海水腐蚀特点及防护措施

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：表2-2海水的主要成分海水的腐蚀特点与大量Cl-离子的存在有关，如碳钢在海水中不能钝化，因此不能采用阳极保护的方法。海水中的溶氧量海水中的溶氧量是海水腐蚀的重要因素，大多数金属在海水中进行氧去极化腐蚀，其腐蚀速度由这一阴极过程控制。全浸区此区就是一般海水的腐蚀情况。但海水中的电偶腐蚀可达30m以上。海水中易发生孔蚀、缝隙腐蚀和垢下腐蚀。

海洋约占地球总面积的70%，海水是自然界中数量最大且具有很强腐蚀性的天然电解液。由于海洋中有波浪运动、浪花飞溅、泥沙冲击及海洋生物的存在等，金属在海水中的腐蚀比在含同样盐分的电解液中的情况要复杂得多，尤其是近年来海水污染加剧，使得海水腐蚀的问题更为突出。

1.海水的性质

海水是一种复杂的多种盐类的平衡溶液，其中又含有生物、悬浮泥沙、溶解气体和腐败有机物等，因此有许多独特的性质。

（1）海水是典型的腐蚀性电解液　海水中含有大量以NaCl为主的盐类。海水的主要成分见表2-2，由表中可以看到，海水中氯化物含量占总盐量的88.7%。由于它们易于电离，使海水中Cl-离子含量很高，且使海水具有很高的电导率，其电导率为2.5×10^-2～4×10^-2S/cm，是河水的200倍。

表2-2　海水的主要成分

海水的腐蚀特点与大量Cl-离子的存在有关，如碳钢在海水中不能钝化，因此不能采用阳极保护的方法。

（2）海水中的溶氧量　海水中的溶氧量是海水腐蚀的重要因素，大多数金属在海水中进行氧去极化腐蚀，其腐蚀速度由这一阴极过程控制。

表层海水由于表面广阔又有海浪的搅拌作用，因此溶氧量接近饱和，其浓度约为8mg/kg。

海水中的溶氧量随温度的升高而下降，也随盐度的升高而下降。随着海水深度的增加，含氧量不断下降，海平面下约800m处含氧量达到最低值，再往下去，含氧量又逐渐增加，在水深1500m处，含氧量比水面处还高，这是因为深海海水温度较低和压力较高的缘故。金属在深海中往往遭到更为严重的腐蚀与含氧量较高有关。

（3）海水的pH值　海水是接近中性的电解液，pH值为7.5～8.5，通常为8.1～8.3。如果植物非常茂盛，CO₂减少，溶氧量上升10%～20%，pH值可接近9.7。如果在厌氧性细菌繁殖的情况下，氧溶量低，而且含有H₂S，则pH值低于7。

（4）生物活性强　当金属浸入海水中几小时后便附着一层生物黏泥（活的细菌及其他微生物），然后又吸附了其他固着生物，如藤壶、牡蛎、珊瑚、海藻、硅质海绵等。海洋生物对金属腐蚀的影响主要表面在：①新陈代谢分泌出有机酸、NH₄OH、H₂S等腐蚀性介质；②由于光合作用放出氧气，形成局部氧浓差腐蚀电池；③破坏表面油漆层，形成局部腐蚀电池等。

2.海洋环境各区的腐蚀特点

（1）海洋大气区　海洋大气区存在海风盐雾，特别是MgCl₂有很强的吸湿性。太阳辐照强，有光敏腐蚀，也有利于真菌等生物的生长，促进腐蚀。由于雨水的冲刷作用，所以阴面比阳面的腐蚀更加严重。

图2-2　钢桩在海水中暴露受腐蚀示意图

（实线为钢桩试验，虚线为单独试片试验）

（2）浪花飞溅区　在水面上0.3～1m处，腐蚀最为严重，如图2-2所示。

由于海浪冲击，表面保护膜或覆盖物易被冲走。钢桩表面处于润湿状态，氧透过极为容易，因此腐蚀速度比全浸区快3～5倍甚至10倍。但易钝化金属如不锈钢、钛等在飞溅区易钝化。

（3）潮汐区　潮汐区相当于间歇沉浸的情况。潮汐区的含氧量丰富，所以潮汐区金属相对于全浸区来说成为氧浓差电池的阴极，因此该区受到全浸区的阴极保护。同时海水中的Ca²⁺、Mg²⁺盐在潮汐区的干湿交替中能形成一层有一定保护作用的覆盖层，所以腐蚀速度不快。

如果是单独试片试验（图2-2），因为潮汐区的试片受不到全浸区的阴极保护，因此腐蚀速度较快。

（4）全浸区　此区就是一般海水的腐蚀情况。

（5）淤泥区　一般腐蚀速度较慢，因为O₂供应不足。但如有硫酸盐还原菌存在时，腐蚀将加速。

3.海水腐蚀的主要形式

（1）电偶腐蚀　海水是极好的电解质，电导率高，因此很容易发生电偶腐蚀。在大气腐蚀中，电偶腐蚀只能在一个范围内发生，离两种金属的连接处不超过2cm。但海水中的电偶腐蚀可达30m以上。所以当涂层有缺损时，由于大阴极小阳极的腐蚀电池，可以很快造成穿孔。但因为同一个原因，海水中非常适合采用牺牲阳极保护。

（2）孔蚀和缝隙腐蚀　Cl^-离子是孔蚀源，能破坏金属的钝化膜，引起孔蚀。垫圈、铆钉以及海生物寄生等都能造成缝隙，因而引起缝隙腐蚀。海水中易发生孔蚀、缝隙腐蚀和垢下腐蚀。

