近年來，隨著海洋資源的不斷開發(fā)與利用，海洋工程裝備得到了快速發(fā)展，鋼鐵作為主要結(jié)構(gòu)材料在苛刻的海洋環(huán)境中面臨著嚴(yán)峻的電偶腐蝕問題。電偶腐蝕指兩種及以上電化學(xué)性質(zhì)不同的金屬在同一導(dǎo)電介質(zhì)中接觸后形成腐蝕原電池，也稱作接觸腐蝕。它是一種常見且會(huì)帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失的腐蝕。電偶腐蝕發(fā)生時(shí)，通常伴隨著各類局部腐蝕，如應(yīng)力腐蝕、點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、氫脆等，加速設(shè)備損壞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。海洋裝備結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境苛刻，難以檢測(cè)和維護(hù)，一旦發(fā)生失效或者破損，極易導(dǎo)致災(zāi)難性后果，除了縮短海洋工程的服役壽命外，還會(huì)引起環(huán)境災(zāi)難等事故。然而，海洋環(huán)境的綜合性、動(dòng)態(tài)化，導(dǎo)致電偶腐蝕問題十分雜性。不同金屬材料、不同海域?qū)?yīng)的含氧量、溫度、pH、含鹽量、海水流速和海洋微生物污損等都不相同。

一、海水中鋼鐵電偶腐蝕的影響因素

影響鋼鐵電偶腐蝕的因素錯(cuò)綜復(fù)雜，海水中的電偶腐蝕除了與材料自身的電位有關(guān)，還與陰/陽面積比，海水性質(zhì)（電導(dǎo)率、含氧量、溫度、pH等）等因素有關(guān)。

① 陰/陽極面積比

在一般情況下，陽極金屬電偶腐蝕與陰/陽極面積比成正比。徐強(qiáng)等對(duì)不銹鋼與船體鋼在海水中的電偶腐蝕行為進(jìn)行了研究。當(dāng)電偶腐蝕發(fā)生時(shí)，不銹鋼為陰極，船體鋼為陽極。船體鋼的腐蝕速率和平均腐蝕深度也隨不銹鋼/船體鋼面積比減小而減小，不銹鋼則不受影響。黃桂橋等研究海水中不同電位差和面積比（電）偶對(duì)的電偶腐蝕行為，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果簡(jiǎn)化了鋼偶對(duì)的陽極腐蝕速率方程，發(fā)現(xiàn)陽極腐蝕速率與陰/陽極面積比之間存在非線性關(guān)系，并且陽極的腐蝕速率存在一個(gè)極限值，如圖1所示。

圖1 3C(碳鋼)的腐蝕速率與陰陽極表面積比的關(guān)系

② 海水性質(zhì)

海水電導(dǎo)率會(huì)影響海水中溶解氧的濃度，進(jìn)而影響電偶腐蝕的發(fā)生。此外，電導(dǎo)率越大，海水中離子和電子的傳播速度越快，這會(huì)加速鋼鐵在海水中的電偶腐蝕行為。當(dāng)海水的溫度與壓力不變時(shí)，海水的電導(dǎo)率與海水的離子組成有關(guān)。梁明輝等發(fā)現(xiàn)鋁合金/不銹鋼的電偶腐蝕速率隨著氯離子濃度的增大先增大后減小，這與氯離子對(duì)鋁合金表面鈍化膜的作用有關(guān)。HUR等研究發(fā)現(xiàn)，碳纖維復(fù)合材料/碳鋼偶對(duì)的電偶腐蝕速率會(huì)隨NaCl濃度的增加而增大。然而，電偶腐蝕速率與NaCl濃度并不一定是線性關(guān)系，GOU等發(fā)現(xiàn)隨著氯離子濃度的增加，鍍鋅鋼/紫銅偶對(duì)的電偶腐蝕速率不是單調(diào)增加而是存在一個(gè)最大值。鋼鐵在高含氧海水中的電位較高，在低含氧海水中的電位較低，兩者之間會(huì)形成氧濃差電池，加速陽極電偶腐蝕。

