3种电连接长尺寸钢样在不同海洋环境中的腐蚀行为

杨海洋,黄桂桥,韩 冰,孙丹丹,张启富

(1. 钢铁研究总院，北京 100081； 2. 青岛钢研纳克检测防护技术有限公司，青岛 266071；3. 钢铁研究总院 青岛海洋腐蚀研究所有限公司，青岛 266071； 4. 中国钢研科技集团有限公司，北京 100081)

海洋环境分为海洋大气、飞溅、潮汐(间浸)、全浸和海泥5个腐蚀区。长钢样或长试样是指在海洋环境中贯穿4个或5个腐蚀区的长尺寸钢样，与短试样对应，钢在各区有不同的腐蚀行为和特点。因长钢样处于间浸区与全浸区的部位形成宏观腐蚀电池，导致其间浸、全浸部位的腐蚀与对应高度的单独短钢结构或短试样的腐蚀有较大差别。在海洋环境中暴露的长钢样的腐蚀结果能更真实地反映钢结构(如钢桩)的腐蚀情况。

在进行长试样的暴露试验时，通常采用的方法有两种：长试样试验法[1]和电连接模拟长试样试验法[2]。长试样试验法是将整个长试样(如长钢带)进行暴露，以单位长度长试样的平均质量作为短试样的原始质量。试验结束后，再将长试样分割成短试样，评价各高度短试样的腐蚀情况(如腐蚀速率)。该方法得到的腐蚀结果能真实反映长试样的腐蚀情况，但所需试样长，试验操作难度较大。由于钢带厚度不均匀，单位长度长试样的平均质量与真实短试样的原始质量会有一定误差，从而影响腐蚀速率的准确性。电连接模拟长尺试验法是用导线将短试样按顺序连接成长试样进行暴露试验。试验结束后，分别评价各高度短试样的腐蚀情况(如腐蚀速率)。该方法的试验操作较方便，计算的腐蚀速率准确性高，但采用这种方法时，应合理选择试样的大小，尽量减小短试样间的间距，以保证模拟效果。

目前,钢在海洋环境各腐蚀区的腐蚀数据和行为大多是通过短试样暴露试验获得的[3-5]，关于长试样在海洋环境中腐蚀行为的研究报道较少。本工作通过电连接模拟长试样进行暴露试验，研究了3种碳钢和低合金钢长试样在4个试验点跨越全浸区、潮差区、飞溅区和大气区的腐蚀行为和规律。

1 试验

试验材料有3种，分别是3C碳钢、10CrMoAl和09MnNb低合金钢板材，表面磨光，表面粗糙度为3.2 m,其化学成分见表1。从试验材料上取尺寸200 mm×100 mm×(4～6) mm的短试样。以8 m长的槽钢作为试验架，用塑料隔套和不锈钢螺丝将30个短试样依次固定在槽钢上，短试样的间距为60 mm，其长边与槽钢的纵向平行，然后用防水导线依次焊接短试样，制成电导通的长试样，焊点处用环氧树脂涂封。

表1 试验材料的化学成分(质量分数)Tab. 1 Chemical composition of test materials (mass fraction) %

将长试样暴露于青岛、舟山、厦门和湛江的海洋环境中，试样最下端碰到海泥，往上依次处于全浸区(平均低潮位下方海水区域)、潮汐区(平均低潮位和平均高潮位之间区域)、飞溅区(平均高潮位上方能被海浪溅到的区域)、大气区。试验时间为1 a和2 a。试验结束后，按GB/T 5776-2005《金属和合金的腐蚀 金属和合金 在表层海水中暴露和评定的导则》的要求处理试样，计算每个短试样的腐蚀速率，绘制腐蚀速率-高度曲线。

2 结果与讨论

2.1 腐蚀速率-高度曲线

图1～4为3C、09MnNb和10CrMoAl3种钢材在青岛、舟山、厦门和湛江4个试验点的腐蚀速率-高度曲线。高度坐标以长试样最下端即全浸区和海泥区的交界点作为基准0点，同时在图中标注了平均低潮位和平均高潮位的位置，便于识别腐蚀速率最大值即腐蚀峰的位置。结果表明：在青岛、舟山、厦门和湛江4个试验点，3种钢材电连接长试样的腐蚀速率都有两个高峰值点和一个低峰值带。其中一个高峰值点出现在飞溅区，另外一个出现在全浸区，低峰值带位于潮汐区，其腐蚀较轻。这是由于潮汐区试样在海水浸泡后与全浸区试样构成宏观腐蚀电池，潮汐区试样作为腐蚀电池的阴极而受到保护，腐蚀减轻；全浸区试样作为阳极，腐蚀加速[6-9]。

