熱帶濱海景觀設施的腐蝕特征及其影響因素簡析

容宇媚，張際標，2，陳春亮，鄧培昌，胡杰珍

（1.廣東海洋大學 a.化學與環境學院 b.分析測試中心 c.機械與動力工程學院，廣東 湛江 524088；2.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（湛江），廣東 湛江 524000）

熱帶濱海地區大氣具有高溫、高濕、高鹽霧的熱帶氣候環境特點，是金屬材料和設施遭受大氣腐蝕破壞的重災區。隨著我國經濟社會的高速發展和人民生活水平的快速提升，民眾對健身和娛樂的需求日益旺盛，為此濱海地區健身、游樂和觀賞設施的數量和規模均得到快速的發展。由于對各類金屬設施在熱帶海洋環境中的腐蝕狀況知之甚少，濱海景觀設施的選材和維護長期依賴經驗，導致大量的景觀設施由于腐蝕破損而快速喪失其娛樂和景觀功能，甚至釀成重大安全事故。

目前，國內對濱海地區設施腐蝕方面的研究集中在某一種或幾種金屬及其合金材料的腐蝕狀況、腐蝕規律以及防腐蝕措施和防腐技術等方面。例如濱海地區大氣環境下金屬工藝材料腐蝕行為[1-3]、濱海地區輸電鐵塔、海上風電塔架[4-6]、現場機械設備[7]及電廠鋼結構[8-9]等防腐蝕研究。國外對濱海地區大氣腐蝕的研究主要涉及金屬設施腐蝕失效的預測方法[10]、金屬腐蝕機理[11-12]、模擬金屬及合金的腐蝕行為[13]、金屬及合金熱噴涂層的防護性能[14-16]等。影響腐蝕的環境要素有多種，學者們通過研究各類設施在海洋大氣環境下的腐蝕特征，認為Cl–、SO42–、濕度以及塵粒是濱海地區大氣腐蝕的主要因素[17-23]。

綜上所述，國內外對濱海地區設施腐蝕方面的研究多以某一種或一類金屬及其合金材料為研究對象，探討其腐蝕行為，對濱海城市景觀設施在熱帶海洋環境中的總體腐蝕狀況的調查及研究很少。為此，文中以廣東省3個典型熱帶濱海城市（湛江、珠海和深圳）為調查目標，圍繞各類濱海景觀設施展開大氣腐蝕調查，以了解濱海景觀設施的腐蝕狀況，探尋影響景觀設施大氣腐蝕的主要環境因素，為濱海景觀設施的設計和選材、養護及安全管理提供技術支持。

1 材料和方法

1.1 調查地點

在湛江選取了3個調查地點，分別為湛江海濱公園（Zhanjiang Seashore Park，ZJSP）、金沙灣（Jinsha Bay，JSB）和東海島龍海天浴場（Longhaitian Bath，LHTB）；在珠海選取了5個調查地點，分別為珠海海濱公園（Zhuhai Seashore Park，ZHSP）、景山公園（Jingshan Park，JSP）、野貍島公園（Yelidao Park，YLDP）、珠海大劇院（Zhuhai Grand Theatre，ZHGT）和格力海岸海濱公園（Gree Coast Seashore Park，GCSP）；在深圳選取了6個調查地點，分別是深圳灣公園（Shenzhen Bay Park，SZBP）、深圳灣運動公園（Shenzhen Bay Sports Park，SZBSP）、深圳人才公園（Shenzhen Talent Park，SZTP）、女媧海濱公園（Nuwa Seashore Park，NWSP）、東和公園（Donghe Park，DHP）和鹽田區海濱健身廣場（Yantian District Seashore Fitness Plaza，YTSFP）。各熱帶濱海城市的具體調查位置分布如圖1所示。

圖1 廣東省三個調查城市所在位置和調查站位分布Fig.1 Survey sites and stations of three cities in Guangdong province: a) location of three survey cities in Guangdong province; b)survey stations in Zhanjiang city; c) survey stations in Zhuhai city; d) survey stations in Shenzhen city

1.2 調查內容

本次調查的內容包括每個調查點的經緯度、各設施距海岸線的距離、設施腐蝕部位、腐蝕類型以及腐蝕程度。參考Champion的腐蝕標準樣圖，根據單位面積中腐蝕面積的大小，將腐蝕面積和尺寸定義為：極微小（0.0006 cm2）、微小（0.003 cm2）、小（0.016 cm2）、中（0.08 cm2）、較大（0.4 cm2）、大（2.0 cm2）和很大（10.0 cm2）等7種類型。根據這一標準，定義每個設施被腐蝕的程度，并比較了設施向海面和背海面腐蝕狀況的差異。