XING等研究了海水溶解氧含量對(duì)合金鋼/銅合金偶對(duì)的電偶腐蝕影響，發(fā)現(xiàn)電偶腐蝕速率會(huì)隨溶解氧含量的增加而增大。溫度是影響溶解氧濃度的主要因素。氧的擴(kuò)散速率隨著海水溫度的升高而逐漸增加，海水電阻則逐漸降低，電偶腐蝕速率增加。同時(shí)，溫度升高反而降低了海水中溶解氧的含量，減弱了氧的去極化速率，使得電偶腐蝕的速率降低。DONATUS等發(fā)現(xiàn)碳鋼/鋁合金偶對(duì)的電偶腐蝕速率隨著模擬海水溫度的升高而增加。楊海洋等發(fā)現(xiàn)，溶解氧含量受海水溫度變化的影響，碳鋼電偶腐蝕受溶解氧含量的影響完全被溫度影響覆蓋。

除了海水電導(dǎo)率、溶解氧含量、溫度外，鋼鐵的電偶腐蝕行為也與海水的pH和海水流速有關(guān)。降低pH一方面有利于推進(jìn)陰極過程，加速電偶腐蝕，另一方面還會(huì)影響金屬表面膜的溶解和保護(hù)膜的形成，進(jìn)而影響金屬的電偶腐蝕。史平安等發(fā)現(xiàn)當(dāng)溶液濃度不變時(shí)，隨著溶液pH的降低，鋼偶對(duì)的電偶電流密度增大，電偶腐蝕敏感性提高。CUI等發(fā)現(xiàn)模擬海水的pH降低，鋼/鋁合金偶對(duì)的電偶腐蝕加劇，這是由于隨著溶液pH的下降，鋁合金表面的鈍化膜逐漸失效。KAMBLE等發(fā)現(xiàn)，隨著溶液pH的增加，鍍鋅鋼/低碳鋼電偶腐蝕程度逐漸降低。

海水流速一方面會(huì)影響海水中溶解氧的擴(kuò)散，另一方面也會(huì)影響腐蝕產(chǎn)物對(duì)電偶對(duì)的保護(hù)作用。SHI等研究表明，在不同流速海水中，不同金屬之間存在明顯的電偶腐蝕傾向，作為陰極的金屬受到保護(hù)。HASAN研究發(fā)現(xiàn)在碳鋼表面有腐蝕產(chǎn)物形成時(shí)，流動(dòng)條件下，碳鋼/銅電偶對(duì)的電偶電流顯著大于靜態(tài)條件，這是由于流動(dòng)條件下，腐蝕產(chǎn)物無法沉積在碳鋼表面，腐蝕產(chǎn)物的保護(hù)作用被削弱。

海洋生物可以吸附在鋼結(jié)構(gòu)表面，阻止氧氣的滲透，降低鋼結(jié)構(gòu)電偶腐蝕的可能性，但它們不能形成致密的覆蓋層，反而會(huì)加重鋼結(jié)構(gòu)的電偶腐蝕。WAN等研究了在人工海水中，硫酸鹽還原菌（SRB）對(duì)不銹鋼與碳鋼電偶腐蝕的影響，發(fā)現(xiàn)含SRB培養(yǎng)基中的電偶效應(yīng)高于無菌培養(yǎng)基，其還促進(jìn)了不銹鋼在生物介質(zhì)中的電偶腐蝕，這對(duì)理解雙金屬復(fù)合管道的微生物腐蝕具有重要意義。

