几种典型金属材料西沙海洋全浸区腐蚀行为规律研究

丁康康，逄昆，顾良华，张彭辉，侯建，孙明先



几种典型金属材料西沙海洋全浸区腐蚀行为规律研究

丁康康，逄昆，顾良华，张彭辉，侯建，孙明先

（中国船舶重工集团公司第七二五研究所 海洋腐蚀与防护重点实验室，山东 青岛 266237）

研究几种典型金属材料在西沙海洋全浸区的腐蚀行为规律。通过外场暴露试验，分析EH36和CM690船用钢、316L不锈钢以及5083铝合金材料暴露0.5、1、2 a后的腐蚀形貌与动力学规律。CM690腐蚀速率要大于EH36，而点蚀深度规律相反。316L不锈钢发生较为严重缝隙腐蚀，5083铝合金则以局部腐蚀为主。试验条件下，EH36与CM690钢腐蚀质量损失与点蚀最为严重，316L不锈钢与5083铝合金生物污损严重，伴有局部腐蚀。

金属；西沙；全浸区；腐蚀

随着现代科学的迅速发展与陆上资源的日益匮乏，海洋开发和利用在国民经济中所占地位越来越高。南海以其巨大的资源和特殊的航路要冲地位受到广泛关注，“海洋强国”、“海上丝绸之路”战略相继提出，然而南海严酷海洋环境的腐蚀问题也随之凸现出来[1]。西沙地处热带中部，四面环海，海域年平均表层海水温度达26.8 ℃，溶解氧为4.45 mL/L，盐度为3.375%，具有南海严酷环境代表性[2]。我国西沙海水环境对材料造成的破坏高于其他海洋地区。朱相荣等根据我国各海域主要环境因素数据，部分碳钢、低合金钢的局部腐蚀深度数据以及用灰关联分析法的研究结果，提出了划分我国海域腐蚀性的双因素环境评价法。根据海水温度和海生物附着面积的等级，将海水腐蚀性分为C1—C5共5个类别，其中西沙属于C4，高于青岛、舟山、厦门等我国大多数海域。不同海域具体的海水环境参数与对应腐蚀评级见表1[3]。

海洋全浸区是指海水最低潮位以下0.2~2 m的区域，材料除受到海水溶解氧[4]、盐度[5-6]、温度[7-9]、pH[10]和流速[11]等环境因素影响外，微生物污损作用也不容忽视[12-14]。目前，青岛、舟山、厦门、榆林（三亚）等海水试验站已经获得许多典型金属材料基础的腐蚀定量数据[15-17]，但西沙海水腐蚀数据仍处于空白。西沙全浸区等南海严酷海洋环境适应性基础数据的缺乏是制约南海设施及装备发展的关键因素，开展相应环境试验和数据积累具有重要意义。文中依据几种典型金属材料在西沙海洋全浸区暴露不同周期的腐蚀结果，讨论了其腐蚀行为规律和特征，为相应环境下工程设施的选材与寿命评估提供数据支持与指导。

表1 我国部分海域主要环境参数对比（年平均）

1 实验

试验材料包括EH36和CM690船用钢、316L不锈钢以及5083铝合金材料，试样取自板材，尺寸规格为200 mm×100 mm×(2~5) mm。平行样3件，主试验面均保持原轧制状态。

试验地点选取为西沙某岛屿（北纬16°52′，东经112°20′附近）。试验参照GBT 6384—2008《船舶及海洋工程用金属材料在天然环境中的海水腐蚀试验方法》进行，试验前试样去油污、量尺寸、称量，用尼龙隔套固定在试验架上（如图1所示）。试样架位于最低潮位以下1 m，试样垂直于海平面，在暴露0.5、1、2 a后回收，并观察记录试样的腐蚀外观。参照GB/T 16545-—1996《金属和合金的腐蚀腐蚀试样上腐蚀产物的清除》配制除锈液，去除腐蚀产物，称量、测点蚀深度，并作进一步形貌观察分析。