在湛江3個站位中，調查了47種設施；在珠海5個站位中，調查了55種設施；在深圳6個站位中，調查了66種設施。將調查的金屬設施分為游樂設施、體育健身設施、美化設施（鋼雕、銅雕等）、休息設施（長椅、凳子）、公共衛生設施（垃圾桶）、信息設施（導向牌、警示牌等）、服務設施和交通設施等8大類。各個城市中所調查的設施類型及各類設施的占比情況如圖2所示。據圖2顯示，三個城市調查的設施以游樂和體育健身設施為主，其中珠海的景觀設施中游樂設施占據很大的比例。

圖2 湛江、珠海、深圳三個城市調查的各類景觀設施占比情況Fig.2 Type proportions of landscape facilities surveyed in three cities of Zhanjiang, Zhuhai and Shenzhen

1.3 調查分析方法

調查分析方法分為宏觀調查、微區檢查方法和數據處理方法。宏觀調查中，每個調查站位的經緯度用GPS定位儀定位，并記錄。每種設施離海岸線的距離在高清衛星地圖下載器（BIGEMAP）上定位，并測定。用肉眼和高清相機（Nikon 1J5）觀察各景觀設施的微區腐蝕狀態、類型和受腐蝕部位，并借助軟尺測量計算腐蝕的面積。最后根據Champion的標準圖譜法計算設施腐蝕面積的大小，定義設施表面腐蝕的程度。

各城市調查站位圖用ARCGIS制作，用excel進行數據統計和分析，并用Origin繪制各數據變化圖。

2 結果與分析

2.1 廣東省濱海景觀設施的主要腐蝕類型

廣東省濱海景觀設施表面主要以涂層和金屬材料自身的致密氧化膜保護層作為防腐措施（見圖3）。除此之外，珠海及深圳的設施還采取了部分其他防腐蝕措施。例如在珠海調查的旋轉飛椅類游樂設施中，有鋼鏈連接部分包裹了塑料保護層，在深圳調查的游樂設施中，有螺絲釘連接部位均在螺絲釘表面套上一個膠帽，使螺絲釘隔絕大氣環境。通過對比可知，珠海和深圳的景觀設施的防腐蝕措施比湛江多。

圖3 3個熱帶濱海城市景觀設施防腐蝕的措施Fig.3 Anti-corrosion measures of landscape facilities in three tropical cities: a) Zhanjiang; b) Zhuhai; c) Shenzhen

通過調查統計3個城市各類設施的腐蝕類型，發現全面腐蝕、磨損腐蝕、縫隙腐蝕、焊縫腐蝕及點蝕是常見的腐蝕類型。其中縫隙腐蝕和焊縫腐蝕發生在各類型設施內；而磨損腐蝕主要存在于游樂設施和體育健身設施中；全面腐蝕出現頻次較小，只在湛江調查站位中25%的美化設施、50%的交通設施和珠海調查站位中25%的美化設施中出現，如圖4a—c所示。根據統計分析3個調查城市中景觀設施出現不同腐蝕類型的頻次（見圖4d）可知，湛江、珠海及深圳的景觀設施發生縫隙腐蝕的頻次分別是63.8%、61.8%、74.2%，發生焊縫腐蝕的頻次分別是53.2%、56.4%、50%，可見縫隙腐蝕和焊縫腐蝕景觀設施的主要腐蝕類型。由于設施的連接形式多樣及設施接地安裝的緣故，設施發生縫隙腐蝕和焊縫腐蝕的部位主要存在于設施的凹槽部位、鑲嵌部位、鋼材轉折部位、構件連接部位、焊接部位、與地面連接部位等易遭受腐蝕的脆弱部位；磨損腐蝕主要出現在有軌道滑行類游樂設施的軌道表面、體育健身設施扶手、腳踏部位；點蝕主要出現在設施表面。

圖4 3個熱帶濱海城市景觀設施發生腐蝕的類型和頻次Fig.4 Corrosion types and occurrence frequency of landscape facilities in three tropical coastal cities: a) Zhanjiang; b) Zhuhai; c)Shenzhen; d) occurrence frequency of different types of corrosion in three cities

2.2 離海不同距離景觀設施的腐蝕特征

根據Champion的腐蝕標準樣圖，定義了景觀設施腐蝕程度的類型：極微小（0.0006 cm2）、微小（0.003 cm2）、小（0.016 cm2）、中（0.08 cm2）、較大（0.4 cm2）、大（2.0 cm2）和很大（10.0 cm2）。通過比較3個調查城市的景觀設施腐蝕程度與離海距離遠近的關系（見圖5a—c）可知，在0~100 m、101~200 m、201~300 m等3個離海距離范圍內，湛江、珠海及深圳的景觀設施發生很大面積腐蝕的平均比例分別是7.2%、2.8%、0%；發生大面積腐蝕的平均比例為分別是27.7%、5.6%、23.8%；發生較大腐蝕面積的平均比例分別是10.6%、25%、4.8%。3個城市的景觀設施發生很大面積腐蝕的平均比例隨著離海距離的增大而減小，發生大及較大面積腐蝕的平均比例隨著離海距離的增大先增大再減小。

