深海环境模拟技术在腐蚀研究上的应用现状与发展

(1.中国海洋大学，山东 青岛 266100；2. 海洋石油工程 (青岛) 有限公司，山东 青岛 266520)

深海环境模拟技术在腐蚀研究上的应用现状与发展

贾红刚1,2王 佳1

(1.中国海洋大学，山东 青岛 266100；2. 海洋石油工程 (青岛) 有限公司，山东 青岛 266520)

本文论述了用环境模拟法研究钢构物在深海环境下腐蚀特性这一技术的现状与进展,包括深海腐蚀研究技术的各种主要参数及特点,重点介绍了用环境模拟法来研究钢结构在深海环境下腐蚀情况这一技术的难点,针对存在问题讨论了可行的改进方法与建议。

深海 环境模拟 腐蚀

0 引言

我国的海洋石油开发工程设计、制造技术与国外水平存在很大的差距。国外开发水平早已达到平均3000米以上的水平，掌握着全世界范围的海洋油气开发高端技术的话语权，主导着技术和技术装备市场，而我国自有开发技术刚刚实现首次500米开发技术的零突破。由于技术实力的巨大差距，我国的海洋油气开发对国外技术的依赖度过大，合作中地位不对等，保护权益时很被动。防腐技术是深海海洋石油开发技术的核心技术之一，也是目前的重要瓶颈之一，它直接影响着海洋工程的使用寿命与开发成本决策。

深海防腐研究受海况复杂、政治因素、经费因素等限制，数据积累少、可查阅文献少、行业技术进步非常缓慢，而实验技术是其中最为重要限制瓶颈。

有限的理论技术研究难以支撑行业工程应用技术的快速发展。因此，采取一种简单实用的实验技术，实现快速掌握和促进深海油气开发工程的腐蚀防腐技术对海上油气开发工程乃至所有海洋经济有着重要价值和意义。高仿真的环境模拟技术是当前有限条件下，最可行、也是最有可能获得成功的一种深海防腐研究技术方法。

1 技术现状

深海环境存在巨大的压力，环境极为复杂，容易发生电化学腐蚀。同时，受设施自身的机械作用和周围生物环境作用，深海腐蚀过程更加复杂化。

受到实验技术条件的限制, 在很长一段时间内，我国在这一方面的研究处于空白状态。深海环境下，压力、温度、盐度、溶解氧、pH值、氧化还原电位、生物污损、钙镁离子沉积和表面流速等环境状态的变化对深海环境金属腐蚀行为的影响尚待澄清。

国外方面，可查阅到文献资料较少，仅有极少数机构做了少量的实验探索。例如:日本在1976年即模拟建造了内径为1.4m，最大试验压力能达到150MPa的试验舱，不过只能模拟深海环境的压力特性。英国西南研究所在2001年完成了能够模拟4000米水深海底状况的新型深海模拟器的成功研制，其容积达到了88L。2003年日本国家海洋研究所成功研制了能综合模拟压力、温度、CO2及pH值的多功能模拟系统。

近年来,我国的研究人员逐步开始重视和采用高仿真环境模拟技术在该领域的开发应用。例如：我国在863计划中由沈阳自动化研究所于1994年成功研制出了压力可达75MPa，内径为0.5m，长2m的深海模拟压力系统。四川海洋特种技术研究所也在2008年研制出了75MPa深海环境模拟装置。沈永春(2010）研制出了由高压压力筒及自动加压稳压系统组成的深海环境模拟装置，其压力可达40MPa，且具有长时间的自动稳压加压功能，压力控制精度可达0.5%。中船重工702研究所自主研发出了内径1.5m至3.0m，压力为7至90MPa的915系列深海模拟装置。

2 技术难点

2.1主要影响参数分析

钢铁在浅海海水中的腐蚀受溶解氧浓度、温度、压力、盐度、流速、生物环境等多种因素的影响。深海环境是一种极其复杂的腐蚀环境，由于实验技术条件限制，人们仅仅依据溶解氧浓度、温度、压力等单个参数随海水深度的变化规律，套用浅海腐蚀研究理论对其进行了一定的探讨研究，而对多个深海腐蚀参数协同作用下的腐蚀特征与影响程度研究较少，需要进一步深入研究，核心影响因素及其特征规律也需要进一步研究。

中国海洋大学王佳[1]等人通过采用电化学、人工神经网络和数据库方法研究了5种海洋工程。钢材在5000m深海环境中非现场腐蚀行为评价技术，结果证明了5种钢材均在500m左右存在最低腐蚀速度以及溶解氧对钢材深海腐蚀行为具有最主要的影响。

