海洋环境中金属腐蚀与防护的研究进展

宋志政　倪文杰

摘  要：海洋是生命的摇篮，是人类重要的资源储存库，其面积占地球面积的71%。近年来，海洋开发已成为世界三大发展方向之一，而21世纪则将是“海洋发展的新时代”，而海洋的开发首先要面对的是恶劣而复杂的海洋环境。文章从海洋金属腐蚀的原理、影响因素、腐蚀规律、防护技术及展望等方面来介绍海洋环境中金属腐蚀与防护。

关键词：海洋环境;金属腐蚀;腐蚀规律;腐蚀防护

前言

金属腐蚀是指金属或合金在氧气、水以及其他物质的作用下发生的腐蚀或变色，腐蚀产物一般表示为xFe₂O₃·y FeO·z H₂O。海水是一种含盐量高的电解质溶液，金属在海洋环境中经过各种因素的作用发生的腐蚀即为海洋腐蚀。海洋金属腐蚀是非常普遍的，给人们带来了巨大的经济损失和学术困扰。随着全球海洋战略的发展，研究海洋环境中金属的腐蚀规律，腐蚀的防护等有着极为重要的意义。

1.海水腐蚀原理及影响因素

1.1海水腐蚀原理

海水是高含盐量的电解质，海水对金属的腐蚀作用本质上是电化学反应过程。由于海水中金属腐蚀的阳极极化阻滞小，所以腐蚀速度快;只有镁等少数电负性较强的金属腐蚀时产生阴极的氢去极化作用。

1.2影响海水腐蚀的因素

1.2.1盐类及其浓度

海水中盐类主要是NaCl，盐度大约为32%～34%之间，水的电导率随着水中含盐量的增加而增大，但是DO值随水中含盐量增加而降低。当含盐量较低时，随盐度的增加，氯离子浓度增大，使阳极反应加快，导致腐蚀速率增大;当水中含盐量达到一定值后，金属的腐蚀速率会随含盐量的增加而降低，其原因在于水中盐度增加，DO降低。

1.2.2PH值

海水的PH范围为7.2～8.6，影响海水PH的因素有溶解的CO₂，海洋生物的生理作用，动植物死亡后分解的碳酸盐等，由于海水呈中性，所以对腐蚀的影响力较小。然而，在深海区PH会降低一些，不易形成碳酸盐水垢，腐蚀速度会有所增大。

1.2.3碳酸盐饱和度

海水中的碳酸盐浓度一般处于饱和状态，较易于在金属的表面沉积而形成保护层。在出海口处，碳酸盐不饱和，所以难以析出保护层，尽管电解本身的腐蚀性并不是很强，但腐蚀速度会加大。

1.2.4溶解氧含量

一般情况下，海水中DO值可达到12mg/L。当海水中DO值增大时，金属的腐蚀速度会加快。波浪及绿色植物的光合作用会提高海水中DO值，海洋生物的呼吸作用以及微生物的分解作用会降低DO值，污染海水中溶解氧含量会大大降低，DO值也会随海水深度的不同而有相应的变化。

1.2.5温度

金属的腐蚀速率随温度的升高而加快。通常情况下认为海水温度每升高10℃，金属腐蚀速率变为原来的两倍。但海水中的溶解氧含量会随温度的升高而降低，使金属的腐蚀速率降低。铁、铜及其合金在炎热的环境中海水腐蚀速度较大。

1.2.6流速

随着流量的增大海水的腐蝕速率增加。对于钛、镍合金和高铬不锈钢等能在海水中钝化的金属而言，一定的流速可以促进它们的钝化，从而提高了其耐腐蚀性能。

1.2.7海洋生物

海洋生物会在船舶和海洋建筑等的表面留下缝隙，导致缝隙腐蚀。除此之外，微生物产生的NH₃、H₂S和CO₂等腐蚀性物质，硫酸盐还原菌产生的O₂等均能够加快金属的腐蚀。

2.海洋腐蚀规律

海洋腐蚀环境研究主要是从环境角度来考察海洋环境下材料的腐蚀程度问题。海洋腐蚀环境一般包括以下五个腐蚀带区。

2.1大气区

海盐微粒和陆地大气是该区域的主要影响因素。大气区中，干燥的金属表面与含盐湿膜在一定时间内交替变换，最终形成物理和电化学作用加快金属的腐蚀速率。

2.2飞溅区

海水的飞溅导致金属表面经常处于潮湿状态，而且表面的氧气充足，阳光的照射又可以提高海水的温度，这就形成了海洋腐蚀中最好的腐蚀条件，因此飞溅区也是海洋腐蚀最严重，破坏性最大的区域。

2.3潮差区

潮差区中水线上方的金属比下方的金属供氧充足，两者构成一个回路，富氧的潮差区为电池的阴极，缺氧的区域为电池的阳极，形成了一个大型的氧浓差腐蚀电池。所以，潮差区的金属由于阴极保护作用而腐蚀速率最慢。

2.4全浸区

全浸区中，浅海的腐蚀速率往往比大气腐蚀快，而深海区由于溶解氧含量以及水温低的原因，腐蚀速率较缓慢。

2.5海泥区

海泥区受海水的影响小，受硫酸盐还原菌等微生物作用影响大，由于该区域温度低，DO值小，所以设备腐蚀程度轻，在海流作用交界处会发生一定的腐蚀作用。

3.海水腐蚀的防护措施

3.1选用合适金属材料，研制新型防腐材料

海洋设施中最常用的是钢铁材料，钛、镍、铜合金在海水中的耐腐蚀性能好，但因成本高而只用于设施的部分关键部位。钢铁材料的牌号多种多样，使用时应进行合理的选择和搭配。

3.2涂层保护

涂层防护是金属材料在海洋环境中防腐蚀最常用的方法，涂层材料主要有防锈涂料和防生物污染涂料等。

3.3电化学保护

电化学保护有阳极保护法和阴极保护法两大类。阳极保护法是基于金属钝化原理，对金属材料通过阳极极化电流，在表面形成耐腐蚀的钝化膜来降低金属腐蚀速率的保护措施。阴极防护法常用于海水全浸区的金属防腐，主要有外加电流的阴极防护法和牺牲阳极的阴极防护法。

4.展望

随着“一带一路”、“海洋强国”等战略政策的提出及实践，我国对海洋的开发力度正在逐渐加大，世界各国也在加快海洋建设的步伐。但是现有的防腐技术在复杂的海洋环境腐蚀环境中仍有一些缺点和不足，“海洋开发新时代”的到来必然会加快海洋防腐研究的进一步发展，促进人类经济、社会的发展。

参考文献

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作者简介：宋志政（1998-），男，山东淄博人，现于山东科技大学化学与环境工程学院攻读学士学位，主要从事环境工程相关的专业研究。