高效串型深海環境腐蝕試驗技術

郭為民，孫明先，侯健，逄昆，邱日，范林，張彭輝，丁康康，許立坤.

（海洋腐蝕與防護重點實驗室 中國船舶重工集團公司第七二五研究所，山東 青島 266101）

高效串型深海環境腐蝕試驗技術

郭為民，孫明先，侯健，逄昆，邱日，范林，張彭輝，丁康康，許立坤.

（海洋腐蝕與防護重點實驗室 中國船舶重工集團公司第七二五研究所，山東 青島 266101）

從海洋資源開發和軍事應用等方面分析了發展材料深海環境腐蝕試驗技術的緊迫性和必要性，綜述了美國、前蘇聯、印度、挪威等國家深海腐蝕的試驗方法、技術和研究進展，總結了深海環境腐蝕試驗的發展概況。針對中國船舶重工集團公司第七二五研究所開發的高效串型深海環境試驗裝置，對其結構、功能、水下靜態受力狀態以及試驗方法進行了簡要介紹，同時闡述了深海環境腐蝕試驗技術對我國的重要性以及未來發展前景。

深海；腐蝕；試驗技術

深海蘊藏著豐富的油氣和礦產資源，這些資源分布在從幾百米到幾千米的深海海底。我國海洋石油儲量非常豐富，海洋石油開發正在走向深海。深海資源開發需要研發耐深海環境的開采裝備，美國、前蘇聯等國家早在20世紀60，70年代便已開展裝備材料深海環境的腐蝕試驗，并已開始研發3000 m左右深海油氣開采技術和裝備。與發達國家相比，我國深海資源開采技術和裝備的研發起步較晚，因此，為實現我國“走向深海大洋”的戰略目標，研發具有自主知識產權的開采技術和裝備具有重要意義。開采海洋資源的深海工程裝備材料不僅受到海水的侵蝕，同時還受到海水的靜壓力作用，極易發生腐蝕失效問題。

潛艇下潛越深，越容易利用不同水層所形成的復雜聲學結構來掩護[1]，從而具有有效的戰略報復和二次打擊能力，但材料在深海環境中的腐蝕問題嚴重制約著兵器裝備的發展，走向深藍的軍事戰略迫切需要我國開展相關深海裝備設計和研發[2—3]。因此，開展裝備材料深海環境腐蝕試驗，積累深海自然環境因素及材料深海環境適應性數據，深入分析材料在深海中自然腐蝕、電偶腐蝕、應力腐蝕規律以及涂層失效等方面的性能迫在眉睫。

1　試驗及試驗裝置

世界上工業發達國家早在20世紀60年代便開始了材料深海腐蝕試驗的研究[4]。最早的深海腐蝕試驗始于1961年，美國通用電器公司所屬實驗室聯合Wood Hole公司在God海峽與百慕大之間進行了 4～5000 m深的金屬掛片試驗。1962—1970年，美國海軍開展了包括鋼鐵、銅、鋁、鈦、聚合物材料等在內的475種合金，2萬片試樣的深海試驗[5]。前蘇聯于 1975年研究了6種金屬材料在太平洋西北地區5500 m深海域的腐蝕規律。1982— 1999年，挪威船舶研究所和海洋技術研究所分別在北挪威大陸架和北挪威海進行了深海腐蝕試驗。21世紀初，印度Sawant及其合作者在阿拉伯海和孟加拉灣進行了1000 m和2900 m的深海腐蝕試驗[6]。2006年，中國船舶重工集團公司第七二五研究所開始研制深海腐蝕試驗裝置，并進行制造和投放，成為我國最早開展材料深海腐蝕試驗的單位。

近年來，隨著海洋資源的開發，世界各國在開展深海試驗研究工作的同時[7—18]，不斷改進著深海腐蝕試驗裝置。根據現有資料[19—24]，深海腐蝕試驗裝置可以分為兩種：一種以美國為代表，使用的是試樣框架座底的潛式試驗裝置；另一種是借助于海洋水文浮標進行腐蝕試驗的串掛式試驗裝置，以蘇聯、印度、挪威為代表。

