海底海缆镀锌钢丝铠装层在模拟海水中腐蚀研究

2023-11-10李金

河南科技 2023年20期

李金

（江苏航运职业技术学院，江苏南通 226010）

0 引言

为了应对全球气候变化，人们越来越关注可再生能源。在再生资源中太阳能和风能利用较为成熟。随着我国风电技术的持续发展及对能源需求的增加，风电必将成为我国沿海地区可持续发展的重要再生能源来源。深海海缆是深海油气资源开发及海上风电系统中的重要装备［1］。

海底电缆服务环境恶劣，高盐分的海水极具腐蚀性，本研究旨在分析海水中诸多因素对镀锌钢丝铠装层腐蚀的影响。试样为某公司海缆，其结构如图1 所示，海底电缆必须要层层保护，除鲨鱼等海洋生物撕咬海缆外，海缆还受到船锚、渔船拖网和自然灾害的威胁，容易遭到破坏，有时也会遭到人为破坏。海底电缆铺设环境隐蔽，目前缺少水下监控证据，一旦被人为破坏就难以修复，也很难找出罪魁祸首。海底电缆的维修是海洋工程中最大的难点之一。相对陆地上的电缆而言，海底电缆的维修时间更短，施工风险更大，受天气、海域深度的影响显著，维修成本远高于陆地维修。因此，海缆材料要求结实防腐耐用，以提高使用寿命。

图1 某公司三芯海缆的结构

1 试验材料

试验用镀锌钢丝铠装层为某公司海底电缆，其铠装层组成材料的化学成分见表1。

表1 试验用镀锌钢丝铠装层的化学成分

模拟海水腐蚀试验试样为镀锌钢丝棒，其尺寸为Ø6 mm× 15 mm。试验前，用水砂纸将试样表面从400#到1500#逐级打磨，先使用丙酮超声波清洗10 min，然后用蒸馏水清洗，最后采用无水乙醇清洗，干燥后在电子天平上进行称量，备用。将棒状试样上端圆柱表面缠绕上导线，外侧用绝缘胶带粘牢，最外侧用硅胶彻底密封，防止导线与溶液接触。其中一个底面也用硅胶密封，最终暴露出的试验表面为圆棒试样的一个底面，面积为28.26 mm2，然后放入黄海模拟海水溶液中。

试验所用模拟海水溶液根据表2 配制而成，对黄海海水成分进行取样检测分析，结果显示，黄海海水成分中所含主要阴离子有Cl-、SO42-和HCO3-等，其余阴离子的含量较少，可忽略不计。本次试验主要研究阴离子对镀锌钢丝的影响。因此，为了研究黄海海水中所含主要离子对镀锌钢丝的腐蚀作用，根据取样检测分析结果配制4 种试验溶液，分别为只含2.52×103mg/L SO42-的1号溶液，只含1.41×104mg/L Cl-的2号溶液，只含147.8 mg/L HCO3-的3号溶液和模拟海水溶液4号溶液（含2.52×103mg/L+1.41×104mg/LCl-+147.8mg/LHCO3-）。每组设置3个平行试样，试验在常温（25 ℃）下进行。

表2 海水中各离子的含量

2 试验设备

电化学试验在型号为CS2350H电化学工作站上完成，采用标准三电极体系，三电极即对电极（CE）、铂（Pt）电极和参比电极（RE），参比电极（RE）采用饱和甘汞电极（SCE），研究电极为海缆镀锌钢丝铠装层。

3 试验过程与结果

在常温下先做试样的开路电位，然后做交流阻抗，最后采用动电位扫描做极化曲线。1～4 号每种溶液做3组平行试样，以此判断试验结果的准确性。

3.1 开路电位

镀锌钢丝铠装在4 种不同溶液中的极化曲线如图2 所示。由图2 可以看出，海缆在常温下，开路电位（相对于参比电极的电势差）测试镀锌钢丝铠装层试样开始时略有下降，试验结束前一段时间逐渐稳定。这4 种溶液中的开路电位分别为-1.031 5 V、-1.047 4 V、-0.981 5 V、-1.052 3 V。从结果来看，开路电位在4 号溶液（即混合溶液）中的数值最大，在3号溶液（只含147.8 mg/L HCO3-的溶液）中的数值最小。镀锌钢丝在模拟海水溶液中最容易发生腐蚀，3 号溶液中只含HCO3-，最难发生腐蚀。模拟海水溶液是含有三种腐蚀离子的混合溶液，溶液中还会发生离子之间的相互促进作用，因此比其他三种腐蚀严重。

图2 镀锌钢丝铠装在4种不同溶液中的极化曲线

3.2 极化曲线测得的电阻

采用阻抗频率扫描法测得镀锌钢丝铠装在1～4号溶液中的电阻见表3。

表3 试样在溶液中极化电阻的平均值

从表3 中可以看出，线性极化电阻从小到大依次是R4号溶液＜R2号溶液＜R1号溶液＜R3号溶液。在其他条件相同的情况下，极化电阻与腐蚀电流成反比，而腐蚀速率与腐蚀电流成正比。由此可以得出，镀锌钢丝在4号溶液中腐蚀最快，在3 号溶液中腐蚀最慢。在海水环境中，锌在最外面直接与海水接触，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：

镀锌钢丝置于海水中，表层锌与海水接触发生电化学腐蚀，为钢丝提供了阴极保护。同时生成的一些腐蚀产物附着在钢丝表面，减缓了进一步腐蚀，进而抑制了钢丝的腐蚀［2］。

3.3 极化曲线

镀锌钢丝铠装在4 种不同溶液中的极化曲线如图2 所示，在25 ℃下，试样在1～4 号溶液中的腐蚀电流密度见表4，腐蚀电流密度越大，腐蚀越严重，即试样在4号溶液中的腐蚀最严重。由图2可以看出，镀锌钢丝在海洋环境中以电化学腐蚀为主，且在全浸区的腐蚀最严重。这是因为随着腐蚀时间的延长，腐蚀产物形成膜包裹在试样表面的厚度会增加，腐蚀速率会有所下降［3-4］。