图1 现场投试照片

2 结果与讨论

2.1 钢的腐蚀行为规律

西沙海水全浸条件下，高强度船用钢EH36和锚链钢CM690除锈前后的腐蚀宏观形貌如图2和图3所示。可以看出，两种钢的腐蚀形貌较为类似，经过不同周期后，试样表面均覆盖满土灰色污损生物与分泌物，污损生物主要有红藻、绿藻以及大量的硅藻、真菌、细菌等微生物[12]。其下锈层结构疏松，并存在脱落现象，露出黑色粉状腐蚀产物，主要成分应为Fe3O4。随着暴露周期的延长，试样表面锈层明显变厚，且结构更为疏松。同时试样表面的污损生物数量也明显增多，藻类增多尤为明显。

去除腐蚀产物后，两种钢试样表面均出现肉眼可见的点蚀坑。对于EH36，西沙全浸区暴露0.5 a试样仅在表面局部形成连片的细小点蚀坑。随着暴露周期的延长，试样表面点蚀区域迅速扩大，局部点蚀坑从点状发展为坑状，其深度及宽度明显增大，以2 a期腐蚀最为严重。CM690钢的表面形貌相差不大，不同周期的试样表面均有不同程度的蚀点，表面状态整体上比EH36平整。

西沙海水全浸条件下，EH36和CM690的腐蚀速率与点蚀深度信息如图4和图5所示。可以发现，两种钢的腐蚀速率均在0.08~0.2 mm/a之间，初期腐蚀速率较高，随着暴露时间的延长，腐蚀速率呈减小趋势。说明腐蚀产物的增厚及污损生物的附着降低了腐蚀速率，对基体具有一定保护作用。整体上，CM690腐蚀速率要大于EH36，但点蚀深度数据则给出相反规律，CM690的平均点蚀与最大点蚀深度均小于EH36，反映其主要发生全面的均匀腐蚀，虽具有较高的腐蚀速率，但适应于寿命预估评价，发生局部腐蚀失效概率较低。

2.2 不锈钢的腐蚀行为规律

如图6所示，316L不锈钢在西沙海洋全浸环境中暴露不同周期后，整个表面均被海洋污损生物及其分泌物附着。去除生物附着层后，不同周期316L不锈钢表面均恢复金属光泽，无明显腐蚀，仅在两端尼龙隔套固定位置发生缝隙腐蚀。由于缝隙内外氧浓度差异，产生氧浓差腐蚀，缝隙内部缺氧，作为阳极优先腐蚀[18-19]。随暴露时间的推移，缝隙腐蚀区域进一步增大，到2 a时，整个尼龙隔套固定位置下方均被腐蚀，且局部深度明显增加，形成坑洞。由此推测，缝隙腐蚀的发展是一个闭塞区内自催化过程，一方面导致缝隙尖端不断往内部扩展；另一方面，缝隙内的酸性环境抑制了316L不锈钢的钝化，缝隙下基体不断腐蚀，甚至局部形成坑洞。

在西沙海洋全浸环境下，316L不锈钢暴露不同周期后的腐蚀速率与平均缝隙深度如图7所示。由图7a可知，316L不锈钢腐蚀速率在10~40 μm/a之间，初期腐蚀速率较高，随暴露时间推移，腐蚀速率降低，但仍高于青岛（0.17 μm/a）、舟山（1 μm/a）、榆林（5 μm/a）海域相同条件下暴露2 a的腐蚀速率，这与其严重的缝隙腐蚀密不可分。由图7b可知，其缝隙腐蚀程度随时间的推移不断加剧，到2 a时，平均缝隙深度已经达到1.23 mm。结合腐蚀形貌可知，316L不锈钢腐蚀质量损失很大一部分来自缝隙腐蚀，其他部位仍保持金属光泽，反映其本身具备较好的耐蚀性能，腐蚀速率的下降表明，其整体缝隙腐蚀的阻力有所增大[20]。