試樣框架座底潛式裝置如圖1a所示，其試驗框架（稱為STU）沉在海底，其上連接專門的回收尼龍繩索，回收繩索平鋪于海底；另有一根較細的纜繩，頂端固定浮球，下部與沉塊相連固定在海底，并與回收繩索相連。回收時，細纜繩與沉塊脫離，浮球帶細纜繩浮到水面，用細纜繩將打撈用的繩索拉到回收船上，借助于船上的絞車將框架拉到海面。這種裝置結構穩定、試樣丟失率低、布放深度準確，但要求試驗場海底必須是面積較大的平坦硬質海泥，回收船也要有較大噸位。

圖1 試樣框架試驗裝置Fig.1 System for deep sea corrosion testing

串掛式試驗裝置是前蘇聯、印度、挪威等國家使用的腐蝕試驗裝置，除頂端有一大浮球外，其中間不同深度還固定有較小浮球，試樣用繩索串掛在浮球上，投放時裝置靠重力錨沉入海床，回收時靠浮球浮力上升到海面，如圖1b所示。串掛式試驗裝置對試驗場面積要求不高，可同時測量多個深度試驗數據，但其投放材料的種類和數量受到限制，一般每個深度只能投放幾種，十幾件試樣，而且試樣尺寸小。裝置的試樣只適合安裝金屬失重試樣，不能進行其他種類的腐蝕試驗。

以上兩種試驗裝置雖均適用于材料在深海海水中的腐蝕試驗，但是，從試驗效率和靈活性來說，均不滿足日益增多的深海試驗需求。為解決現有技術的不足，中國船舶重工集團公司第七二五研究所發明了一種高效串型深海環境試驗裝置，可于不同深度深海環境，進行長期環境暴露試驗和金屬材料多種形式的腐蝕老化試驗，開展深海環境試驗更為高效靈活，如圖1c所示。該裝置結構簡單緊湊，將多個試樣框架連接成一串，采用模塊化設計，將電偶腐蝕、應力腐蝕、涂層耐環境老化等不同目的的試驗裝置進行標準化設計，使其均能適合試樣框架安裝，并且可以根據需要進行組合，同時完成多種形式的腐蝕試驗。在需要部分更換試樣時，可減少海上作業時間和作業強度，提高試驗效率，試樣框架間的距離可根據試驗要求的暴露深度靈活調整。在使用過程中，能夠利用小型船舶進行布放和回收，操作簡便，節省試驗費用和時間。

2　高效串型深海環境試驗裝置的結構

串型深海試驗裝置具有浮式試驗樣品承載框架，可實現整套裝置的自動上浮和安全回收。主要分為六部分，分別為主浮標、試樣框架、聲學釋放器、連接系統、浮力系統和沉底錨系等。其中主浮標位于裝置的最上端，由框架、玻璃浮球、無線電信標等組成，作用是提供浮力和承載無線電信標。主浮標有較大的浮力，與沉錨共同作用使裝置在水中呈緊繃狀態，使整個沉底錨系系統存在一定的內張力，并且完成裝置出水、發出無線電信號的功能。試樣框架用于安裝和固定試驗樣板，同時可承載小型環境因素檢測設備。聲學釋放器將試驗框架與錨系連接為一體，裝置回收時，用于分離試驗框架與沉底錨系之間的連接，實現裝置的上浮。連接系統用于連接浮標、試驗框架和錨系，包括Kevlar繩、卸扣等。浮力系統玻璃浮球采用分置方式安裝，即除主浮體上裝配4個浮球外，玻璃浮球配置的位置均在試樣框架的上部，數量根據試樣裝載量的大小進行調整，利用浮球夾板（繩卡）將浮球外殼與Kevlar繩連接。沉底錨系由鋼筋混凝土制成的沉錨和一輔助金屬錨構成，用于整個裝置的深海系留定位。沉底錨越大，裝置在海底的穩定性越好，但是還必須考慮到整體的浮力和重力的比例。質量越大，裝置下沉的速度越快。當沉底錨沉到海底時，其上方的釋放器和試驗框架由于慣性觸底的危險性越高。

