海工鋼在熱帶海域長尺試驗腐蝕行為研究

張彭輝，王煒，郭為民，丁康康，范林

（1.中國船舶重工集團公司第七二五研究所 海洋腐蝕與防護重點實驗室，山東 青島 266101；2.寶鋼研究院 寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

海工鋼在熱帶海域長尺試驗腐蝕行為研究

張彭輝1，王煒2，郭為民1，丁康康1，范林1

（1.中國船舶重工集團公司第七二五研究所 海洋腐蝕與防護重點實驗室，山東 青島 266101；2.寶鋼研究院 寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

目的獲得A517Q海工鋼長尺試樣在熱帶海域的腐蝕行為。方法通過貫穿海洋大氣、飛濺、潮差和全浸區的長尺電連接試驗進行研究。結果試樣在飛濺區的腐蝕速率最高，潮差區高潮位部位的腐蝕速率大于低潮位。全浸區上部的腐蝕速率高于其下部。各區帶試樣的腐蝕形貌存在顯著差異。結論三亞海域的海浪飛濺沖刷作用較大，水溫和氣溫較高，導致A517Q長尺試樣的飛濺區腐蝕嚴重。大量的海生物附著，Cr，Mo，Mn，Ni等合金元素的添加，減緩了全浸區的腐蝕。

海工鋼；長尺；海洋環境；腐蝕

隨著海洋油氣資源開發的不斷深入，各種海上采油設備、平臺也逐漸向大型化、深水化方向發展。海工鋼作為各種海洋工程設施的主要結構材料，長期應用在海洋環境中，由于海水的強腐蝕性，會遭受嚴重腐蝕危害[1—2]，因此研究海工鋼在海水中的腐蝕行為對保證操作人員生命安全，提高海洋平臺使用壽命以及開發海洋資源具有重要意義。為研究鋼鐵在海水中的耐蝕性能，國內外開展了大量鋼材實海試驗，這些試驗多采用短尺裸材，分開投放在大氣、飛濺、潮差和全浸等區帶，各區帶試樣間并無聯系[3—5]。在實際應用中，工程設施往往是貫穿于整個海洋環境區帶，短尺試樣的腐蝕數據不能反映整體結構物的腐蝕規律。長尺試驗是采用防水導線將各區帶試樣連接在一起，其試驗結果更符合結構物實際腐蝕情況，能更真實地反映鋼材在實際使用中的腐蝕規律[6—9]。

寶鋼A517Q海工鋼以其高強度和良好的焊接性能，在海洋平臺支撐樁腿的制造中得到大量應用。為考察A517Q海工鋼在具有典型腐蝕性能的熱帶海域的腐蝕規律，文中以A517Q海工鋼為研究對象進行了長尺試驗，并對獲得的腐蝕數據進行了分析，探討其腐蝕行為，為實際應用腐蝕防護提供指導。

1 試驗方法

試驗地點在三亞海水腐蝕試驗站，地理位置處于東經109o32′，北緯18o13′，氣候類型為熱帶海洋氣候。此處的潮汐為不規則全日潮，平均潮差為0.8 m。其海水環境參數見表1。

表1 試驗地點的海水環境參數平均值

試驗用A517Q海工鋼，其化學成分如表2所示。

表2 A517Q鋼化學成分 %

試驗參照GB/T 5776—2005《金屬和合金的腐蝕金屬和合金在表層海水中暴露和評定的導則》進行，采用50 mm×60 mm×5 mm槽鋼作為試樣架，試驗材料為A517Q鋼，試樣尺寸為200 mm×100 mm×5 mm，采用丙酮除去表面油污。按標準打孔，用塑料套和鋼螺絲將試樣固定在試樣架上，試樣間距為60 mm。每個試樣架長8 m，裝30片試樣。試樣間采用防水導線聯結，導線與試樣間通過螺絲鉚接，聯結處涂覆環氧樹脂。平行試樣2組，編號SH-1，SH-2。試驗周期為0.5 a。