图4 西沙全浸区暴露不同周期后EH36和CM690钢的腐蚀速率

2.3 铝合金的腐蚀行为规律

由图8可知，5083铝合金在西沙海洋全浸环境下的腐蚀形貌与316L不锈钢较为类似，以生物附着为主。除锈后，试样表面较为光洁，在整个暴露过程中均表现为局部腐蚀，局部零散出现白色腐蚀区域，失去金属光泽，推测其由大量点蚀坑洞组成。

进一步研究5083铝合金腐蚀的微观形貌，如图9所示。试样表面局部存在大小不一的点蚀坑，随着暴露时间的推移，点蚀坑数量和大小均有所增加，个别点蚀坑联接在一起形成大的点蚀坑。结合5083铝合金在西沙海洋全浸环境下暴露不同周期的腐蚀速率与点蚀深度柱状图（如图10所示），可知5083铝合金腐蚀速率急剧下降，反映了生物附着层和腐蚀产物层对基体金属具有较好的保护作用。点蚀坑深度虽有所增加，但整体数值偏低，2 a期试样最大不超过12 μm，其在全浸环境下具有较好的耐点蚀性能。

图5 西沙全浸区暴露不同周期后EH36和CM690钢的点蚀深度

图7 西沙全浸区暴露不同周期后316L不锈钢的腐蚀速率和平均缝隙深度

图9 5083铝合金西沙全浸区微观腐蚀形貌

图10 西沙全浸区暴露不同周期5083铝合金腐蚀速率和点蚀深度

3 结论

1）西沙全浸环境下EH36和CM690表面均覆盖满土灰色污损生物与分泌物，其下生成大量黑色疏松锈蚀产物，腐蚀严重。CM690腐蚀速率要大于EH36，但点蚀深度则规律相反。

2）316L不锈钢腐蚀轻微，表面被大量海洋污损生物及其分泌物附着。其本身具备较好的耐均匀腐蚀性能，但缝隙腐蚀敏感性较高，腐蚀质量损失主要源自缝隙腐蚀。

3）5083铝合金以局部腐蚀为主，但点蚀深度数值偏低，2 a期试样最大不超过12 μm。几种典型金属材料西沙全浸条件下腐蚀规律一致，前期腐蚀速率较高，后期趋缓。

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Corrosion Behavior of Typical Metal Materials in Xisha Marine Immersion Zone

DING Kang-kang, PANG Kun, GU Liang-hua, ZHANG Peng-hui, HOU Jian, SUN Ming-xian

(State Key Laboratory for Marine Corrosion and Protection, Luoyang Ship Material Research Institute, Qingdao 266237, China)

To investigate corrosion behaviors and rules of typical metal materials in Xisha marine immersion zone.Field exposure test was carried out on marine steels of EH36 and CM690, 316L stainless steel as well as 5083 aluminium alloy materials at Xisha for 0.5 a, 1 a and 2 a. After samples were retrieved, the corrosion morphology characteristics and kinetics rules were analyzed.The corrosion rate of CM690 was higher than that of EH36, while the rule was opposite for the pitting depth; serious crevice corrosion occurred on 316L stainless steel, and it was mainly local corrosion for 5083 aluminum alloy.Under the test conditions, the corrosion weight loss and pitting corrosion of EH36 and CM690 steel are the most serious; the biofouling of 316L stainless steel and 5083 aluminum alloy is severe, accompanied by local corrosion.

metal; Xisha areas; immersion zone; corrosion

10.7643/ issn.1672-9242.2019.04.012

TG172.5

A

1672-9242(2019)04-0065-07

2018-11-06；

2018-12-01

丁康康（1990—），男，山东青岛人，硕士，工程师，主要研究方向为材料腐蚀与防护。