統計3個城市景觀設施腐蝕程度的占比情況（圖5d）可知，湛江、珠海、深圳的景觀設施發生很大面積腐蝕的比例分別是12.8%、1.8%、0%；發生大面積腐蝕的比例分別是42.6%、20%、4.5%；發生較大面積腐蝕的比例分別是17%、18.2%和9.1%。根據3個城市腐蝕程度的占比情況，認為湛江發生大面積的腐蝕程度的比例比珠海及深圳高。

圖5 3個濱海城市景觀設施腐蝕程度與離海遠近的關系Fig.5 Relationship between facility corrosion and distance from the sea in three coastal cities: a) Zhanjiang; b) Zhuhai; c)Shenzhen; d) proportion of corrosion types in three cities

對比總結3個城市的景觀設施的腐蝕特征，認為景觀設施的腐蝕程度具有隨著離海距離的增大而減小的趨勢。3個城市景觀設施的腐蝕程度有所區別，表現為湛江的景觀設施腐蝕程度比珠海和深圳大。

2.3 不同向海方向下景觀設施的腐蝕特征

通過對比景觀設施朝海面和背海面腐蝕面積的差異，統計分析了3個城市14個調查站位的景觀設施朝向的腐蝕狀況，如圖6所示。可以看出，湛江市的3個調查站位中，景觀設施向海面出現大面積腐蝕的概率更高，湛江海濱公園（80%）、龍海天浴場（85.7%）、金沙灣（93.8%）的景觀設施向海面腐蝕面積比背海面大。珠海市的5個調查站位中，有66.7%的景觀設施向海面和背海面的腐蝕面積大小無明顯差異，其余4個調查站位的景觀設施向海面出現大面積腐蝕的比例更高。深圳市的6個調查站位中，有2個站位的景觀設施向海面出現大面積腐蝕比例高，分別為深圳灣公園調查的所有景觀設施和深圳灣運動公園中84.6%的景觀設施；有3個調查站位中景觀設施向海面和背海面的腐蝕面積大小無明顯差異的比例高，分別為深圳人才公園（53.8%）、女媧海濱公園（70%）、東和公園（100%）。

圖6 景觀設施腐蝕程度與朝向的關系Fig.6 Relationship between corrosion degree and orientation of landscape facilities

通過分析3個城市景觀設施腐蝕程度與朝向及離海遠近的關系（見圖7），了解到景觀設施在0~100 m、101~200 m、201~300 m、301~400 m、401~500 m的距離范圍內，向海面腐蝕面積比背海面大的比率分別是79.2%、68.8%、53.3%、35.3%、0%，向海面和背海面腐蝕面積無明顯差異的比率分別20.8%、25%、33.3%、58.8%、100%。認為向海面腐蝕面積大的比率隨著離岸距離的增大而減小，而景觀設施向海面和背海面腐蝕面積無明顯差異的比率隨著離岸距離的增大而增大。匯總14個調查站位的景觀設施在不同向海方向下的腐蝕特征，認為景觀設施發生向海面腐蝕大的概率更高，且隨著離海距離的增大而減小。

圖7 3個城市景觀設施腐蝕程度與朝向、離海遠近的關系Fig.7 The relationship between the corrosion degree of landscape facilities and their orientation, distance from the sea in three cities

3 影響濱海景觀設施腐蝕的環境因素簡析

氣象要素和污染物是主要的大氣腐蝕影響因素。氣象因素包括溫度、相對濕度、表面濕潤時間、降雨和光照等。大氣污染物包括SO2、海鹽粒子（Cl－）、NOx、H2S、NH3、無機物和有機物塵埃等[20]。為此，結合調查城市的相對濕度、大氣污染物濃度與設施的腐蝕狀況，分析熱帶濱海大氣環境要素對景觀設施的腐蝕影響。

3.1 相對濕度

相對濕度是影響金屬大氣腐蝕的重要因素之一。大氣中相對濕度越大，空氣中所含的氣態水達到飽和而凝結成液態水附著在金屬表面結露越容易，產生冷凝作用越明顯，腐蝕速率也相應增加[20]。根據國家氣象信息中心的歷史氣候背景[24]，可獲得湛江、珠海和深圳1981—2010年的累年各月平均相對濕度（見圖8），其中湛江的年平均相對濕度為81.33%，珠海約為79.75%，深圳約為74.92%。每種金屬都有發生腐蝕的臨界相對濕度，如碳鋼的腐蝕臨界相對濕度值約為65%[21]。當金屬表面液膜溶解有其他腐蝕性介質時，金屬發生腐蝕的臨界相對濕度會下降。3個城市的年平均相對濕度都在70%以上，其中，湛江和珠海屬于潮濕型環境（RH＞75%），金屬設施在潮濕環境下的腐蝕速率增加，這與圖5d中湛江和珠海景觀設施的腐蝕程度比深圳大的結果相一致的。

