船舶材料抗盐水腐蚀特性中的温度参数影响

仇潞

(江苏航运职业技术学院，江苏 南通 226010)

0 引 言

海洋是一个相对比较复杂的腐蚀性环境，绝大多数金属材料在海洋环境中会受到海水的腐蚀，由此会加快损坏速度。这种情况在船舶金属材料中最为常见，一旦船体受到海水腐蚀，轻则会影响结构可靠性，严重时会诱发航行事故。为此，要全面分析船舶材料的抗腐蚀特性，并在分析过程中，充分考虑温度参数的影响。

1 海洋环境对船舶材料的腐蚀行为

1.1 腐蚀影响

海水是海洋环境的构成主体，也是目前已知水体中含盐量最高的一种。因海洋环境本身较为复杂，加之海水的腐蚀状况存在不稳定的特性，从而使得船舶材料的抗盐水腐蚀特性成为研究的重要课题之一，与船舶的使用寿命和安全性密切相关。船舶材料以金属为主，含盐量较高的海水会对船舶金属造成一定的腐蚀，正因如此，使得海水对船舶材料腐蚀性评价成为业内研究的新热点。当海水的腐蚀性强弱确定后，能够为船舶金属材料的选取以及防护措施的应用提供参考依据，从而避免资源浪费。海水的腐蚀性可以分为弱、小、中、强、高5 个等级。通过试验，对钢的腐蚀与海洋环境之间的相关性进行分析，得到如下结果：海水的温度越高、海洋生物越多，钢材的局部腐蚀越严重，也就是说，钢的腐蚀程度主要与海水的温度及海洋生物的数量有关。在深海工程技术工程的不断发展中，海洋环境中的海水对船舶金属材料的腐蚀影响备受关注，与陆地环境相比，海洋环境对船舶材料的可靠性要求更高，任何可能对船舶金属材料构成腐蚀的因素，都将会引起工程事故，由此造成的损失不可估量。所以全面系统地研究船舶金属材料的抗海水腐蚀特性显得尤为必要。

海洋环境分为浅海和深海，深海环境的复杂程度要高于浅海，在深海环境中，不但压力大，而且温度变化明显，对船舶金属材料的腐蚀比浅海更为严重。通过试验，对碳钢在不同海洋深度的腐蚀性进行研究，结果显示，除了氧浓度之外，随着深度的增大，温度随之增加，腐蚀速率进一步加快，这说明，越深的海域温度越高，对金属材料腐蚀的影响越大。基于此，在研究船舶金属材料的抗盐水腐蚀特性问题中，要充分考虑温度参数对腐蚀行为的影响。

1.2 腐蚀相关试验

本次试验中，研究对象为船用结构钢，分别用1#、2#和3#表示，该结构钢的特点是韧性好、强度高、抗爆等，其中含多种合金元素。试验中使用的海水取自某海域，温度在5℃之～32℃之间，从浅海到深海的温度变化范围为0～30℃，试验中选取的温度依次为5℃，15℃，25℃和35℃，通过恒温水浴槽控制海水的温度；国内海域的盐度在2.4%～3.7%的范围内，不同的海域，盐度存在着较为明显的差异。位于深海的海水盐度变化范围相对较小，在3.4%～3.5%之间，由于海水会受到蒸发、盐污染以及淡水注入等多重因素的影响，故在本次试验中，盐度选取4 个试验点，分别为1.6%，2.4%，3.2%，4.0%，通过加氯化钠及去离子水控制盐度；国内海域的海水pH 值变化范围在7.2～8.6，总体的变化幅度并不是很大，故此试验中选取4 个pH 值点，分别为6.5，7.5，8.5，9.5；海水水面的溶解氧约为7 ppm，在夏季气温较高的条件下，海面的溶解氧会降至5 ppm，随着深度变化，海面溶解氧的取值范围为0.5～7 ppm。基于此，本次试验中选取3 个溶解氧试验点，分别为0 ppm，2.4 ppm 和4.8 ppm，以通入氮气的方式对溶解氧的浓度进行调节。

