碳钢在海洋环境下的腐蚀研究Revised as of 23 November 2020碳钢在海洋环境下的腐蚀研究摘要随着陆地石油储量减少和开采难度增加，海洋石油将成为未来能源最重要的来源。

海洋石油开发设施的材料主要是碳钢，碳钢常年在腐蚀性极强的海水中工作，腐蚀不可避免。

若能掌握碳钢在海洋环境下的腐蚀规律，找到合适的防腐措施，腐蚀造成的损失就能大幅度降低。

本文根据塔菲尔直线外推法，用LK2010型电化学工作站测量碳钢在不同盐度海水中的腐蚀极化曲线，研究海水的盐度对碳钢腐蚀速度、塔菲尔曲线特征的影响。

关键词：碳钢腐蚀；塔菲尔直线外推法；电化学；极化曲线；腐蚀速度The research on corrosion of carbon steel in marineenvironmentAbstractAs difficult exploitation of oil reserves to reduce and increase the land， ocean oil will become the most important source of energy future. Offshore oil development facilities materials are mainly carbon steel， carbon steel work in the strong causticity water all the year round， the corrosion of carbon steel is inevitable. If we can master the corrosion behavior of carbon steel in Marine environment， find a suitable anticorrosive measures，can greatly reduce the loss caused by corrosion. Based on the principles of Tafel linear extrapolation method， measured with electrochemical workstation LK2010 type corrosion polarization curve of carbon steel in sea water，the water of the influence of different factors on the corrosion of carbon steel.Keywords：Corrosion of carbon steel；Tafel linear extrapolation method；Electrochemistry； Polarization curve ；The corrosion rate目录第1章绪论引言随着现代社会的不断发展和科学水平的飞速进步，能源变得越来越重要，人类开采陆地石油已经经历了相当长的时间，陆地石油储量越来越少，所以未来人类开采石油资源将向海洋进军，海洋石油已经成为未来人类能源的重要来源。

海洋石油开发是一项高投资、高风险、高技术密集的多学科综合技术体系，需要大量的人力、物力、财力。

地球表面的71%被海洋占据，总面积达亿平方公里，储藏在海底的石油天然气储量极其可观，总储量约为1000~2500亿吨，人类未来可开采的海洋油气资源还是很充足的。

现在世界海洋石油总产量已经占到海陆石油总产量的1/4以上，随着科学技术水平不断提高，海洋石油产量将会更进一步增加。

海洋石油大规模勘探和开发要依赖大量的海洋石油装备，制造海洋石油装备的主要材料为碳钢，碳钢在大气和海洋环境中特别容易受到腐蚀。

金属腐蚀时时刻刻在发生，因腐蚀引发的后果也是十分惨重的。

首先是会造成巨大的财产损失。

海洋结构物大部分是金属，为了防止金属腐蚀，必须采取适当的防腐措施，而防腐费用十分巨大，往往占总成本的百分之十至百分之三十，通常来说腐蚀引起财产损失能占到GDP 的百分之二到百分之四，腐蚀掉的钢材大概为钢产量的1/3，在这个范围内1/10是无法循环在利用的。

按此比例，2013年国内生产总值达568845亿，钢产量为77904万吨，则我国因腐蚀造成的直接经济损失~亿元之间；年腐蚀报废钢材25968万吨，其中万吨不可回收利用。

拿海洋船舶来说，船体钢材消耗量在每年每平方米500至570毫克。

例如，海水腐蚀每年能造成一艘排水量五十万吨的海船每年40吨的钢铁消耗。

这比火灾、风暴、水灾、地震造成的损失总和还要大。

腐蚀除了能引起经济上的损失，更重要的是能对安全构成巨大的隐患，这点应当引起足够的重视。

由于船舶、舰艇、海洋结构物都是由金属建成的，所以腐蚀对这些结构能造成巨大的安全隐患。

1980年3月，英国的“亚历山大·基定德”号钻井平台因为一个严重腐蚀的焊缝使得桩腿结构发生变化。

该部位原来有一个孔，并焊上一个法兰，由于法兰上有6 mm的焊缝，而且发生了严重的腐蚀，开裂就是从这个严重腐蚀的焊缝开始的。

当它在北海的埃科菲斯油田上作业时，遇到了八级大风，大风掀起巨浪反复冲击钻井平台，桩腿从严重腐蚀的焊缝开始一直延伸，而且在载荷与波浪的作用下不断延展，使得巨大的D号桩腿因为六根主撑管断裂而发生严重的断裂，巨大的钻井平台很短时间内倾倒，导致了一百多人遇难。

现实的经验告诫人们，如果能采取合适的防腐措施将海洋结构物的碳钢保护好，百分之三十到四十因腐蚀造成的损失就能避免，为人类节约一大部分能源。

碳钢腐蚀研究现状现阶段国内外学者对碳钢在海水中的腐蚀远落后于碳钢在大气中的腐蚀研究。

就耐海水腐蚀钢来说，迄今为止已研制了几十年的时间，钢型号也有很多，不过应用范围比较小，钢的产量也不是很多。

有很多因素能影响海水腐蚀，比如海水中氧的溶解量、海水流速、温度、盐分浓度、pH值、与异种金属接触以及海洋生物和微生物等都能影响钢的腐蚀，所以钢的耐腐蚀性会受到很大程度的影响。