3　裝置水下靜態受力和姿態

試驗裝置在水下會受到海流的作用產生偏轉，各個試驗框架的實際深度會發生變化[25—29]，海流的速度不同，偏轉的程度不同。同時，裝置中各個受力點的拉力也會發生變化，為保證其在深海環境中長期可靠的工作，保證樣品投放深度的準確性，必須預先對系統進行水下受力分析和姿態估計[30—32]，從而保證主浮體在水下預定深度和所需姿態，并保證不走錨，確保裝置在水下的安全性[33—34]。

4　高效串型深海環境試驗裝置投放與回收

用船將裝置運送到指定投放地點，預先將裝置的各個部分連接好，作業船以0.5節以下的速度航行。從主浮標開始，按照圖1c所示將各部件按由上向下的順序依次投入海水中。由于裝置的各部分均設計為正浮力，因此，整套裝置均浮于海面，并在船舶拉力和海流的作用下平鋪于海面，避免纏繞和打結。當全部裝置放完后，吊放水泥沉錨，利用沉錨的重量將裝置固定在水下。隨后利用 GPS接收機和釋放器的測距功能，測量投放點附近3個點的位置坐標和距離數據，進行三點 GPS定位，確保樣品回收時能準確找到裝置。

回收時利用 GPS三點定位獲得的坐標，找到深海裝置的試驗區域，利用水聲通訊設備將信號傳輸到海底，喚醒釋放器，發出釋放信號。釋放器接收信號后，打開釋放鉤，錨鏈穿過圓環使裝置，使上下兩部分分離，拋棄水泥沉錨，裝置回收部分上浮到海面，將上浮的試樣框架回收到船上，對試樣進行初步的沖淡、干燥和包裝處理，即完成深海試樣的回收，在實驗室進行詳細的分析處理。

5　結語

當前，隨著陸地資源短缺、人口膨脹、環境惡化等問題的日益嚴峻，各沿海國家紛紛把目光投向海洋，加快了對海洋的研究開發和利用，一場以開發海洋為標志的“藍色革命”正在世界范圍內興起。我國“十三五”規劃也將開展深海資源開發、建立深海空間站確立為重大科技項目。因此，開展材料深海腐蝕試驗，積累不同材料在不同深度深海環境中的腐蝕行為規律，為海洋工程裝備、潛艇等水下兵器提供基礎技術支持具有重要意義。

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Highly Efficient Bunch-style Device for Corrosion Testing in Deep Sea Environment

GUO Wei-min, SUN Ming-xian, HOU Jian, PANG Kun, QIU Ri, FAN Lin, ZHANG Peng-hui, DING Kang-kang, XU Li-kun
(State Key Laboratory for Marine Corrosion and Protection, Luoyang ship Material Research Institute, Qingdao 266101, China)

The urgent need and necessity of materials corrosion testing in deep sea environment are discussed based on marine resource exploitation and military perspectives. Corrosion testing in deep sea environment is summarized, and deep-sea corrosion testing methods developed by the United States, the former Soviet Union, India and Norway are reviewed. Luoyang Ship Material Research Institute has designed and developed the bunch-style device with high performance for corrosion testing in deep sea environment. We give the brief introduction on its structure, function, underwater static stress analysis and utilization for corrosion test. Furthermore, the importance and prospect of the deep sea corrosion testing technology for our country are also elucidated.

deep sea; corrosion; test method

2016-08-05；Revised：2016-08-12

XU Li-kun（1965—）， Male， Researcher， Research focus: deep sea corrosion.

10.7643/ issn.1672-9242.2016.05.004

TJ04；TG172.5

A

1672-9242(2016)05-0025-05

2016-08-05；

2016-08-12

郭為民（1968—），男，高級工程師，主要研究方向為材料海洋環境適應性。

Biography：GUO Wei-min（1968—）， Male， Senior engineer， Research focus: suitability of materials in sea environment.

許立坤（1965—），男，研究員，主要研究方向為深海腐蝕。