按照GB/T 16545—1996《金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣上腐蝕產物的清除》除去試樣的腐蝕產物，稱量，計算腐蝕速率。用三維視頻顯微鏡觀察各區帶試樣的腐蝕形貌。

2 結果與討論

2.1 腐蝕速率

A517Q長尺試樣在三亞暴露0.5 a的腐蝕速率曲線見圖1。

圖1 A517Q長尺試樣在三亞暴露0.5 a的腐蝕速率曲線

由圖1可以看出，兩組平行試樣間具有良好的重現性。由腐蝕曲線可以看出，A517Q海工鋼長尺試樣在飛濺區腐蝕速率最大，同時在潮差區上端及全浸區上端腐蝕速率也相對較高，這與其他研究者獲得的結果較為一致[6]。腐蝕速率曲線表明，長尺試樣上端處于飛濺區。

A517Q長尺試樣在三亞海域暴露0.5 a，飛濺區腐蝕速率很高，最大達0.83 mm/a。高于文獻[2]，[6]，[9]中低合金鋼實海暴露的長尺試樣飛濺區的腐蝕速率，即A517Q在三亞飛濺區試樣腐蝕嚴重。這是由于飛濺區受較大海浪飛濺沖刷作用，導致其腐蝕較快。同時已有研究表明，隨溫度由北向南逐漸升高，飛濺區試樣腐蝕加重[6]，三亞的水溫和氣溫均較高，也會加速飛濺區試樣的腐蝕。此外，由于暴露時間較短，飛濺區試樣在暴露初期腐蝕速率也會相對較快，隨著時間延長，其表面銹層增厚，銹層保護作用加強，其腐蝕速率會逐漸降低。黃桂橋對3C鋼在青島海域長尺試驗的研究表明，隨暴露時間由25 d延長至360 d，飛濺區試樣腐蝕速率降低80%以上[9]。

長尺試樣與短尺試樣腐蝕差異最明顯區域為潮差區和全浸區上部[9]。短尺試樣在潮差區由于干濕交替作用以及供氧充分等條件影響，其腐蝕速率通常會高于全浸區試樣，而長尺試樣則相反。這是由于與全浸區試樣相比，潮差區試樣供氧充分，電位較正，在全浸區與潮差區間形成宏觀氧濃差電池，潮差區試樣作為陰極得到保護[7]。由腐蝕速率曲線可看出，潮差區高潮位和低潮位試樣腐蝕速率出現分化，較高潮位試樣腐蝕速率較高，而較低潮位試樣腐蝕速率較低。這是因為高潮位試樣浸入水中的時間較短，得到保護的時間較短，露出水面的試樣得不到陰極保護，因而高潮位試樣的腐蝕速率較高。張萬靈等對長尺試樣氧濃差電池電流變化進行了研究，證實高潮位試樣和低潮位試樣受到陰極保護程度不同，保護電流峰值出現在低潮位區[8]。全浸區上部試樣由于氧濃差電池效應，其腐蝕速率相對較高，但由于潮差區較短，陰極區面積小，相比之下全浸區面積較大，其陽極溶解促進作用較小，因而全浸區上部腐蝕速率增加較少。全浸區下部試樣腐蝕速率較低。

與文獻[6]報道的腐蝕速率相比，該試驗中全浸區的腐蝕速率較低。即在三亞海域暴露的A517Q長尺試樣的全浸區并未因水溫升高而加快，原因有以下幾點：三亞海水中海生物較多（附著種類見后文），海生物生長繁殖速度快，大量海生物的附著減緩了試樣腐蝕；A517Q添加的Cr，Mo，Ni等合金元素減緩了全浸區的腐蝕。侯保榮等采用模擬外海的腐蝕試驗裝置，用長尺電連接方法研究了不同合金元素對合金鋼在不同區帶耐蝕性影響，并采用回歸分析的方法得出了不同合金元素含量與各區帶鋼材腐蝕速率之間的關系[10—11]。結果表明，Cr，Al是提高鋼材在全浸區耐蝕性能的有效元素。王相潤等[6]在我國4個海域進行的低合金鋼長尺試驗結果表明，10CrMoAl，09MnNb，20NiCuP全浸區部分的腐蝕速率均小于碳鋼[2]。這表明添加Cr，Mo，Al，Mn，Ni，Cu，P等能降低長尺試樣全浸區部分的腐蝕速率，因此A517Q中添加的Cr，Mo，Mn，Ni等元素減緩了全浸區的腐蝕。

