热带滨海景观设施的腐蚀特征及其影响因素简析

2021-08-16容宇媚张际标陈春亮邓培昌胡杰珍

装备环境工程 2021年7期

容宇媚，张际标，2，陈春亮，邓培昌，胡杰珍

（1.广东海洋大学 a.化学与环境学院 b.分析测试中心 c.机械与动力工程学院，广东湛江 524088；2.南方海洋科学与工程广东省实验室（湛江），广东湛江 524000）

热带滨海地区大气具有高温、高湿、高盐雾的热带气候环境特点，是金属材料和设施遭受大气腐蚀破坏的重灾区。随着我国经济社会的高速发展和人民生活水平的快速提升，民众对健身和娱乐的需求日益旺盛，为此滨海地区健身、游乐和观赏设施的数量和规模均得到快速的发展。由于对各类金属设施在热带海洋环境中的腐蚀状况知之甚少，滨海景观设施的选材和维护长期依赖经验，导致大量的景观设施由于腐蚀破损而快速丧失其娱乐和景观功能，甚至酿成重大安全事故。

目前，国内对滨海地区设施腐蚀方面的研究集中在某一种或几种金属及其合金材料的腐蚀状况、腐蚀规律以及防腐蚀措施和防腐技术等方面。例如滨海地区大气环境下金属工艺材料腐蚀行为[1-3]、滨海地区输电铁塔、海上风电塔架[4-6]、现场机械设备[7]及电厂钢结构[8-9]等防腐蚀研究。国外对滨海地区大气腐蚀的研究主要涉及金属设施腐蚀失效的预测方法[10]、金属腐蚀机理[11-12]、模拟金属及合金的腐蚀行为[13]、金属及合金热喷涂层的防护性能[14-16]等。影响腐蚀的环境要素有多种，学者们通过研究各类设施在海洋大气环境下的腐蚀特征，认为Cl–、SO42–、湿度以及尘粒是滨海地区大气腐蚀的主要因素[17-23]。

综上所述，国内外对滨海地区设施腐蚀方面的研究多以某一种或一类金属及其合金材料为研究对象，探讨其腐蚀行为，对滨海城市景观设施在热带海洋环境中的总体腐蚀状况的调查及研究很少。为此，文中以广东省3个典型热带滨海城市（湛江、珠海和深圳）为调查目标，围绕各类滨海景观设施展开大气腐蚀调查，以了解滨海景观设施的腐蚀状况，探寻影响景观设施大气腐蚀的主要环境因素，为滨海景观设施的设计和选材、养护及安全管理提供技术支持。

1 材料和方法

1.1 调查地点

在湛江选取了3个调查地点，分别为湛江海滨公园（Zhanjiang Seashore Park，ZJSP）、金沙湾（Jinsha Bay，JSB）和东海岛龙海天浴场（Longhaitian Bath，LHTB）；在珠海选取了5个调查地点，分别为珠海海滨公园（Zhuhai Seashore Park，ZHSP）、景山公园（Jingshan Park，JSP）、野狸岛公园（Yelidao Park，YLDP）、珠海大剧院（Zhuhai Grand Theatre，ZHGT）和格力海岸海滨公园（Gree Coast Seashore Park，GCSP）；在深圳选取了6个调查地点，分别是深圳湾公园（Shenzhen Bay Park，SZBP）、深圳湾运动公园（Shenzhen Bay Sports Park，SZBSP）、深圳人才公园（Shenzhen Talent Park，SZTP）、女娲海滨公园（Nuwa Seashore Park，NWSP）、东和公园（Donghe Park，DHP）和盐田区海滨健身广场（Yantian District Seashore Fitness Plaza，YTSFP）。各热带滨海城市的具体调查位置分布如图1所示。

图1 广东省三个调查城市所在位置和调查站位分布Fig.1 Survey sites and stations of three cities in Guangdong province: a) location of three survey cities in Guangdong province; b)survey stations in Zhanjiang city; c) survey stations in Zhuhai city; d) survey stations in Shenzhen city

1.2 调查内容

本次调查的内容包括每个调查点的经纬度、各设施距海岸线的距离、设施腐蚀部位、腐蚀类型以及腐蚀程度。参考Champion的腐蚀标准样图，根据单位面积中腐蚀面积的大小，将腐蚀面积和尺寸定义为：极微小（0.0006 cm2）、微小（0.003 cm2）、小（0.016 cm2）、中（0.08 cm2）、较大（0.4 cm2）、大（2.0 cm2）和很大（10.0 cm2）等7种类型。根据这一标准，定义每个设施被腐蚀的程度，并比较了设施向海面和背海面腐蚀状况的差异。