本次试验中，试样的制备过程如下：分别将1-3#船用钢加工为尺寸统一的钢片，为便于悬挂，在每个钢片的顶部钻一个小孔，随后对钢片进行打磨，磨好后检查表面，看有无质量缺陷，如气孔、夹渣、裂纹等，确认质量合格后，为每个钢片编号；用丙酮将钢片表面的油渍处理干净，再放入不含水的乙醇溶液中清洗，最后在无水乙醇中浸泡，脱除水分，时间控制在5 min 左右；取出钢片用滤纸将其吸干，置于烘箱内干燥，温度调节到60℃左右，干燥后用提前准备好的滤纸包裹好，放入干燥器内，待24 h 后称重；将根据海洋环境参数配制的海水加入到洁净的试验容器中，钢片表面积与试验容器内的海水体积比设定为1∶70 左右，用绝缘线将钢片悬挂于海水中，两片之间保持1.0 cm 以上的距离，钢片上端与水面保持5.0 cm的距离，每组钢片做3 个平行样，整个试验持续30 天，每隔7 天更换一次海水，并对环境参数定期测量，主要包括温度、盐度、溶解氧以及pH 值等。从试验容器中将钢片取出后，用清水将表面冲洗干净，并在吹干后，置于烘箱内，将温度调节为60℃，将钢片烘干，通过三维视频，观察钢片的腐蚀产物形貌，并在腐蚀产物清洗后，用扫描电镜观察钢片基体的腐蚀形貌。腐蚀速率的计算公式为：

式中：为腐蚀速率，mm/a；和分别为试验前、后的钢片质量，g；为钢片的总面积，cm；为试验时间，h；为钢片的密度，kg/m。

2 船舶金属材料抗海洋盐水腐蚀的温度参数影响

2.1 温度变化的影响

在船体金属材料抗盐水腐蚀特性问题的研究中，温度参数作为独立的变量，因其本身所具备的特点，从而使其不会受到其他因素的影响。而随着温度变化会发生改变的因素主要有盐度、溶解氧、pH 值等，在海洋环境中，海水的温度对溶解氧具有直接影响，温度与氧的平衡溶解度存在着函数关系，通过对该函数关系的测定，可以得出海水的饱和溶解氧含量会随着温度的增大而减小，即海水的饱和溶解氧与温度成反比关系。图1 为本次试验中测得的容器内海水从0℃升高到25℃后的溶解氧含量随温度变化曲线。

图1 海洋环境中海水溶解氧含量随温度变化曲线示意图Fig.1 Schematic diagram of the curve of dissolved oxygen content in sea water with temperature in the marine environment

可以看出，随着温度的逐步升高，海洋环境中的海水溶解氧含量呈现出下降的趋势，则与上面的结论相吻合。船用钢在海洋环境中受到海水腐蚀时，氧成为阴极的去极化剂，整个反应过程都是有氧的阴极去极化控制。而含氧量则主要受到温度的影响。由此可见，温度对于海水中金属材料的腐蚀速度而言，是关键的影响因素之一。在海洋环境中，海水的pH 值随温度的变化曲线如图2 所示。

图2 海洋环境中海水pH 值随温度变化曲线示意图Fig.2 Schematic diagram of seawater pH value changing with temperature in marine environment

从图2 可以看出，随着温度的逐步升高，海水的pH 值呈现出缓慢下降的趋势。之所以会出现这样的情况，主要是因为随着温度的升高，海水中弱酸的电离常数随之增大，大气中的二氧化碳溶于水后，会生成碳酸（ HCO）的电离，这个电离过程分为以下2 步：