2.2 腐蝕形貌

不同區帶試樣腐蝕形貌如圖2所示。飛濺區試樣表面生成較厚的銹層，腐蝕程度較為嚴重。潮差區試樣表面有白色產物生成，這是由于潮差區試樣在與全浸區試樣形成的氧濃差電池中作為陰極，其表面由于氧還原生成OH-，pH升高，導致海水中的鈣、鎂離子在表面發生沉積。該沉積物具有保護作用，使潮差區試樣的腐蝕速率進一步降低[7,9]。全浸區試樣表面可以觀察到大量海生物附著，附著種類以石灰蟲和藤壺為主。

圖2 長尺試樣腐蝕形貌

試樣腐蝕形貌三維圖如圖3所示，可觀察到各區帶試樣的形貌存在顯著差異。飛濺區試樣腐蝕嚴重，其表面布滿大量蝕坑，潮差區試樣的腐蝕程度均明顯輕于飛濺區，蝕坑較小。全浸區試樣的腐蝕表面較均勻，蝕坑較少。

圖3 長尺試樣微觀腐蝕形貌

3 結論

通過A517Q海工鋼在熱帶海域（三亞）的長尺試驗，獲得如下結論。

1）A517Q長尺試樣在飛濺區腐蝕速率最高，潮差區高潮位部位的腐蝕速率高于低潮位，全浸區上部的腐蝕速率高于其下部。

2）三亞海域的海浪飛濺沖刷作用較大，水溫和氣溫較高，導致A517Q長尺試樣的飛濺區腐蝕嚴重。

3）大量的海生物附著，Cr，Mo，MnNi等合金元素的添加，都減緩了A517Q長尺試樣全浸區的腐蝕。

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Corrosion Behavior of Long-size Marine Steel Samples in Tropical Sea Area

ZHANG Peng-hui1, WANG Wei2, GUO Wei-min1, DING Kang-kang1, FAN Lin1
(1.State Key Laboratory for Marine Corrosion and Protection, Luoyang ship material research institute, Qingdao, Shandong province, 266101, China; 2.Research Institute, Baoshan Iron & Steel Co., Ltd., Shanghai 201900, China)

ObjectiveTo study corrosion behavior of long-size marine steel samples namely A517Q in tropical sea area. Methods The test was made based on the simulated long-size marine steel samples under influences of marine atmosphere, splash and tidal range throughout all immersion zones.ResultsThe samples located at the splash zone corroded the fastest. Corrosion rates of samples at high tide zone were relatively higher than those at low tide zone.Corrosionrate of samples located more deeply were lower than those located more shallowly at the full-immersion zone. The micro-morphologies of marine steels varied in different zones.ConclusionThe scouring action of wave splashing in Sanya sea area is large, in combination with high water and air temperature, the corrosion of A517Q long-size samples in the splash zone is severe. Due to the sea creatures growing over the surface and the addition of alloy elements such as Cr, Mo, Mn, Ni, the corrosion of samples at full-immersion zone is retarded.

marine steel; long-size; marine environment; corrosion

10.7643/ issn.1672-9242.2017.02.015

TJ04；TG172.5

A

1672-9242(2017)02-0077-04

2016-08-10；

2016-09-12

張彭輝（1989—），男，山東煙臺人，碩士，工程師，主要研究方向為材料腐蝕與防護。