侯健[2]等通过对深海腐蚀因素的特征及变化规律总结，发现对低碳钢、低合金钢等在在海水中不发生钝化的金属，海水中溶解氧含量的增加，会加速其阴极去极化过程，使金属腐蚀加速，因而它在海水腐蚀中起到决定性作用。

北京科技大学周建龙[3]等人通过实海暴露方法和室内模拟加速腐蚀方法研究了深海环境下金属腐蚀规律分析，得出了溶解氧含量是深海环境下金属及合金材料腐蚀的最主要影响因素，同时周建龙还发现在较高压力下氯离子活性增加, 更容易渗透入不锈钢钝化膜, 多种金属氧化物能转化为水溶性氯氧化物,从而形成点蚀诱发源。在较高压力下离子水合程度降低, 氧化物/氢氧化物比值发生改变, 因此形成腐蚀层的保护特性也发生改变. 钝化膜成分的改变既可能降低、也可能增强不锈钢材料的抗局部腐蚀或全面腐蚀性能。

韦云汉[4]等论述了海水溶解氧浓度、温度、压力、盐度、流速、生物环境等多种因素对深海金属材料腐蚀的影响，发现溶解氧是造成腐蚀最主要的原因，同时还表明：在深海环境下，海水中的含盐度变化幅度非常小，可以认为盐度在整个海洋环境下对材料的腐蚀是一个常量。

安石油大学魏爱军[5]等人通过研究A3钢在淡水和模拟海水中温度对其腐蚀行为的影响，发现温度的升高对钢的活性和剥离作用有所增加,对阳极溶解都有促进作用。

以上研究成果表明，在深海环境下，溶解氧、温度对金属腐蚀有着重要的影响，其中溶解氧是决定性因素。其次，海水压力与海水深度的变化成正比关系，可以当成海水深度的测量指标。不同的海水深度(压力)对各影响参数自身变化规律的影响差异较大，因此必须首先保证海水压力的控制。

2.2技术难点分析

2.2.1参比电极技术

目前应用最为广泛的是Ag/AgCl参比电极。它具有良好的性能，是海水阴极保护系统中广泛采用的参比电极。王金龙等人[6]通过氯化银固体参比电极研究与应用的现状与进展研究，指出常规结构的电极难以承受深海环境的压力，固体参比电极无液接电势，耐浸泡，使用寿命长，对苛刻的使用环境敏感性较低，在科学研究和工程使用上都显示出明显的优势。

向斌等[7]分类介绍了高温高压环境下使用的参比电极的研究现状，认为常规的参比电极由于电极内参比液和被研究体系溶液的组成不同因而会形成液接电势不适于现场监检测。固体参比电极的可靠性、准确性以及稳定性都符合工业现场监测所需的性能稳定、寿命长的要求，因此固体参比电极研究很有意义。同时他水流速度对电极电位的影响不大，电极在动海水中也相当稳定，可以用于实际的海洋环境。

王增娣[8]等通过研究氯离子浓度和阳极极化电流协同作用下高纯锌的稳定电位值，得知高纯锌在温度范围为0～25oC的海水中，通过参比电极的电流不超过5fA/cm 时，锌电极电位偏移范围≤20mV，表明在该种条件下，99.9999%的高纯锌的耐极化性能能可以满足作为参比电极的要求。

以上研究成果表明，深海腐蚀研究宜采用固体参比电极。同时由于高纯锌加工性能好，获取容易，因此作为深海腐蚀模拟研究的首选参比电极。

2.2.2高压密封技术与数据采集技术

深海环境模拟法进行腐蚀研究时，压力参数要求越高，技术性能保障难度和各方面投入成倍数增长，因此需要视具体需要和资金允许范围考量。对我国的南海、东海、黄海、渤海海洋开发工程需要而言，模拟海水3000米深即可覆盖绝大多数需求，如果条件允许可以放大5000米水深的模拟范围，即：最大模拟压力50MPa。也可以采用海域平均深度研究外加技术修正的方法以节省费用。

高压容器常用的密封方式是强制密封、自紧密封和半自紧密封三种形式。强制密封是靠拧紧主(大)螺栓使顶盖、密封件、釜体端部之间形成一种密封比压，从而实现密封效果。深海环境腐蚀模拟实验时，需要经常性的开、闭釜盖，显然单独依靠强制密封法存在一定的弊端，操作灵活性变差。