(a) 1 a (b) 2 a图1 3种钢材在青岛海洋环境中暴露不同时间时的腐蚀速率-高度曲线Fig.1 Corrosion rate vs height for three kinds of steel exposed to marine environment of Qingdao for 1 a (a) and 2 a (b)

(a) 1 a (b) 2 a图2 3种钢材在舟山海洋环境中暴露不同时间时的腐蚀速率-高度曲线Fig.2 Corrosion rate vs height for three kinds of steel exposed to marine environment of Zhoushan for 1 a (a) and 2 a (b)

(a) 1 a (b) 2 a图3 3种钢材在厦门海洋环境中暴露不同时间时的腐蚀速率-高度曲线Fig.3 Corrosion rate vs height for three kinds of steel exposed to marine environment of Xiamen for 1 a (a) and 2 a (b)

2.2 腐蚀形貌

图5为在湛江海洋环境中暴露1 a后3C碳钢长试样在各腐蚀区的形貌。结果表明：大气区试样的锈层较薄，表面呈现黑褐色；飞溅区试样的锈层较为致密，与基体结合牢固；潮汐区试样的锈层薄，表面覆盖一层白色的钙镁沉积物，表面分布点蚀坑；全浸区试样的锈层较厚，锈的颜色较浅，峰值试样表面有较大面积的橘黄色锈。低合金钢09MnNb和10CrMoAl在4个试验点相同区带的腐蚀形貌和3C碳钢的相似。

(a) 1 a (b) 2 a图4 3种钢材在湛江海洋环境中暴露不同时间时的腐蚀速率-高度曲线Fig.4 Corrosion rate vs height for three kinds of steel exposed to marine environment of Zhanjiang for 1 a (a) and 2 a (b)

(a) 大气区 (b) 飞溅区

(c) 潮汐区 (d) 全浸区图5 在湛江海洋环境各腐蚀区暴露1 a后3C碳钢长试样的形貌Fig.5 Morphology of long-size 3C carbon steel specimen exposed to different corrosion zones of Zhanjiang marine environment for 1 a: (a) atmospheric zone; (b) splash zone; (c) tidal zone; (d) total immersion zone

与分别挂样相比，组成长尺寸试样的各短试样由于处于电连接状态，全浸区试样-潮汐区试样形成宏观腐蚀电池，全浸区试样由于处于全浸状态，其锈层疏松易脱落，同时腐蚀加重，形成腐蚀峰，表面点蚀加重；潮汐区试样由于受到保护作用，形成碱性环境，易于钙镁离子的附着和反应，形成白色钙镁沉积层；飞溅区试样在电连接状态下，会受到保护电流的影响，但表面电阻较大，电联接对其保护作用微弱，由于表面盐粒子含量高，供氧充分，并伴随海浪的冲击，试样严重腐蚀，形成上部区域的腐蚀峰；而电连接对大气区试样影响极小，其表面形貌与分别挂样试样的表面形貌一致，形成薄且致密的锈层。

2.3 分析讨论

表2列出了在各试验站点全浸区、飞溅区3种钢材的腐蚀速率峰值(腐蚀速率最大值)及其对应位置。

在4个站点的飞溅区，暴露时间为1 a时,试样的腐蚀速率峰值顺序为厦门>湛江>青岛>舟山；暴露时间为2 a时，腐蚀速率峰值顺序为湛江>厦门>青岛>舟山。在两个试验周期内，在舟山站飞溅区试样的腐蚀速率均最小。该现象与试验点的布局相关。在舟山站，混凝土桩帽上部宽约1.5m，桥板正处于飞溅区，混凝土桩帽和桥板的阻挡作用使飞溅区的腐蚀速率降低。

表2 在各试验站点全浸区、飞溅区3种钢材的腐蚀速率峰值及其对应位置Tab. 2 Peak values of corrosion rates and corresponding locations for three kinds of steel in immersion zone and splash zone of different test sites

在全浸区，最大腐蚀速率峰值出现在厦门站，在其他3个试验站点试样的腐蚀速率峰值相差不大。这是由于厦门站的潮汐区比其他站的大，因此处于潮汐区部分的试样长，而全浸区部分的试样短，潮汐区试样与全浸区试样形成宏观腐蚀电池时，阴、阳极的面积比增大。这使得全浸区试样的腐蚀电流密度大，最终导致腐蚀速率也增大。