在湛江3个站位中，调查了47种设施；在珠海5个站位中，调查了55种设施；在深圳6个站位中，调查了66种设施。将调查的金属设施分为游乐设施、体育健身设施、美化设施（钢雕、铜雕等）、休息设施（长椅、凳子）、公共卫生设施（垃圾桶）、信息设施（导向牌、警示牌等）、服务设施和交通设施等8大类。各个城市中所调查的设施类型及各类设施的占比情况如图2所示。据图2显示，三个城市调查的设施以游乐和体育健身设施为主，其中珠海的景观设施中游乐设施占据很大的比例。

图2 湛江、珠海、深圳三个城市调查的各类景观设施占比情况Fig.2 Type proportions of landscape facilities surveyed in three cities of Zhanjiang, Zhuhai and Shenzhen

1.3 调查分析方法

调查分析方法分为宏观调查、微区检查方法和数据处理方法。宏观调查中，每个调查站位的经纬度用GPS定位仪定位，并记录。每种设施离海岸线的距离在高清卫星地图下载器（BIGEMAP）上定位，并测定。用肉眼和高清相机（Nikon 1J5）观察各景观设施的微区腐蚀状态、类型和受腐蚀部位，并借助软尺测量计算腐蚀的面积。最后根据Champion的标准图谱法计算设施腐蚀面积的大小，定义设施表面腐蚀的程度。

各城市调查站位图用ARCGIS制作，用excel进行数据统计和分析，并用Origin绘制各数据变化图。

2 结果与分析

2.1 广东省滨海景观设施的主要腐蚀类型

广东省滨海景观设施表面主要以涂层和金属材料自身的致密氧化膜保护层作为防腐措施（见图3）。除此之外，珠海及深圳的设施还采取了部分其他防腐蚀措施。例如在珠海调查的旋转飞椅类游乐设施中，有钢链连接部分包裹了塑料保护层，在深圳调查的游乐设施中，有螺丝钉连接部位均在螺丝钉表面套上一个胶帽，使螺丝钉隔绝大气环境。通过对比可知，珠海和深圳的景观设施的防腐蚀措施比湛江多。

图3 3个热带滨海城市景观设施防腐蚀的措施Fig.3 Anti-corrosion measures of landscape facilities in three tropical cities: a) Zhanjiang; b) Zhuhai; c) Shenzhen

通过调查统计3个城市各类设施的腐蚀类型，发现全面腐蚀、磨损腐蚀、缝隙腐蚀、焊缝腐蚀及点蚀是常见的腐蚀类型。其中缝隙腐蚀和焊缝腐蚀发生在各类型设施内；而磨损腐蚀主要存在于游乐设施和体育健身设施中；全面腐蚀出现频次较小，只在湛江调查站位中25%的美化设施、50%的交通设施和珠海调查站位中25%的美化设施中出现，如图4a—c所示。根据统计分析3个调查城市中景观设施出现不同腐蚀类型的频次（见图4d）可知，湛江、珠海及深圳的景观设施发生缝隙腐蚀的频次分别是63.8%、61.8%、74.2%，发生焊缝腐蚀的频次分别是53.2%、56.4%、50%，可见缝隙腐蚀和焊缝腐蚀景观设施的主要腐蚀类型。由于设施的连接形式多样及设施接地安装的缘故，设施发生缝隙腐蚀和焊缝腐蚀的部位主要存在于设施的凹槽部位、镶嵌部位、钢材转折部位、构件连接部位、焊接部位、与地面连接部位等易遭受腐蚀的脆弱部位；磨损腐蚀主要出现在有轨道滑行类游乐设施的轨道表面、体育健身设施扶手、脚踏部位；点蚀主要出现在设施表面。

图4 3个热带滨海城市景观设施发生腐蚀的类型和频次Fig.4 Corrosion types and occurrence frequency of landscape facilities in three tropical coastal cities: a) Zhanjiang; b) Zhuhai; c)Shenzhen; d) occurrence frequency of different types of corrosion in three cities