自密封技术是利用其结构特点，使顶盖、密封件、釜体端部之间的密封比压随其自身工作压力的增大而增加，因而对大螺栓的要求降低。半自紧密封技术是指凭借强制密封技术获得初始密封比压，系统升压时自动改为靠自密封实现密封比压。深海腐蚀环境模拟时，操作较为频繁，环境介质为液体海水，不具可燃性，泄露后的危害性较小。因此，应选择半自封技术来实现模拟系统的高压密封。其次，合理设计釜体的结构形式，选用适当的密封结构也非常重要。例如：压力小于32MPa、内径小于800mm时可选用平垫强制密封；也可用主螺栓加软金属材料进行半自紧密封。

高压模拟实验时，内部数据的实时采集所用的导线、穿壁处理都是一项非常重要的技术。

2.2.3集中控制技术

深海环境的复杂性决定了模拟系统的复杂程度。首先单参数的简单模拟已不能满足需要。因此，多参数同时模拟时，如果没有多个模拟参数的动态集成控制技术的支撑，环境模拟技术的适用性将大大降低。因此，应设计科学合理的集控方案，选用适当的电化学集成中枢、控制集成中枢、软件系统都是高仿真深海环境模拟技术的重要技术要点。

同时，采用必要的安全防护措施，将控制区与实验区有效隔离，并将两者整合成一个独立式可移动实验室也是一项非常重要的创新技术。

2.3可行性分析

用深海环境模拟技术，对深海腐蚀行为的研究及实际工程应用有重大意义，可以为海洋实地开发提供一定的技术指导。深海试验成本高、耗时长、样品易丢失、试验装置回收困难，实施起来有很大的难度，因此采用深海环境模拟技术对深海腐蚀进行研究能有效的控制测试成本以及提高测试效率，通过改变模拟装置中操作条件可以模拟不同的海洋环境。

3 总结

随着国家南海油气开发政策力度的加大，深海环境模拟技术在腐蚀研究上的应用越来越受到重视，随着大量高性能的深海腐蚀环境模拟设备系统的逐步开发完成，能够模拟的海水深度(压力级别)、多指标协同技术、控制精度、模拟技术与装置的安全性均有了极大的提升。未来，国内将有大批的机构和研究人员参与到这一技术领域来，有利于促进以海洋石油工程行业为代表的多个海洋经济行业的技术快速发展和大量工程技术及产品的出现。

[1] 王佳, 孟洁, 唐晓, 张伟. 深海环境钢材腐蚀行为评价技术[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2007, 27(1).

[2] 侯健, 郭为民等. 海洋环境因素对碳钢腐蚀行为的影响[J]. 装备环境工程, 2008,12(6).

[3] 周建龙等. 深海环境下金属及合金材料腐蚀研究进展[J].腐蚀科学与防护技术, 2010, 22(1): 47-51.

[4] 魏爱军等. 温度对A3钢在海水中电化学腐蚀的影响[J].腐蚀与防护, 2008, 10(29).

[5] 韦云, 芦金柱.海洋环境碳钢的腐蚀与防护[J]. 全面腐蚀控制, 2012, 3(3): 82-101.

[6] 王金龙, 王佳等. Ag/AgCl固体参比电极研究与应用的现状与进展[J].中国腐蚀与防护学报, 2013, 2(33), 81-88.

[7] 向斌, 粟京等.Ag/AgCl固体参比电极性能研究[J]. 高技术通讯, 2006年12月第16卷第12期: 1265-1268.

[8] 王增娣, 闫永贵, 马力等.高纯锌参比电极电位稳定性研究[J].腐蚀与防护, 2006, 27(9): 450-453.

[9] 苗燕.深海用全固态参比电极的研究[D].重庆大学, 2003.

Application and Progress of technology in Corrosion Research on Deep-sea Environment Simulation

JIA Hong-gang1,2, WANG Jia1
(1.Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.Offshore Oil engineering (Qingdao)co.,Ltd., Qingdao 266520, China)

This paper describes the status and progress simulation method for Environment Research of steel in the environment of deep sea corrosion characteristics of this technology, all the main parameters and characteristics including the deep-sea corrosion technology, introduces the advantages and disadvantages of steel structure in the environment of deep sea corrosion situation of this technology for environmental simulation method, the discussion the methods and suggestions to improve the practical problems.

deepsea; environment simulation; corrosion

TG174

A

10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2014.08.027.03

贾红刚 (1981-) ，男，陕西宝鸡人，防腐工程师，学士，主要研究方向为海洋油气开发工程腐蚀与防护。