此為基礎，建立近海腐蝕監測實驗站和腐蝕防護技術示范基地，加速成果推廣與轉化。

（4）在海洋腐蝕防護標準與防護意識方面。在海洋防腐防污技術研究基礎上，有必要加快建立海洋腐蝕防護技術企業、地方及國家標準，引導腐蝕產業健康發展，保障海洋工程設施安全運行，減低經濟損失。同時加強海洋腐蝕教育以及科普宣傳力度，通過強化對相關專業領域技術人員的教育，提升專業人員對海洋腐蝕防護的重視程度；并通過媒體宣傳等方式，提高全民腐蝕防護意識。

1 侯保榮. 海洋腐蝕環境理論及其應用. 北京∶ 科學出版社, 1999.

2 Zhang P, Xu D, Li Y, et al. Electron mediators accelerate the microbiologically influenced corrosion of 304 stainless steel by the Desulfovibrio vulgaris biofilm. Bioelectrochemistry, 2015, 101∶ 14-21.

3 Wan Y, Zhang D, Liu H, et al. Influence of sulphate-reducing bacteria on environmental parameters and marine corrosion behavior of Q235 steel in aerobic conditions. Electrochim Acta, 2010, 55(5)∶ 1528-1834.

4 Wu J, Zhang D, Wang P, et al. The influence of Desulfovibrio sp. and Pseudoalteromonas sp. on the corrosion of Q235 carbon steel in natural seawater. Corros Sci, 2016, 112∶ 552-562.

5 Qi P, Wan Y, Zhang D. Impedimetric biosensor based on cellmediated bioimprinted films for bacterial detection. Biosens Bioelectron, 2013, 39(1)∶ 282-288.

6 Wan Y, Lin Z, Zhang D, et al. Impedimetric immunosensor doped with reduced graphene sheets fabricated by controllable electrodeposition for the non-labelled detection of bacteria. Biosens Bioelectron, 2011, 26(5)∶ 1959-1964.

7 Wang P, Zhang D, Lu Z, et al. Fabrication of slippery lubricantinfused porous surface for inhibition of microbially influenced corrosion. ACS Appl Mater Interfaces, 2016, 8(2)∶1120-1127.

8 Wan Y, Zhang D, Wang Y, et al. Vancomycin-functionalised Ag@TiO2phototoxicity for bacteria. J Hazard Mater, 2011, 186(1)∶ 306-312.

侯保榮 工程院院士，中科院海洋所研究員，國家海洋腐蝕防護工程技術研究中心主任。近40年一直從事海洋腐蝕防護技術研究，主持了我國近海腐蝕環境調查與研究，建立了海洋腐蝕環境的理論體系。E-mail∶ baoronghou@163.com

Hou Baorong Academician of Chinese Academy of Engineering; holds the position of professor in Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences; and chairman of National Research Center of Marine Corrosion Protection Engineering Technology, China. For 40 years, he focused on researching marine corrosion protection technology. He presided of the investigation and research of corrosion environment in Chinese offshore. He builts up the academic system of marine corrosion environment. E-mail∶ baoronghou@163.com

張 盾 女，中科院海洋所研究員，中科院“百人計劃”學者，中科院海洋環境腐蝕與生物污損重點實驗室主任。中國腐蝕與防護學會副理事長，中國海洋湖沼學會海洋腐蝕與污損專業委員會主任。主要從事海洋環境腐蝕與生物污損研究。E-mail∶ zhangdun@qdio.ac.cn

Zhang Dun Male, Research professor, in Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences (CAS); awardee of Hundred Talents Program of CAS; director of CAS Key Laboratory of Marine Environmental Corrosion and Biofouling; director of Marine Corrosion and Biofouling Board of Chinese Limnology and Oceanography Society. She is engaged in marine environmental corrosion and bio-fouling research. E-mail∶zhangdun@qdio.ac.cn

Marine Corrosion and Protection: Current Status and Prospect

Hou Baorong Zhang Dun Wang Peng
（Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China）

Marine environment is the most aggressive natural environment. Marine corrosion is the main threaten to the safety of marine engineering, and also brings a huge economic loss to the country. Human beings will face new challenges from the corrosion in the future marine exploitation. In this paper, the characters of marine corrosion environment are introduced. The current status and requirements about marine corrosion and protection are analyzed. Finally, the proposal about future research of marine corrosion protection and introduction of regulations are offered.

marine environment, corrosion and protection, planning proposal

*資助項目：中國工程院重大咨詢項目（2015ZD08），國家支撐計劃項目（2012BA B15B00），國家“973”計劃項目（2014CB643300），國家海洋局公益性項目（20 1005028）

修改稿收到日期：2016年12月2日