2.2 离海不同距离景观设施的腐蚀特征

根据Champion的腐蚀标准样图，定义了景观设施腐蚀程度的类型：极微小（0.0006 cm2）、微小（0.003 cm2）、小（0.016 cm2）、中（0.08 cm2）、较大（0.4 cm2）、大（2.0 cm2）和很大（10.0 cm2）。通过比较3个调查城市的景观设施腐蚀程度与离海距离远近的关系（见图5a—c）可知，在0~100 m、101~200 m、201~300 m等3个离海距离范围内，湛江、珠海及深圳的景观设施发生很大面积腐蚀的平均比例分别是7.2%、2.8%、0%；发生大面积腐蚀的平均比例为分别是27.7%、5.6%、23.8%；发生较大腐蚀面积的平均比例分别是10.6%、25%、4.8%。3个城市的景观设施发生很大面积腐蚀的平均比例随着离海距离的增大而减小，发生大及较大面积腐蚀的平均比例随着离海距离的增大先增大再减小。

统计3个城市景观设施腐蚀程度的占比情况（图5d）可知，湛江、珠海、深圳的景观设施发生很大面积腐蚀的比例分别是12.8%、1.8%、0%；发生大面积腐蚀的比例分别是42.6%、20%、4.5%；发生较大面积腐蚀的比例分别是17%、18.2%和9.1%。根据3个城市腐蚀程度的占比情况，认为湛江发生大面积的腐蚀程度的比例比珠海及深圳高。

图5 3个滨海城市景观设施腐蚀程度与离海远近的关系Fig.5 Relationship between facility corrosion and distance from the sea in three coastal cities: a) Zhanjiang; b) Zhuhai; c)Shenzhen; d) proportion of corrosion types in three cities

对比总结3个城市的景观设施的腐蚀特征，认为景观设施的腐蚀程度具有随着离海距离的增大而减小的趋势。3个城市景观设施的腐蚀程度有所区别，表现为湛江的景观设施腐蚀程度比珠海和深圳大。

2.3 不同向海方向下景观设施的腐蚀特征

通过对比景观设施朝海面和背海面腐蚀面积的差异，统计分析了3个城市14个调查站位的景观设施朝向的腐蚀状况，如图6所示。可以看出，湛江市的3个调查站位中，景观设施向海面出现大面积腐蚀的概率更高，湛江海滨公园（80%）、龙海天浴场（85.7%）、金沙湾（93.8%）的景观设施向海面腐蚀面积比背海面大。珠海市的5个调查站位中，有66.7%的景观设施向海面和背海面的腐蚀面积大小无明显差异，其余4个调查站位的景观设施向海面出现大面积腐蚀的比例更高。深圳市的6个调查站位中，有2个站位的景观设施向海面出现大面积腐蚀比例高，分别为深圳湾公园调查的所有景观设施和深圳湾运动公园中84.6%的景观设施；有3个调查站位中景观设施向海面和背海面的腐蚀面积大小无明显差异的比例高，分别为深圳人才公园（53.8%）、女娲海滨公园（70%）、东和公园（100%）。

图6 景观设施腐蚀程度与朝向的关系Fig.6 Relationship between corrosion degree and orientation of landscape facilities

通过分析3个城市景观设施腐蚀程度与朝向及离海远近的关系（见图7），了解到景观设施在0~100 m、101~200 m、201~300 m、301~400 m、401~500 m的距离范围内，向海面腐蚀面积比背海面大的比率分别是79.2%、68.8%、53.3%、35.3%、0%，向海面和背海面腐蚀面积无明显差异的比率分别20.8%、25%、33.3%、58.8%、100%。认为向海面腐蚀面积大的比率随着离岸距离的增大而减小，而景观设施向海面和背海面腐蚀面积无明显差异的比率随着离岸距离的增大而增大。汇总14个调查站位的景观设施在不同向海方向下的腐蚀特征，认为景观设施发生向海面腐蚀大的概率更高，且随着离海距离的增大而减小。

图7 3个城市景观设施腐蚀程度与朝向、离海远近的关系Fig.7 The relationship between the corrosion degree of landscape facilities and their orientation, distance from the sea in three cities

3 影响滨海景观设施腐蚀的环境因素简析

气象要素和污染物是主要的大气腐蚀影响因素。气象因素包括温度、相对湿度、表面湿润时间、降雨和光照等。大气污染物包括SO2、海盐粒子（Cl－）、NOx、H2S、NH3、无机物和有机物尘埃等[20]。为此，结合调查城市的相对湿度、大气污染物浓度与设施的腐蚀状况，分析热带滨海大气环境要素对景观设施的腐蚀影响。