这些腐蚀因素使得在海水不同部位的钢的腐蚀机理和腐蚀影响各不相同，而且在不同的海洋环境中，钢的腐蚀规律与腐蚀状况也有很大差异。

所以碳钢在海洋环境中的腐蚀情况相当复杂，如果想使钢完全满足不同海域、海水的五个带要求的耐腐蚀性能是很有难度的。

这就要人们了解不同海洋环境碳钢的腐蚀机理和腐蚀速度，采用不同的有效防腐措施，满足海洋防腐的要求。

各国的科学家将金属材料暴露在腐蚀环境中研究金属的腐蚀规律以及腐蚀的失效原因。

Zhang[1]等的研究结果表明：碳钢的腐蚀通常可分为2个部分，腐蚀刚开始时腐蚀速度比较高，经过一段时间以后腐蚀速度有所降低，腐蚀速度随着时间增加而逐渐降低。

他们使用的研究方法为回归分析的方法。

Melcher[2]在研究中发现碳钢腐蚀过程金属和锈层之间存在一个缺氧层，由于该部分缺氧所以有大量的厌氧细菌，厌氧细菌因新陈代谢作用而有营养物质的迁移，碳钢腐蚀就不光受到氧气的影响，营养物质迁移成为了主要的影响因素。

Ma[3]等人通过实验得出了结论：海洋环境中存在着大量的氯离子，这些氯离子对碳钢的腐蚀机制有很多的影响。

Saleh[4]针对大量不同金属在不同的界面处的腐蚀规律进行了大量的研究，一般腐蚀的环境主要有水面以下、水面处的半浸区还有水面以下的全浸区，他选择了奥氏体不锈钢、碳钢、镍基合金和铜镍合金等金属，进行分组实验分别在这三个区域暴露一至两年，实验结果表明在水面处的半浸区的不锈钢和碳钢都发生了很严重的腐蚀。

Bhosle[5]将低碳钢放在不同深度的海水中，研究了海水的深度对碳钢腐蚀的影响；在深水区的腐蚀速率要明显低于浅水区的腐蚀速率，主要原因是含氧量对碳钢腐蚀速率影响很大，随着水深的增加含氧量逐渐减少，而且温度降低很快，所以水深越大碳钢的腐蚀速率越小。

除了环境因素会对金属腐蚀有影响外，金属本身的成分也影响着金属的腐蚀速率。

例如黄桂桥[6]就铬含量对钢铁腐蚀速率影响规律进行了研究，研究结果表明：在腐蚀时间比较短时，含铬量高的钢铁要比含铬量低的钢铁更耐腐蚀；而腐蚀时间比较长时，铬含量的提高对随着铬含量增加，短期浸泡钢的耐海水腐蚀性有所提高，而长期腐蚀时，高含铬量的钢铁却较不耐腐蚀。

Hudson[7]对这种现象做了更加深入的研究，他发现在腐蚀时间比较长时，含铬量较少时耐腐蚀性随着铬含量增加而增强，当铬含量增加到一定值时，耐腐蚀性随着铬含量增加而减弱。

由于金属海洋环境中的腐蚀机制十分复杂，影响因素也很多，所以不能建立单一的腐蚀模型，这使得建模模拟海水腐蚀的研究变得十分困难。

到目前为止，只有少数研究者在全浸区的腐蚀模型进行了探索。

Melchers[8-13]提出了碳钢和低合金钢在海水全浸条件下的腐蚀机理的随机模型。

由于金属腐蚀会对国民经济造成比较严重的损失，所以我国政府也十分重视材料的腐蚀研究。

我国海岸线长达一万八千多公里，海洋的水文环境从北向南差异也很多，所以国家根据海洋的水文环境和海洋环境的气象因素确定了四个腐蚀试验的试验点，分别为：南海海域的榆林站、东海海域的舟山站和厦门站、黄海海域的青岛站。

因为金属腐蚀速度与海洋环境因素密切相关，很多学者采用灰关联分析、人工神经网络等方法测量出金属的腐蚀速度。

譬如孔德英、宋诗哲用人工神经网络方法建立了低合金钢、碳钢的腐蚀速率和海水因素及合金成分之间的神经网络模型[15]。

朱相荣和张启富应用灰关联分析法分析了碳钢、低合金钢腐蚀同海水环境因素的关系[]。

海洋腐蚀环境海水中含有大量的氯化钠、氯化钙、氯化镁等等，其导电能力很强，大大超过河水、湖水等淡水，所以海洋环境的结构物及船舶要比淡水中的具有更高的防腐措施，另外还包含很多其他元素，成分极其复杂。

海水除了溶解有盐外，还溶解了大量的气体，例如N2、O2、CO2以及大气中其他气体成分。

因为氧气直接参与碳钢腐蚀，所以含氧量越高海水腐蚀能力越强。

表层海水由于直接接触大气而且经常有风浪作用，并且受自然对流的影响，海水含氧量极高，接近饱和，常温下浓度平均为8 mgL-1。

由于海水中溶解有二氧化碳，很容易形成碳酸盐类，碳酸盐可以与酸反应生成CO2，与碱反应生成碳酸氢盐，所以碳酸盐可以作为酸碱缓冲介质。

正因为碳酸盐类的存在，海水PH变化很小，通常在至之间。

海水略偏碱性而且高含氧，这使得发生在海洋环境中的金属腐蚀为吸氧腐蚀，是氧去极化过程。

金属在海水中的腐蚀实际上是一个原电池作用，会有大量的电子转移。

而海水中存在大量的Ca2+、Mg2+、CO32-等离子，在得失电子过程中很容易形成难溶的CaCO3、MgCO3等难溶物，附着在金属表面，影响腐蚀。

另外海水中也存在一定量的有机物，金属在复杂的环境影响下能与这些有机物成配合物，由于这些配合物的存在，腐蚀产物的特性会有一定的影响。