海洋環境中金屬腐蝕與防護的研究進展

宋志政　倪文杰

摘? 要：海洋是生命的搖籃，是人類重要的資源儲存庫，其面積占地球面積的71%。近年來，海洋開發已成為世界三大發展方向之一，而21世紀則將是“海洋發展的新時代”，而海洋的開發首先要面對的是惡劣而復雜的海洋環境。文章從海洋金屬腐蝕的原理、影響因素、腐蝕規律、防護技術及展望等方面來介紹海洋環境中金屬腐蝕與防護。

關鍵詞：海洋環境;金屬腐蝕;腐蝕規律;腐蝕防護

前言

金屬腐蝕是指金屬或合金在氧氣、水以及其他物質的作用下發生的腐蝕或變色，腐蝕產物一般表示為xFe₂O₃·y FeO·z H₂O。海水是一種含鹽量高的電解質溶液，金屬在海洋環境中經過各種因素的作用發生的腐蝕即為海洋腐蝕。海洋金屬腐蝕是非常普遍的，給人們帶來了巨大的經濟損失和學術困擾。隨著全球海洋戰略的發展，研究海洋環境中金屬的腐蝕規律，腐蝕的防護等有著極為重要的意義。

1.海水腐蝕原理及影響因素

1.1海水腐蝕原理

海水是高含鹽量的電解質，海水對金屬的腐蝕作用本質上是電化學反應過程。由于海水中金屬腐蝕的陽極極化阻滯小，所以腐蝕速度快;只有鎂等少數電負性較強的金屬腐蝕時產生陰極的氫去極化作用。

1.2影響海水腐蝕的因素

1.2.1鹽類及其濃度

海水中鹽類主要是NaCl，鹽度大約為32%～34%之間，水的電導率隨著水中含鹽量的增加而增大，但是DO值隨水中含鹽量增加而降低。當含鹽量較低時，隨鹽度的增加，氯離子濃度增大，使陽極反應加快，導致腐蝕速率增大;當水中含鹽量達到一定值后，金屬的腐蝕速率會隨含鹽量的增加而降低，其原因在于水中鹽度增加，DO降低。

1.2.2PH值

海水的PH范圍為7.2～8.6，影響海水PH的因素有溶解的CO₂，海洋生物的生理作用，動植物死亡后分解的碳酸鹽等，由于海水呈中性，所以對腐蝕的影響力較小。然而，在深海區PH會降低一些，不易形成碳酸鹽水垢，腐蝕速度會有所增大。

1.2.3碳酸鹽飽和度

海水中的碳酸鹽濃度一般處于飽和狀態，較易于在金屬的表面沉積而形成保護層。在出海口處，碳酸鹽不飽和，所以難以析出保護層，盡管電解本身的腐蝕性并不是很強，但腐蝕速度會加大。

1.2.4溶解氧含量

一般情況下，海水中DO值可達到12mg/L。當海水中DO值增大時，金屬的腐蝕速度會加快。波浪及綠色植物的光合作用會提高海水中DO值，海洋生物的呼吸作用以及微生物的分解作用會降低DO值，污染海水中溶解氧含量會大大降低，DO值也會隨海水深度的不同而有相應的變化。

1.2.5溫度

金屬的腐蝕速率隨溫度的升高而加快。通常情況下認為海水溫度每升高10℃，金屬腐蝕速率變為原來的兩倍。但海水中的溶解氧含量會隨溫度的升高而降低，使金屬的腐蝕速率降低。鐵、銅及其合金在炎熱的環境中海水腐蝕速度較大。

1.2.6流速

隨著流量的增大海水的腐蝕速率增加。對于鈦、鎳合金和高鉻不銹鋼等能在海水中鈍化的金屬而言，一定的流速可以促進它們的鈍化，從而提高了其耐腐蝕性能。

1.2.7海洋生物

海洋生物會在船舶和海洋建筑等的表面留下縫隙，導致縫隙腐蝕。除此之外，微生物產生的NH₃、H₂S和CO₂等腐蝕性物質，硫酸鹽還原菌產生的O₂等均能夠加快金屬的腐蝕。

2.海洋腐蝕規律

海洋腐蝕環境研究主要是從環境角度來考察海洋環境下材料的腐蝕程度問題。海洋腐蝕環境一般包括以下五個腐蝕帶區。

2.1大氣區

海鹽微粒和陸地大氣是該區域的主要影響因素。大氣區中，干燥的金屬表面與含鹽濕膜在一定時間內交替變換，最終形成物理和電化學作用加快金屬的腐蝕速率。

2.2飛濺區

海水的飛濺導致金屬表面經常處于潮濕狀態，而且表面的氧氣充足，陽光的照射又可以提高海水的溫度，這就形成了海洋腐蝕中最好的腐蝕條件，因此飛濺區也是海洋腐蝕最嚴重，破壞性最大的區域。

2.3潮差區

潮差區中水線上方的金屬比下方的金屬供氧充足，兩者構成一個回路，富氧的潮差區為電池的陰極，缺氧的區域為電池的陽極，形成了一個大型的氧濃差腐蝕電池。所以，潮差區的金屬由于陰極保護作用而腐蝕速率最慢。

2.4全浸區

全浸區中，淺海的腐蝕速率往往比大氣腐蝕快，而深海區由于溶解氧含量以及水溫低的原因，腐蝕速率較緩慢。

2.5海泥區

海泥區受海水的影響小，受硫酸鹽還原菌等微生物作用影響大，由于該區域溫度低，DO值小，所以設備腐蝕程度輕，在海流作用交界處會發生一定的腐蝕作用。

3.海水腐蝕的防護措施

3.1選用合適金屬材料，研制新型防腐材料

海洋設施中最常用的是鋼鐵材料，鈦、鎳、銅合金在海水中的耐腐蝕性能好，但因成本高而只用于設施的部分關鍵部位。鋼鐵材料的牌號多種多樣，使用時應進行合理的選擇和搭配。

3.2涂層保護

涂層防護是金屬材料在海洋環境中防腐蝕最常用的方法，涂層材料主要有防銹涂料和防生物污染涂料等。

3.3電化學保護

電化學保護有陽極保護法和陰極保護法兩大類。陽極保護法是基于金屬鈍化原理，對金屬材料通過陽極極化電流，在表面形成耐腐蝕的鈍化膜來降低金屬腐蝕速率的保護措施。陰極防護法常用于海水全浸區的金屬防腐，主要有外加電流的陰極防護法和犧牲陽極的陰極防護法。

4.展望

隨著“一帶一路”、“海洋強國”等戰略政策的提出及實踐，我國對海洋的開發力度正在逐漸加大，世界各國也在加快海洋建設的步伐。但是現有的防腐技術在復雜的海洋環境腐蝕環境中仍有一些缺點和不足，“海洋開發新時代”的到來必然會加快海洋防腐研究的進一步發展，促進人類經濟、社會的發展。

參考文獻

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作者簡介：宋志政（1998-），男，山東淄博人，現于山東科技大學化學與環境工程學院攻讀學士學位，主要從事環境工程相關的專業研究。