（3）磨损　夹带泥沙的海水的高速游动，可以引起冲刷腐蚀、冲击腐蚀和空泡腐蚀。

4.海水腐蚀的影响因素

（1）盐类及浓度　海水中盐类总量为3.5%～3.7%，但不同海域含盐量不同，如地中海、红海等半封闭海域中含盐量可达4.0%，而江河出海口处含盐量就较小。通常海水中含盐量越高，海水腐蚀速度越快，局部腐蚀倾向越大。

（2）溶氧量　氧是海水腐蚀的阴极去极化剂，而海水腐蚀又是阴极控制型的电化学腐蚀，显然海水中溶氧量越高，腐蚀速度越大。海水中溶氧量除与海水深度有关外，还与海洋生物有密切的关系，海洋植物的光合作用使深层海水中溶氧量增高，而海洋动物新陈代谢及尸体分解又消耗了氧。

（3）温度　海水温度越高，腐蚀速度越快。海水温度每升高约10℃，腐蚀速度将增加一倍。海水温度与季节、纬度、海洋暖流及海水深度等有关。

（4）海水流速（与金属的相对运动）　通常海水流速加快，氧的扩散速度提高，海水腐蚀就会加剧。当流速很高或与金属构件（如船舶螺旋桨）相对运动速度很大时，很容易引起冲蚀或空泡腐蚀。

（5）海洋生物　海洋生物的活动会改变海水中溶解氧的分布，从而影响海水腐蚀，海洋动物的生存及尸体分解会释放出CO₂和H₂S，会加速海水腐蚀。特别是许多海洋生物附着于金属表面破坏金属的表面保护层或与金属表面形成缝隙，均会促进金属的腐蚀过程。

5.金属在海水中的腐蚀

（1）碳钢、低合金钢和不锈钢

1）碳钢。碳钢在静止海水中全浸时的腐蚀速度约为0.125mm/a，在飞溅区的腐蚀速度要比全浸区快5～10倍。碳钢在高温轧制时形成的脆裂的氧化皮，在海水中能作为阴极去极化剂，因而加强了阴极过程，加速了腐蚀。由于与阴极相比，阳极的面积小得多，因此腐蚀向深处发展，形成小坑。

2）低合金钢。低合金钢对海洋大气有很高的耐蚀性，因为它能生成一层紧密附着的细晶粒锈层，但在全浸时的腐蚀速度仍与碳钢相类似，为0.06～0.15mm/a。

3）不锈钢。不锈钢在海水中均匀腐蚀的速度比碳钢要小得多，但小孔腐蚀的速度却大得多。厦门海水中不锈钢与碳钢的腐蚀速度见表2-3。

表2-3　厦门海水中不锈钢和碳钢的腐蚀速度

①此牌号在新标准中已取消。

含Mo不锈钢能提高抗氯离子破坏的能力。不锈钢对缝隙腐蚀也很敏感。

（2）Cu及Cu合金　Cu及Cu合金在海洋环境中能生成一层保护膜，常作为耐海水腐蚀用材料。

在海洋大气中，Cu和Cu合金的腐蚀速度很低，为0.0003～0.0043mm/a，腐蚀产物为碱式硫酸铜、碱式氯化铜和碱式碳酸铜。飞溅区的腐蚀与海洋大气区相类似。潮汐区的腐蚀速度为全浸时的20%～60%，全浸时Cu的腐蚀速度为0.013～0.051mm/a，表面上直接生成一层Cu₂O保护膜，而其他生成物常沉积在这层薄膜上而起保护作用。如在海水中加FeSO₄，则在流过铝黄铜冷凝器时能在管壁上形成一层暗色的耐蚀薄膜。

铜及某些铜合金对流速很敏感，海水流速超过一定限度，就会引起强烈的腐蚀。对Cu来说最合适的流速为1m/s，对黄铜来说为2m/s。

黄铜中加砷可防止脱锌作用，因此海军黄铜（Cu70%～73%、Pb0.07%、Fe0.06%、Sn0.8%～1.2%、As0.02%～0.1%、Zn余量）和铝黄铜（Cu76%～79%、Pb0.07%、Fe0.06%、Al1.8%～2.5%、As0.02%～0.1%、Zn余量）中都含砷。青铜和Cu-Ni合金在海水中也有优良的耐蚀性。

（3）Ti及Ti合金　Ti上能生成一层薄而致密的氧化膜，因此是最耐海水腐蚀的材料。即使在被污染的海水中，在流速高达20m/s时，或在350℃的高温下，Ti及Ti合金都几乎不受海水的腐蚀。但当有海洋生物附着时，即便在常温海水中，Ti有时也会发生缝隙腐蚀。

6.海水腐蚀的防护

（1）合理选择金属材料　钛、镍、铜合金是公认的较好的耐海水腐蚀材料，但由于价格较高，主要用于关键部位。海洋设施中，大量使用的钢铁材料需根据具体要求合理选择和匹配。表2-4列出了我国统一评定的16种耐海水腐蚀的低合金钢。

表2-4　我国统一评定的16种耐海水腐蚀的低合金钢

（2）涂层保护　保护涂层是海洋设施常用的防腐措施。除了应用防锈涂料外，还经常采用防止海洋生物沾污的防污漆，以防止附着海洋生物。

（3）电化学保护　阴极保护是防止海水腐蚀的有效方法。外加电流的阴极保护便于调节，而牺牲阳极的阴极保护简便易行，两种方法都被广泛采用。但要注意阴极保护方法只是在全浸区才能显效，对于发生在飞溅区的海水腐蚀不能采用阴极保护。

海水腐蚀特点及防护措施

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