圖8 湛江、珠海和深圳1981年到2010年的月平均相對濕度Fig.8 Monthly average of relative humidity in different coastal cities of Zhanjiang, Zhuhai and Shenzhen from 1981 to 2010

3.2 大氣污染物含量（Cl–、NOx、SOx）

依據大氣中含有的腐蝕性介質種類，可以把大氣環境分為2類[23]，即含有Cl－的海岸大氣以及含有SO2的工業大氣。我國的整個東南沿海經濟區，已發展為既含有Cl－又含有SO2的工業-海岸大氣區[25]。文中調查的湛江、珠海和深圳處于東南沿海經濟區內，濱海設施受到工業環境因子和海洋環境因子的共同影響。

1）工業大氣腐蝕性因子。工業大氣腐蝕性因子包括SO2、SO3和NH3等，以SO2為主[26]。在工業大氣污染中，SO2影響腐蝕的機理為：SO2被薄液膜吸附形成 H2SO3，進而被氧化成H2SO4[25]，H2SO4是強酸，具有強腐蝕性，會促使活潑的金屬溶解，使金屬的腐蝕速率增大。氮化物的主要腐蝕性成分為NO2–。有研究表明[27]，當NO2–濃度足夠高時，能使鋼筋表面形成完整的鈍化膜，起到保護作用；用量不足時，可能使鋼筋表面形成小陽極、大陰極的腐蝕電池，反而加速金屬腐蝕。根據2014—2018年湛江、珠海和深圳等官方環境質量報告（表1—3）可知，湛江的SO2濃度（11.2 μg/m3）比珠海（8.6 μg/m3）和深圳（8.0 μg/m3）略高，而珠海（31.2 μg/m3）和深圳（32.0 μg/m3）的NO2濃度大約是湛江（15.4 μg/m3）的2倍。

表1 湛江市2015—2018年污染物含量Tab.1 Pollutant content in Zhanjiang city from 2015 to 2018 μg/m3

2）海岸大氣腐蝕性因子。海岸大氣中的腐蝕性因子主要是氯離子的含量。海鹽中的Cl－會引起金屬鈍化膜破裂，溶于液膜中形成強腐蝕介質。當其濃度超過氯離子的臨界濃度時，發生點蝕，促進陽極溶解過程[28-29]。有研究表明[30-31]，熱帶海島大氣中氯離子沉降速率較大，隨著離海距離的增加，鹽霧的濃度及沉積速率均會下降。

表2 珠海市2015—2018年污染物含量Tab.2 Pollutant content in Zhuhai city from 2015 to 2018 μg/m3

表3 深圳市2015—2018年污染物含量Tab.3 Pollutant content in Shenzhen city from 2015 to 2018 μg/m3

結合大氣污染物腐蝕影響機制及濱海景觀設施腐蝕特征分析，認為湛江的濱海景觀設施發生腐蝕程度大的比例更高，可能與湛江大氣環境中相對濕度高、SO2含量較高和含量較低有關。根據設施腐蝕程度與距離海岸遠近的關系分析可知，隨著設施離海岸距離的增大，設施腐蝕程度較小，這一規律與Cl－隨著離海岸距離的增大，沉降速率減小相一致[22]，認為Cl－是影響設施腐蝕程度的一個重要因素。

4 結論

通過對廣東省3個熱帶濱海城市的景觀設施開展腐蝕特點調查和統計分析，獲得了濱海景觀設施在熱帶大氣環境中的主要腐蝕特征：

1）熱帶濱海景觀設施易遭受海洋大氣腐蝕，腐蝕主要分布在焊接部位、螺絲釘連接部位、凹槽部位、有縫隙的部位、鑲嵌部位、鋼材轉折部位、構件連接部位、與地面連接部位等腐蝕脆弱部位，其中景觀設施發生縫隙腐蝕的頻次平均為66.6%，焊縫腐蝕的頻次平均為53.2%，二者是景觀設施腐蝕的主要類型。

2）景觀設施的腐蝕程度與景觀設施離海距離、朝向有緊密的聯系。隨著離海距離的增大，腐蝕程度減小，向海面和背海面腐蝕程度無差異的比率增大。

3）相對濕度、大氣污染物含量影響腐蝕的規律與景觀設施腐蝕程度的結果相對應。相對濕度及大氣污染物含量越高，腐蝕程度越大，認為相對濕度及大氣污染物含量是影響熱帶濱海景觀設施腐蝕狀況的重要環境要素。