3.1 相对湿度

相对湿度是影响金属大气腐蚀的重要因素之一。大气中相对湿度越大，空气中所含的气态水达到饱和而凝结成液态水附着在金属表面结露越容易，产生冷凝作用越明显，腐蚀速率也相应增加[20]。根据国家气象信息中心的历史气候背景[24]，可获得湛江、珠海和深圳1981—2010年的累年各月平均相对湿度（见图8），其中湛江的年平均相对湿度为81.33%，珠海约为79.75%，深圳约为74.92%。每种金属都有发生腐蚀的临界相对湿度，如碳钢的腐蚀临界相对湿度值约为65%[21]。当金属表面液膜溶解有其他腐蚀性介质时，金属发生腐蚀的临界相对湿度会下降。3个城市的年平均相对湿度都在70%以上，其中，湛江和珠海属于潮湿型环境（RH＞75%），金属设施在潮湿环境下的腐蚀速率增加，这与图5d中湛江和珠海景观设施的腐蚀程度比深圳大的结果相一致的。

图8 湛江、珠海和深圳1981年到2010年的月平均相对湿度Fig.8 Monthly average of relative humidity in different coastal cities of Zhanjiang, Zhuhai and Shenzhen from 1981 to 2010

3.2 大气污染物含量（Cl–、NOx、SOx）

依据大气中含有的腐蚀性介质种类，可以把大气环境分为2类[23]，即含有Cl－的海岸大气以及含有SO2的工业大气。我国的整个东南沿海经济区，已发展为既含有Cl－又含有SO2的工业-海岸大气区[25]。文中调查的湛江、珠海和深圳处于东南沿海经济区内，滨海设施受到工业环境因子和海洋环境因子的共同影响。

1）工业大气腐蚀性因子。工业大气腐蚀性因子包括SO2、SO3和NH3等，以SO2为主[26]。在工业大气污染中，SO2影响腐蚀的机理为：SO2被薄液膜吸附形成 H2SO3，进而被氧化成H2SO4[25]，H2SO4是强酸，具有强腐蚀性，会促使活泼的金属溶解，使金属的腐蚀速率增大。氮化物的主要腐蚀性成分为NO2–。有研究表明[27]，当NO2–浓度足够高时，能使钢筋表面形成完整的钝化膜，起到保护作用；用量不足时，可能使钢筋表面形成小阳极、大阴极的腐蚀电池，反而加速金属腐蚀。根据2014—2018年湛江、珠海和深圳等官方环境质量报告（表1—3）可知，湛江的SO2浓度（11.2 μg/m3）比珠海（8.6 μg/m3）和深圳（8.0 μg/m3）略高，而珠海（31.2 μg/m3）和深圳（32.0 μg/m3）的NO2浓度大约是湛江（15.4 μg/m3）的2倍。

表1 湛江市2015—2018年污染物含量Tab.1 Pollutant content in Zhanjiang city from 2015 to 2018 μg/m3

2）海岸大气腐蚀性因子。海岸大气中的腐蚀性因子主要是氯离子的含量。海盐中的Cl－会引起金属钝化膜破裂，溶于液膜中形成强腐蚀介质。当其浓度超过氯离子的临界浓度时，发生点蚀，促进阳极溶解过程[28-29]。有研究表明[30-31]，热带海岛大气中氯离子沉降速率较大，随着离海距离的增加，盐雾的浓度及沉积速率均会下降。

表2 珠海市2015—2018年污染物含量Tab.2 Pollutant content in Zhuhai city from 2015 to 2018 μg/m3

表3 深圳市2015—2018年污染物含量Tab.3 Pollutant content in Shenzhen city from 2015 to 2018 μg/m3

结合大气污染物腐蚀影响机制及滨海景观设施腐蚀特征分析，认为湛江的滨海景观设施发生腐蚀程度大的比例更高，可能与湛江大气环境中相对湿度高、SO2含量较高和含量较低有关。根据设施腐蚀程度与距离海岸远近的关系分析可知，随着设施离海岸距离的增大，设施腐蚀程度较小，这一规律与Cl－随着离海岸距离的增大，沉降速率减小相一致[22]，认为Cl－是影响设施腐蚀程度的一个重要因素。