深海光电复合缆中的镀锌钢丝使用寿命浅谈

付长琦　蔡红祥　郑大白　王伟　潘贤清

[摘要]深海光缆敷设深度超过2000m，缆中的镀锌钢丝主要发生电化学腐蚀。本文通过介绍腐蚀原理以及深海光电复合缆结构来分析镀锌钢丝使用寿命情况。

[关键词]镀锌钢丝 海光缆 使用寿命

材料受周围介质的作用而遭受的变质或损坏叫做腐蚀。材料包括金属和非金属，如钢铁、不锈钢、有色金属和塑杆、混凝土、木材。

周围绕环境介质指材料所处的温度、压力、应力、光照、辐射、生物条件、固液气态介质。对材料的作用包括化学的、电化学的、机械的、生物的以及物理的作用。

金属腐蚀按原理分，可分为化学腐蚀以及电化学腐蚀。通常金属材料与外界介质发生化学反应而损坏的现象叫做化学腐蚀，这只是一种单纯化学作用，不产生电流。而电化学腐蚀过程中通常伴有电流产生。我司的深海光电复合缆能够敷设在海底2000米的深海中，其外层铠装钢丝发生的腐蚀一般是电化学腐蚀。

一、镀锌钢丝的电化学腐蚀过程及基本原理

将镀锌钢丝置于海水中，其发生的电化学腐蚀一般经过以下4个步骤：

（1）镀锌层完整地覆盖于整个钢丝基体，镀层发生腐蚀；

（2）镀层发生部分破坏，锌作为牺牲阳极对钢丝基体提供阴极保护；

（3）镀锌层全部破坏，钢丝基体开始腐蚀，锌的腐蚀产物抑制腐蚀过程；

（4）钢丝基体发生快速腐蚀。

在海水环境中，锌层最先发生电化学腐蚀。在阴极区，其腐蚀的电化学反应如下：

Zn→Zn⁺+2e

在海水腐蚀下，电解液中含有大量的C1^-，在阳极区发生反应：

5Zn⁺+2Cl^-+8H₂O→Zn（OH）₈Cl₂+8H⁺

镀锌钢丝置于海水中，其先与海水接触发生电化学腐蚀，为钢丝提供了阴极保护。同时生成的腐蚀产物附着钢丝表面，减缓了进一步的腐蚀，同时抑制了钢丝的腐蚀。

二、镀锌钢丝在海水中的使用寿命

整个海洋环境主要分为五个区：海洋大气区，海洋飞溅区，海水潮差区，海水全浸区，海底泥土区。这五个区的腐蚀均随海水温度的升高而加重。海底泥土区含有大量沉淀物，含盐量高，具有较好导电特性，泥土成为良好电解质，此外，这个区的含氧量低，易生长厌氧的硫酸盐还原菌等细菌，对金属造成腐蚀，但和其他四区相比，泥土区腐蚀程度较轻，而我司的深海光电复合缆敷设在海底2000m处，正是处于海底泥土区，而这个深度的海水常年温度在1℃～2℃，温度偏大低，因此相对于海洋的其他位置，此光电复合缆敷设的地方腐蚀相对较轻。

根据以前的研究，碳钢在海水中的腐蚀遵循以下关系：

D=A+k（t-1）

其中D为碳钢的平均腐蚀深度（mm），t为暴露时间，A为碳钢在海水中暴露第一年的平均腐蚀速度，k为碳钢在海水中暴露的稳定腐蚀速度（大到在0.05mm/a-0.13mm/a）。据研究，A范围为0.1～0.22。

以镀锌钢丝的直径为3.23为例，经粗略计算，表面的锌层厚度大概为0.07mm，因此镀锌钢丝内部钢的直径为3.09。

利用腐蚀公式：D=A+k（t-1），其中A取中间值0.16，k也取中间值O.09mm，可计算得t约为17。因此，若将直径3.09，未镀锌的钢丝直接置于海中，需要17年才能腐蚀完。钢丝表面镀有0.07mm的锌层，这锌层为钢丝提供了阴极保护，同时锌层的电化学腐蚀产物附着在钢丝表面，形成致密均匀的氧化膜，阻止了外界离子向镀锌层的扩散，一定程度上减缓了镀锌层的腐蚀，使得钢丝不易发生电化学腐蚀，从而减缓了钢丝的腐蚀速度。

以上的分析是将镀锌钢丝直接与海水接触得到的，但实际中，一般钢丝外层绕有双层PP绳，同时涂覆有沥青，这有效得杜绝了钢丝与海水的直接接触，大大减轻了电化学腐蚀的发生条件，使得镀锌钢丝更加不易发生电化学腐蚀，腐蚀速度将减少50%以上，因此由以上原因分析可推断，镀锌钢丝的寿命起码可以翻倍，超过30年。

三、结论

金属腐蚀可分为化学腐蚀以及电化学腐蚀。我司研究的深海光电复合缆敷设深度可达海底2000m，其结构中的镀锌钢丝主要发生电化学腐蚀。了解镀锌钢丝的一些参数（如直径，锌层厚度），利用腐蚀公式：D=A+k（t-1），可计算出镀锌钢丝直接与海水接触后的使用寿命，并推断出光电复合缆中的镀锌钢丝的使用寿命。

以3.23的钢丝为例，镀锌钢丝与海水直接接触，使用寿命为17年；而光电复合缆中，镀锌钢丝使用寿命将超过30年。