③ 焊接對(duì)鋼鐵電偶腐蝕的影響

二、鋼鐵與異種金屬間的電偶腐蝕

1、鋼鐵與鈦合金間的電偶腐蝕

鈦?zhàn)鳛橐环N耐海水腐蝕材料，在各類海洋工程中具有廣泛的適用性，但是鈦/鈦合金用于鋼連接時(shí)，會(huì)發(fā)生電偶腐蝕，鋼作為陽極，腐蝕加速。高心心等研究了相同面積比下，海水流速對(duì)高強(qiáng)鋼與鈦（微弧氧化）偶對(duì)電偶腐蝕的影響，發(fā)現(xiàn)電偶腐蝕速率會(huì)隨海水流速的增加而增加。郭慶錕等分析了不同條件下，鈦/碳鋼偶對(duì)在海水中的電偶腐蝕速率。結(jié)果表明，陽極的腐蝕速度與陰/陽極面積比、溫度和流速正相關(guān)，隨著陰/陽極面積比的變化，陽極的腐蝕速率存在一個(gè)極限值。李志強(qiáng)等在研究模擬海水中TA2/Q235的電偶腐蝕時(shí)也發(fā)現(xiàn)腐蝕速率與面積比有關(guān)，面積比越大，腐蝕速率越高。薛世坤等研究了在模擬海水溶液中TA2/Q235的電偶腐蝕。TA2表面有致密的鈍化膜，減弱了陰極反應(yīng)，其對(duì)Q235陽極溶解的加速效應(yīng)較弱。侯春明等研究了鈦合金與不同金屬在模擬海水中的電偶腐蝕行為，結(jié)果表明碳鋼和彈簧鋼發(fā)生嚴(yán)重的電偶腐蝕，不銹鋼的電偶腐蝕較輕，這是因?yàn)椴讳P鋼和鈦合金一樣會(huì)在表面形成致密的氧化膜，兩者間的電位差較小。彭喬等研究了鈦/碳鋼偶對(duì)在海水中的電偶腐蝕，發(fā)現(xiàn)鈦/碳鋼電偶腐蝕的陰極保護(hù)情況與面積比無關(guān)，僅與保護(hù)電位有關(guān)。作為結(jié)構(gòu)件，鈦鋼復(fù)合板耐蝕且能降低成本，還具有其他良好的后續(xù)加工性能。陳興松等研究了鈦鋼復(fù)合板在海水中，不同陰/陽面積比與腐蝕規(guī)律和陽極腐蝕深度之間的關(guān)系，為復(fù)合板在工程中的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

2、鋼鐵與鋁合金間的電偶腐蝕

鋁合金表面能自發(fā)形成鈍化膜，提高了基體材料在海洋環(huán)境中的使用壽命，在海洋工程中使用的鋁合金也成為目前的研究熱點(diǎn)。然而，由于鋼鐵材料與鋁合金材料的電位相差較大，在海洋工程中容易發(fā)生電偶腐蝕，因此需要研究海水中鋼鐵/鋁合金的電偶腐蝕行為，找到防護(hù)措施，延緩電偶腐蝕進(jìn)程。劉宇等研究了海水中鋁合金與不銹鋼的電偶腐蝕行為。兩者接觸，大大提高了鋁合金的腐蝕速率，避免了不銹鋼被腐蝕。陳猛等在海水中對(duì)鋁合金/雙相鋼偶對(duì)進(jìn)行電偶腐蝕試驗(yàn)，形成電偶后，隨著面積比的增大，鋁合金的腐蝕速率也逐漸增加。KIMOTO研究了海水中四種鋁/鋼偶對(duì)的電偶腐蝕。發(fā)現(xiàn)偶對(duì)的腐蝕速率大于不與其他金屬連接的鋁的腐蝕速率，偶對(duì)的腐蝕速率依次為鋁/碳鋼>鋁/不銹鋼>鋁/鐵鋁合金。王建民等研究發(fā)現(xiàn)在模擬海水中鋁-鋼復(fù)合板會(huì)發(fā)生電偶腐蝕，鋁復(fù)合板腐蝕嚴(yán)重，并且隨著時(shí)間的推進(jìn)，腐蝕速率會(huì)逐漸降低。劉玲霞則發(fā)現(xiàn)爆炸復(fù)合板的加工工藝會(huì)導(dǎo)致接頭處的電偶腐蝕問題更嚴(yán)重和復(fù)雜，針對(duì)這種情況，提出了防護(hù)措施。為了降低鋼/鋁偶對(duì)的電偶腐蝕，TAKUMI等研究了陽極極化對(duì)鋼/鋁偶對(duì)在人工海水中電偶腐蝕的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)陽極氧化可以提高局部腐蝕的起始電位，有效防止電偶腐蝕。鋼與鋁合金之間電位差較大，當(dāng)它們?cè)诤Ｋ薪佑|后會(huì)發(fā)生電偶腐蝕，鋁合金作為陽極被腐蝕，鋼作為陰極被保護(hù)，因此鋁合金可以作為犧牲陽極材料，對(duì)鋼進(jìn)行陰極保護(hù)。