当海水的温度升高后，反应常数会随之增大，这样一来会使碳酸电离产生出大量的，导致的含量增多。试验结果显示，温度的升高，对海水的盐度基本无影响，在整个试验过程中，海水的温度从5℃增加到45℃后，盐度从3.18%增大到3.21%，40℃的温度变化，盐度只增加了0.03%，基本可以忽略不计。

2.2 电化学极化曲线

本次研究中，试验对象为1～3#船体钢材料，此前将其制作成钢片，船舶用钢材料在不同温度海水中的电化学阻抗变化曲线示意图如图3 所示。

图3 船舶用钢材料在不同温度海水中的电化学阻抗变化曲线示意图Fig.3 Schematic diagram of electrochemical impedance change curves of marine steel materials in seawater at different temperatures

再通过对极化曲线进行归一化运算后，可以得出如下结果：海水温度为5℃时，1#、2#和3#钢片分别为1.27×1 0，1.13×1 0，9.02×1 0；海水温度为15℃时，1#、2#和3#钢片分别为2.53×1 0，1.79×1 0，1.76×1 0；海水温度为25℃时，1#、2#和3#钢片分别为2.93×1 0，2.35×1 0，1.90×1 0；海水温度为35℃时，1#、2#和3#钢片分别为3.59×1 0，3.13×1 0，2.67×1 0。由极化曲线拟合结果可知，1-3#钢片随着海水温度的升高，腐蚀电流密度出现明显的增大现象，腐蚀电位发生不同程度的负移，这充分说明，海水中的溶解氧含量，对船体用钢材料的腐蚀速率具有显著影响，当海水的温度越高时，腐蚀电位便会降低，此时的腐蚀速率随之增大，海水对船体钢材料的腐蚀程度进一步加剧，若是不采取有效的防护措施，则会导致钢材料因腐蚀而丧失性能，从而影响船舶的结构稳定性和行驶安全性。

2.3 电化学阻抗

在不同温度的海水中，对1～3#钢片做电化学阻抗测试，具体结果如图4～图6 所示。

图4 不同温度海水中船体钢材料1#的电化学阻抗示意图Fig.4 Schematic diagram of electrochemical impedance of hull steel material 1 # in seawater at different temperatures

图5 不同温度海水中船体钢材料2#的电化学阻抗示意图Fig.5 Schematic diagram of electrochemical impedance of hull steel material 2 # in seawater at different temperatures

图6 不同温度海水中船体钢材料3#的电化学阻抗示意图Fig.6 Schematic diagram of electrochemical impedance of hull steel material 3 # in seawater at different temperatures

可以看出，随着海水温度的逐步升高，电化学阻抗幅值先升后减小，海水对钢腐蚀过程的阻力减小，当腐蚀过程的阻力减小后，钢材料的腐蚀速率进一步增大。换言之，海水温度的升高，会导致船用钢腐蚀速率增加。在海水腐蚀船用金属材料的研究中，借助电化学阻抗，对某个固定低频下的阻抗进行测量，据此表征金属材料的抗腐蚀性能。本次研究中的1-3#钢片在极低频0.01 Hz 处的阻抗值随着海水温度的升高而减小，由此导致金属材料的腐蚀加剧。

海水温度逐步升高后，1～3#钢片随着海水温度的升高阻抗值增大，温度升至35℃时，阻抗值达到最大。当海水的温度升高时，腐蚀产物会随之增多，而海水本身的含氧量则会降低，腐蚀反应变得更加容易。电化学阻抗图谱中反映出船体钢随海水温度升高，耐腐蚀减小的情况。

3 结 语

通过对船舶金属材料在海水中的腐蚀特性进行试验分析后发现，温度对海水腐蚀船体金属材料具有直接影响，随着海水温度的不断升高，腐蚀速率会进一步加剧，由此容易导致船体金属材料早期破坏。因此，在造船的过程中，要对盐水腐蚀问题中温度影响予以充分考虑，确保选用的金属材料具有良好的抗腐蚀特性。