在4个试验站点，3C碳钢和09MnNb低合金钢的腐蚀速率-高度曲线形状基本相同，相同高度试样的腐蚀速率也接近。在全浸区、飞溅区出现的腐蚀速率峰值接近，峰值出现的位置也相近。这说明3C碳钢和09MnNb低合金钢在海洋环境中的腐蚀行为基本相同，耐蚀性也相差不大。

10CrMoAl低合金钢的腐蚀速率-高度曲线形状与3C碳钢的差别较大。在4个试验站点的飞溅区，10CrMoAl低合金钢的腐蚀速率峰值总体比3C碳钢的小，峰值出现时相对平均高潮位高度也比3C碳钢的低0.26～0.52 m。在青岛和舟山站的飞溅区，10CrMoAl低合金钢的腐蚀速率峰值也比3C碳钢的小，在厦门和湛江站的飞溅区，10CrMoAl的腐蚀速率峰值与3C碳钢的接近。从环境条件和耐蚀性关系来看，在温度较低、飞溅区条件较温和的试验站点，10CrMoAl低合金钢的耐蚀性比3C碳钢的好；在温度较高、飞溅区条件较苛刻的试验站点，10CrMoAl低合金钢的耐蚀性与3C碳钢的接近。在飞溅区的上部，10CrMoAl低合金钢的耐蚀性好于3C碳钢的。在飞溅区的下部和潮汐区的上部，10CrMoAl低合金钢的耐蚀性比3C碳钢的差。

在4个试验站点的全浸区，10CrMoAl低合金钢的腐蚀速率显著比3C碳钢的小。在青岛站的全浸区，10CrMoAl低合金钢的腐蚀速率峰值区比3C碳钢的小，在其他3个站点的全浸区，10CrMoAl低合金钢没有明显的腐蚀速率峰值区。在青岛站的全浸区，10CrMoAl低合金钢出现腐蚀速率峰值时相对平均低潮位高度比3C碳钢的低0.26～0.78 m。在舟山和湛江站的全浸区，10CrMoAl低合金钢出现腐蚀速率峰值时相对平均低潮位高度比3C碳钢的低1.04～1.30 m。在厦门站，由于长试样处于全浸区的部分较短(短试样较少)，10CrMoAl低合金钢出现腐蚀速率峰值时相对平均低潮位高度可能不能被真实反映。张明洋等[10]在舟山定海港进行10CrCuSiV低合金钢和玛丽娜钢长钢带暴露试验时，得到的全浸区腐蚀速率-高度曲线与本工作中10CrMoAl低合金钢在舟山暴露试验结果相同。这种长钢样在全浸区没有明显峰值区的现象的原因或机理有待研究。

对暴露时间不同(2 a和1 a)的全浸区和飞溅区试样的腐蚀速率进行比较。在4个试验站点的全浸区，3种钢材暴露2 a时的腐蚀速率均比暴露1 a时的小。除湛江飞溅区外，3种钢材在其他3个试验站点飞溅区暴露2 a时的腐蚀速率均比暴露1 a时的小。与其他3个试验点比，湛江站的腐蚀环境更加苛刻，试样出现了腐蚀量和腐蚀速率同步增加的状况。有研究表明[11]，钢材中的合金元素对其在飞溅区的腐蚀存在影响。若钢材短时间处于条件相对温和环境中，铝元素能有效减轻钢材在飞溅区的腐蚀，但在长期和环境苛刻条件下，铝元素对钢材在飞溅区的腐蚀是有害的。因此，在厦门和湛江站的飞溅区10CrMoAl低合金钢的腐蚀速率较高，同时在湛江站的飞溅区出现腐蚀量和腐蚀速率同步增加的状况。

3 结论

(1) 在青岛、舟山、厦门和湛江的海洋环境中，3种钢材3C、09MnNb和10CrMoAl的电连接长试样的腐蚀速率都有两个高峰值点和一个低峰值带，两个高峰值点分别位于全浸区和飞溅区，低峰值带位于潮汐区。

(2) 在飞溅区，暴露时间为1 a时，4个站点试样的腐蚀速率峰值顺序为厦门>湛江>青岛>舟山；暴露时间为2 a时，腐蚀速率峰值顺序为湛江>厦门>青岛>舟山。在全浸区，最大腐蚀速率峰值出现在厦门站，其他3个试验点试样的腐蚀速率峰值相差不大。

(3) 在4个试验站点，3C碳钢和09MnNb低合金钢的腐蚀速率-高度曲线形状基本相同，相同高度试样的腐蚀速率也接近，与10CrMoAl低合金钢的腐蚀速率-高度曲线形状和耐蚀性有较大的差别。