3、鋼鐵與銅合金間的電偶腐蝕

研究證實(shí)銅具有抗生物污損的特性，可以殺死海洋生物，降低腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，因此銅合金被廣泛應(yīng)用在海洋工程中。王炳欽等模擬研究了異種金屬管道在海水中的電偶腐蝕行為，在試驗(yàn)過程中，鋼管道發(fā)生電偶腐蝕，銅和銅合金管道受到陰極保護(hù)，同時(shí)電偶腐蝕深度與距離耦接處的位置有關(guān)，耦接處最大，并沿著橫向逐漸降低。XIE等研究了含有人為缺陷的有機(jī)涂層下碳鋼/銅合金（偶對(duì)）在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)海水中的電偶腐蝕行為。發(fā)現(xiàn)在這種情況下電偶腐蝕存在著電化學(xué)不均勻性。WANG等研究了銅合金/高強(qiáng)度鋼在不同溫度海水中的電偶腐蝕行為。發(fā)現(xiàn)偶對(duì)的腐蝕速率隨著溫度的升高而升高。武興偉等研究了海水環(huán)境中15對(duì)異金屬偶對(duì)的電偶腐蝕，發(fā)現(xiàn)銅合金與不銹鋼的電偶腐蝕不嚴(yán)重，但當(dāng)銅合金與低合金鋼耦合時(shí)，卻很容易出現(xiàn)電偶腐蝕。因此，銅合金和不同鋼耦合時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況制定防腐蝕措施。潘大偉等發(fā)現(xiàn)在海水中高強(qiáng)鋼與銅合金具有較高的電偶腐蝕性，耦接后高強(qiáng)鋼作為陽極，腐蝕加劇。劉近增等研究了不同海水流速下20鋼/錫青銅偶對(duì)的腐蝕情況，發(fā)現(xiàn)隨著流速的增加，電偶腐蝕速率先升高后小幅度下降，這是由于不同流速下電化學(xué)反應(yīng)的控制過程不同。雷冰等在模擬海水中研究了銅合金與高強(qiáng)鋼的電偶腐蝕行為與電絕緣防護(hù)技術(shù)。銅合金與高強(qiáng)鋼的電偶腐蝕效應(yīng)在流動(dòng)條件下會(huì)增大，電偶腐蝕電流會(huì)在絕緣電阻大于4 kΩ時(shí)達(dá)到最小值，所以可將4 kΩ視為判斷銅合金與高強(qiáng)鋼之間電絕緣方法有效性的標(biāo)準(zhǔn)，如圖2所示。

圖2 高強(qiáng)鋼陽極表面電流隨絕緣電阻的變化

郭娟等研究了在海水間浸和全浸條件下鋼/銅合金偶對(duì)的電偶腐蝕行為。發(fā)現(xiàn)電偶腐蝕速率和電偶效應(yīng)在間浸狀態(tài)下均較大，這可能與間浸條件下電極的工作狀態(tài)有關(guān)。HASAN研究了碳鋼/黃銅偶對(duì)在模擬海水中不同條件下的電偶腐蝕，隨著碳鋼與黃銅面積比的增大，電偶腐蝕電流增大。溫度升高時(shí)，在靜止條件下電偶電流增加了兩倍，在流動(dòng)條件下增加了三倍以上，電偶電流的隨流速的增大而增大，但偶對(duì)在高溫和高轉(zhuǎn)速的情況下會(huì)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷，黃銅表面的腐蝕更明顯。

