深海光電復合纜中的鍍鋅鋼絲使用壽命淺談

付長琦　蔡紅祥　鄭大白　王偉　潘賢清

[摘要]深海光纜敷設深度超過2000m，纜中的鍍鋅鋼絲主要發生電化學腐蝕。本文通過介紹腐蝕原理以及深海光電復合纜結構來分析鍍鋅鋼絲使用壽命情況。

[關鍵詞]鍍鋅鋼絲 海光纜 使用壽命

材料受周圍介質的作用而遭受的變質或損壞叫做腐蝕。材料包括金屬和非金屬，如鋼鐵、不銹鋼、有色金屬和塑桿、混凝土、木材。

周圍繞環境介質指材料所處的溫度、壓力、應力、光照、輻射、生物條件、固液氣態介質。對材料的作用包括化學的、電化學的、機械的、生物的以及物理的作用。

金屬腐蝕按原理分，可分為化學腐蝕以及電化學腐蝕。通常金屬材料與外界介質發生化學反應而損壞的現象叫做化學腐蝕，這只是一種單純化學作用，不產生電流。而電化學腐蝕過程中通常伴有電流產生。我司的深海光電復合纜能夠敷設在海底2000米的深海中，其外層鎧裝鋼絲發生的腐蝕一般是電化學腐蝕。

一、鍍鋅鋼絲的電化學腐蝕過程及基本原理

將鍍鋅鋼絲置于海水中，其發生的電化學腐蝕一般經過以下4個步驟：

（1）鍍鋅層完整地覆蓋于整個鋼絲基體，鍍層發生腐蝕；

（2）鍍層發生部分破壞，鋅作為犧牲陽極對鋼絲基體提供陰極保護；

（3）鍍鋅層全部破壞，鋼絲基體開始腐蝕，鋅的腐蝕產物抑制腐蝕過程；

（4）鋼絲基體發生快速腐蝕。

在海水環境中，鋅層最先發生電化學腐蝕。在陰極區，其腐蝕的電化學反應如下：

Zn→Zn⁺+2e

在海水腐蝕下，電解液中含有大量的C1^-，在陽極區發生反應：

5Zn⁺+2Cl^-+8H₂O→Zn（OH）₈Cl₂+8H⁺

鍍鋅鋼絲置于海水中，其先與海水接觸發生電化學腐蝕，為鋼絲提供了陰極保護。同時生成的腐蝕產物附著鋼絲表面，減緩了進一步的腐蝕，同時抑制了鋼絲的腐蝕。

二、鍍鋅鋼絲在海水中的使用壽命

整個海洋環境主要分為五個區：海洋大氣區，海洋飛濺區，海水潮差區，海水全浸區，海底泥土區。這五個區的腐蝕均隨海水溫度的升高而加重。海底泥土區含有大量沉淀物，含鹽量高，具有較好導電特性，泥土成為良好電解質，此外，這個區的含氧量低，易生長厭氧的硫酸鹽還原菌等細菌，對金屬造成腐蝕，但和其他四區相比，泥土區腐蝕程度較輕，而我司的深海光電復合纜敷設在海底2000m處，正是處于海底泥土區，而這個深度的海水常年溫度在1℃～2℃，溫度偏大低，因此相對于海洋的其他位置，此光電復合纜敷設的地方腐蝕相對較輕。

根據以前的研究，碳鋼在海水中的腐蝕遵循以下關系：

D=A+k（t-1）

其中D為碳鋼的平均腐蝕深度（mm），t為暴露時間，A為碳鋼在海水中暴露第一年的平均腐蝕速度，k為碳鋼在海水中暴露的穩定腐蝕速度（大到在0.05mm/a-0.13mm/a）。據研究，A范圍為0.1～0.22。

以鍍鋅鋼絲的直徑為3.23為例，經粗略計算，表面的鋅層厚度大概為0.07mm，因此鍍鋅鋼絲內部鋼的直徑為3.09。

利用腐蝕公式：D=A+k（t-1），其中A取中間值0.16，k也取中間值O.09mm，可計算得t約為17。因此，若將直徑3.09，未鍍鋅的鋼絲直接置于海中，需要17年才能腐蝕完。鋼絲表面鍍有0.07mm的鋅層，這鋅層為鋼絲提供了陰極保護，同時鋅層的電化學腐蝕產物附著在鋼絲表面，形成致密均勻的氧化膜，阻止了外界離子向鍍鋅層的擴散，一定程度上減緩了鍍鋅層的腐蝕，使得鋼絲不易發生電化學腐蝕，從而減緩了鋼絲的腐蝕速度。

以上的分析是將鍍鋅鋼絲直接與海水接觸得到的，但實際中，一般鋼絲外層繞有雙層PP繩，同時涂覆有瀝青，這有效得杜絕了鋼絲與海水的直接接觸，大大減輕了電化學腐蝕的發生條件，使得鍍鋅鋼絲更加不易發生電化學腐蝕，腐蝕速度將減少50%以上，因此由以上原因分析可推斷，鍍鋅鋼絲的壽命起碼可以翻倍，超過30年。

三、結論

金屬腐蝕可分為化學腐蝕以及電化學腐蝕。我司研究的深海光電復合纜敷設深度可達海底2000m，其結構中的鍍鋅鋼絲主要發生電化學腐蝕。了解鍍鋅鋼絲的一些參數（如直徑，鋅層厚度），利用腐蝕公式：D=A+k（t-1），可計算出鍍鋅鋼絲直接與海水接觸后的使用壽命，并推斷出光電復合纜中的鍍鋅鋼絲的使用壽命。

以3.23的鋼絲為例，鍍鋅鋼絲與海水直接接觸，使用壽命為17年；而光電復合纜中，鍍鋅鋼絲使用壽命將超過30年。