海底海纜鍍鋅鋼絲鎧裝層在模擬海水中腐蝕研究

李 金

（江蘇航運職業技術學院，江蘇 南通 226010）

0 引言

為了應對全球氣候變化，人們越來越關注可再生能源。在再生資源中太陽能和風能利用較為成熟。隨著我國風電技術的持續發展及對能源需求的增加，風電必將成為我國沿海地區可持續發展的重要再生能源來源。深海海纜是深海油氣資源開發及海上風電系統中的重要裝備［1］。

海底電纜服務環境惡劣，高鹽分的海水極具腐蝕性，本研究旨在分析海水中諸多因素對鍍鋅鋼絲鎧裝層腐蝕的影響。試樣為某公司海纜，其結構如圖1 所示，海底電纜必須要層層保護，除鯊魚等海洋生物撕咬海纜外，海纜還受到船錨、漁船拖網和自然災害的威脅，容易遭到破壞，有時也會遭到人為破壞。海底電纜鋪設環境隱蔽，目前缺少水下監控證據，一旦被人為破壞就難以修復，也很難找出罪魁禍首。海底電纜的維修是海洋工程中最大的難點之一。相對陸地上的電纜而言，海底電纜的維修時間更短，施工風險更大，受天氣、海域深度的影響顯著，維修成本遠高于陸地維修。因此，海纜材料要求結實防腐耐用，以提高使用壽命。

圖1 某公司三芯海纜的結構

1 試驗材料

試驗用鍍鋅鋼絲鎧裝層為某公司海底電纜，其鎧裝層組成材料的化學成分見表1。

表1 試驗用鍍鋅鋼絲鎧裝層的化學成分

模擬海水腐蝕試驗試樣為鍍鋅鋼絲棒，其尺寸為?6 mm× 15 mm。試驗前，用水砂紙將試樣表面從400#到1500#逐級打磨，先使用丙酮超聲波清洗10 min，然后用蒸餾水清洗，最后采用無水乙醇清洗，干燥后在電子天平上進行稱量，備用。將棒狀試樣上端圓柱表面纏繞上導線，外側用絕緣膠帶粘牢，最外側用硅膠徹底密封，防止導線與溶液接觸。其中一個底面也用硅膠密封，最終暴露出的試驗表面為圓棒試樣的一個底面，面積為28.26 mm2，然后放入黃海模擬海水溶液中。

試驗所用模擬海水溶液根據表2 配制而成，對黃海海水成分進行取樣檢測分析，結果顯示，黃海海水成分中所含主要陰離子有Cl-、SO42-和HCO3-等，其余陰離子的含量較少，可忽略不計。本次試驗主要研究陰離子對鍍鋅鋼絲的影響。因此，為了研究黃海海水中所含主要離子對鍍鋅鋼絲的腐蝕作用，根據取樣檢測分析結果配制4 種試驗溶液，分別為只含2.52×103mg/L SO42-的1號溶液，只含1.41×104mg/L Cl-的2號溶液，只含147.8 mg/L HCO3-的3號溶液和模擬海水溶液4號溶液（含2.52×103mg/L+1.41×104mg/LCl-+147.8mg/LHCO3-）。每組設置3個平行試樣，試驗在常溫（25 ℃）下進行。

表2 海水中各離子的含量

2 試驗設備

電化學試驗在型號為CS2350H電化學工作站上完成，采用標準三電極體系，三電極即對電極（CE）、鉑（Pt）電極和參比電極（RE），參比電極（RE）采用飽和甘汞電極（SCE），研究電極為海纜鍍鋅鋼絲鎧裝層。

3 試驗過程與結果

在常溫下先做試樣的開路電位，然后做交流阻抗，最后采用動電位掃描做極化曲線。1～4 號每種溶液做3組平行試樣，以此判斷試驗結果的準確性。

3.1 開路電位

鍍鋅鋼絲鎧裝在4 種不同溶液中的極化曲線如圖2 所示。由圖2 可以看出，海纜在常溫下，開路電位（相對于參比電極的電勢差）測試鍍鋅鋼絲鎧裝層試樣開始時略有下降，試驗結束前一段時間逐漸穩定。這4 種溶液中的開路電位分別為-1.031 5 V、-1.047 4 V、-0.981 5 V、-1.052 3 V。從結果來看，開路電位在4 號溶液（即混合溶液）中的數值最大，在3號溶液（只含147.8 mg/L HCO3-的溶液）中的數值最小。鍍鋅鋼絲在模擬海水溶液中最容易發生腐蝕，3 號溶液中只含HCO3-，最難發生腐蝕。模擬海水溶液是含有三種腐蝕離子的混合溶液，溶液中還會發生離子之間的相互促進作用，因此比其他三種腐蝕嚴重。

圖2 鍍鋅鋼絲鎧裝在4種不同溶液中的極化曲線

3.2 極化曲線測得的電阻

采用阻抗頻率掃描法測得鍍鋅鋼絲鎧裝在1～4號溶液中的電阻見表3。

表3 試樣在溶液中極化電阻的平均值

從表3 中可以看出，線性極化電阻從小到大依次是R4號溶液＜R2號溶液＜R1號溶液＜R3號溶液。在其他條件相同的情況下，極化電阻與腐蝕電流成反比，而腐蝕速率與腐蝕電流成正比。由此可以得出，鍍鋅鋼絲在4號溶液中腐蝕最快，在3 號溶液中腐蝕最慢。在海水環境中，鋅在最外面直接與海水接觸，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：

鍍鋅鋼絲置于海水中，表層鋅與海水接觸發生電化學腐蝕，為鋼絲提供了陰極保護。同時生成的一些腐蝕產物附著在鋼絲表面，減緩了進一步腐蝕，進而抑制了鋼絲的腐蝕［2］。

3.3 極化曲線

鍍鋅鋼絲鎧裝在4 種不同溶液中的極化曲線如圖2 所示，在25 ℃下，試樣在1～4 號溶液中的腐蝕電流密度見表4，腐蝕電流密度越大，腐蝕越嚴重，即試樣在4號溶液中的腐蝕最嚴重。由圖2可以看出，鍍鋅鋼絲在海洋環境中以電化學腐蝕為主，且在全浸區的腐蝕最嚴重。這是因為隨著腐蝕時間的延長，腐蝕產物形成膜包裹在試樣表面的厚度會增加，腐蝕速率會有所下降［3-4］。

表4 試樣在1~4號溶液中的腐蝕電流密度

4 結論

通過試驗數據得出以下結論。

①在常溫下，黃海海水中主要包含三種陰離子Cl-、SO42-和HCO3-，對鍍鋅鋼絲電化學腐蝕起主要作用的陰離子是。

②在其他條件相同的情況下，在只含有單一HCO3-的溶液中鍍鋅鋼絲鎧裝腐蝕程度最輕微，而在模擬黃海海水溶液中的腐蝕程度最為嚴重。

③鍍鋅鋼絲在海水中腐蝕是一個復雜過程，海水中除了Cl-、SO42-和HCO3-，還有其他離子及海水中的微生物等，有必要進一步開展其他因素對鍍鋅鋼絲腐蝕作用及其防護措施的研究。