三、鋼鐵與非金屬間的電偶腐蝕

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）不僅質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，還具有優(yōu)異的抗疲勞性、耐蝕性和高比強(qiáng)度，這意味著它具有優(yōu)良的建筑性能，有望在海洋工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。TAVAKKOLIZADEH等研究了碳纖維復(fù)合材料層壓板與鋼在人工海水中的電偶腐蝕，發(fā)現(xiàn)電偶腐蝕程度與環(huán)氧樹脂厚度有關(guān)，厚度越小碳纖維暴露的可能性越高。因此，增加環(huán)氧樹脂的厚度可有效降低電偶腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。郭曉偉發(fā)現(xiàn)在海水中碳纖維與鋼接觸后會(huì)使鋼的電偶腐蝕速度增加一倍。周柄岑等發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)于碳纖維復(fù)合材料與不銹鋼間的電偶腐蝕影響較小，試驗(yàn)初始階段電偶腐蝕電流隨著溫度升高而變大，但最終會(huì)趨于穩(wěn)定。蘇培博等發(fā)現(xiàn)人工海水中碳纖維/高強(qiáng)鋼偶對(duì)的電偶腐蝕受溫度、NaCl濃度及pH的影響，并且高強(qiáng)鋼的電偶腐蝕速率與碳纖維裸露程度呈正比。為了研究碳纖維/鋼鐵在海水中電偶腐蝕的原因，孫巍等研究了碳纖維復(fù)合材料/低合金鋼偶對(duì)在模擬海水中的電偶腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)當(dāng)碳纖維復(fù)合板與鋼連接形成電偶對(duì)時(shí)，顯著促進(jìn)了氧去極化反應(yīng)，從而促進(jìn)了鋼的電偶腐蝕速率。

劉杰等評(píng)價(jià)了海水環(huán)境中碳纖維復(fù)合材料涂層對(duì)結(jié)構(gòu)鋼的電偶腐蝕影響，發(fā)現(xiàn)涂層的完整性嚴(yán)重影響著涂層對(duì)基體鋼的保護(hù)作用。當(dāng)涂層不完整或破損時(shí)，鋼基體的電偶腐蝕速率反而會(huì)增加。為了緩解碳纖維復(fù)合材料與鋼結(jié)構(gòu)間的電偶腐蝕，WU等提出在黏結(jié)層中嵌入一層玻璃纖維布（GFS），以保護(hù)CFRP-鋼黏結(jié)系統(tǒng)免受電偶腐蝕，試驗(yàn)證明加入GFS可以降低系統(tǒng)電偶腐蝕的可能性，但是這種方法仍存在局限性，需要系統(tǒng)不涉及疲勞載荷。隨著海洋工程裝備的發(fā)展，非金屬材料的應(yīng)用也愈加廣泛，研究鋼鐵與非金屬材料偶對(duì)的電偶腐蝕，對(duì)于海洋裝備的發(fā)展具有重要意義。

四、多金屬耦合的電偶腐蝕

由于金屬材料間電化學(xué)活性的差異，各金屬在海洋裝備中應(yīng)用時(shí)很容易形成電偶腐蝕。目前，對(duì)于海洋環(huán)境中的電偶腐蝕研究，國內(nèi)外研究者主要集中于兩種金屬電連接形成的雙金屬耦合體系，然而在海洋工程中三金屬體系也很常見。石鵬飛等在海水中模擬研究了海水環(huán)境中高強(qiáng)鋼、B10銅鎳合金和TA2鈦合金的電偶腐蝕行為。研究者將多金屬耦合體系拆分為多個(gè)雙金屬的電偶體系，提出了一種基于中間電位金屬的多金屬耦合體系。在該模擬中，當(dāng)電極的排序不同時(shí)，具有中間電位的銅鎳合金均為電偶腐蝕過程中的陰極；當(dāng)電極的排序相同時(shí)，耦合體系中高強(qiáng)鋼表面的電流密度與B10與TA2面積占比間的關(guān)系為正相關(guān)。王育鑫等研究了在不同溫度的海水中907A鋼、921A鋼和980鋼多金屬耦合體系的電偶腐蝕行為。發(fā)現(xiàn)無論海水溫度如何變化，907A鋼均為偶對(duì)體系的陽極，但是 907A鋼的電偶腐蝕程度會(huì)隨溫度的升高而加深。AKID在研究海水中鋼/鋁/鋁合金間的電偶腐蝕行為時(shí)發(fā)現(xiàn)，電偶腐蝕發(fā)生的位置（靠近鋁還是鋁合金）與海水的濃度有關(guān)。WANG研究了海水中開路條件下，鈦/銅鎳合金/高強(qiáng)度鋼在多相材料體系中的電偶腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)鈦/銅鎳合金/高強(qiáng)鋼的電偶腐蝕行為符合混合電位理論，整體電偶反應(yīng)主要受高強(qiáng)鋼陽極氧化的控制。SHI等研究了不同pH的模擬海水中鋁合金/碳鋼/不銹鋼的電偶腐蝕。鋁合金始終作為體系的陽極，電偶腐蝕在堿性溶液中最嚴(yán)重，但受到腐蝕產(chǎn)物積累的影響，其電流密度隨著浸泡時(shí)間延長而降低。

五、結(jié)束語

電偶腐蝕是海洋環(huán)境中常見的一種腐蝕失效形式，能誘發(fā)多種腐蝕，是造成海洋工程損傷、失效、破壞的重要原因。隨著我國海洋資源的探索、開發(fā)、利用和保護(hù)，海洋用鋼的需求和要求也越來越高，海洋工程材料的腐蝕與防護(hù)成為制約海洋裝備長周期安全服役的關(guān)鍵問題。盡管國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)電偶腐蝕展開了大量研究，但仍存在一些問題：

1、目前關(guān)于電偶腐蝕的研究主要集中在雙金屬結(jié)構(gòu)，對(duì)于多元復(fù)雜耦合腐蝕體系的研究較少。然而實(shí)際情況中三種及以上金屬耦合的結(jié)構(gòu)更為普遍，嚴(yán)苛且復(fù)雜的工況也較多，需要對(duì)多元復(fù)雜耦合腐蝕體系進(jìn)行深入研究。

2、海水是一個(gè)復(fù)雜的體系，它的綜合性、復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性要求我們?cè)谘芯窟^程中，要注意海水因素的協(xié)同作用對(duì)電偶腐蝕的影響。

六、夢(mèng)能服務(wù)與支持

1、免費(fèi)樣品

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夢(mèng)能對(duì)技術(shù)服務(wù)團(tuán)隊(duì)始終進(jìn)行一系列的標(biāo)準(zhǔn)化管理，從專業(yè)培訓(xùn)到日常報(bào)告的管理都有一整套完善的體系。夢(mèng)能公司每年都會(huì)對(duì)技術(shù)服務(wù)人員進(jìn)行定期的技術(shù)培訓(xùn)和能力審計(jì)，以使每一位技術(shù)服務(wù)人員保持高水準(zhǔn)的專業(yè)素質(zhì)，每一位技術(shù)服務(wù)人員都配備先進(jìn)的涂裝檢驗(yàn)儀器，儀器設(shè)備均按規(guī)定的時(shí)間期限進(jìn)行定期校驗(yàn)，以保證每套儀器設(shè)備工作狀況良好。

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