海洋占地球表面積70%,海水是自然界中數(shù)量最大且具有腐蝕性的天然電解質(zhì)。我國海岸線長達(dá)18000km,海域廣闊。沿海地區(qū)的工廠常用海水作為冷卻介質(zhì),冷卻器的鑄鐵管在海水作用下,一般只能使用3~4年;海水泵的鑄鐵葉輪只能使用3個月左右;碳鋼冷卻箱的內(nèi)壁腐蝕速度可達(dá)1mm/a以上。近年來海洋開發(fā)受到重視,海上運輸工具、海上采油平臺,開采和水下輸送及儲存設(shè)備等金屬構(gòu)件受到海水和海洋大氣腐蝕的威脅愈來愈嚴(yán)重;研究海洋環(huán)境中金屬的腐蝕及其防護(hù)有重要意義。
海水為腐蝕性介質(zhì),特點是含多種鹽類,鹽分中主要是NaCl,常把海水近似地看作質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%或3.5%的NaCl溶液。
鹽度是指1000g海水中溶解固體鹽類物質(zhì)的總克數(shù),一般海水的鹽度在3.2%~3.75%之間,通常取3.5%為海水的鹽度平均值。海水中氯離子的含量很高,占總鹽量的58.04%,使海水具有較大的腐蝕性。
海水平均電導(dǎo)率為4×10-2S/cm,遠(yuǎn)超過河水和雨水的電導(dǎo)率。
海水中溶解氧,是海水腐蝕的重要因素。正常情況下海水表面層被空氣飽和,氧的濃度隨水溫一般在(5~10)×10-6cm3/L范圍內(nèi)變化。由表看出鹽的濃度和溫度愈高,氧的溶解度愈小。
表1 氧在海水中的溶解度
溫度/°C | 鹽的濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/% | |||||
0.0 | 1.0 | 2.0 | 3.0 | 3.5 | 4.0 | |
0 | 10.30 | 9.65 | 9.00 | 8.36 | 8.04 | 7.72 |
10 | 8.02 | 7.56 | 7.09 | 6.63 | 6.41 | 6.18 |
20 | 6.57 | 6.22 | 5.88 | 5.52 | 5.35 | 5.17 |
30 | 5.57 | 5.27 | 4.95 | 4.65 | 4.50 | 4.34 |
1)多數(shù)金屬,除特別活潑金屬鎂及其合金外,海水中的腐蝕過程都是氧去極化過程, 腐蝕速度由氧擴(kuò)散過程控制。
2)大多數(shù)金屬(鐵、鋼、鋅等),在海水中發(fā)生腐蝕時,陽極過程的阻滯作用很小,海水中Cl-離子濃度高,海水中用增加陽極阻滯方法來減輕海水腐蝕的可能性不大,添加合金元素鉬,才能抑制Cl-對鈍化膜的破壞作用,改進(jìn)材料在海水中的耐蝕性。
3)海水電導(dǎo)率很高,電阻性阻滯很小,對海水腐蝕,微觀電池的活性較大,宏觀電池活性也較大。在海水中,異種金屬接觸引起的電偶腐蝕有相當(dāng)大的破壞作用。如艦船的青銅螺旋槳可引起遠(yuǎn)達(dá)數(shù)十米處的鋼船殼體的腐蝕。
4)海水中金屬易發(fā)生局部腐蝕破壞。如點蝕,縫隙腐蝕,湍流腐蝕和空泡腐蝕等。
海水中鹽類,溶解氧、海洋生物和腐爛的有機物,海水的濕度、流速與pH值等都對海水腐蝕有很大的影響。
1)鹽類。
以NaCl為主,海水中鹽的濃度與鋼的腐蝕速度最大的鹽濃度范圍相近,當(dāng)溶鹽濃度超過一定值,因氧溶解度降低,金屬腐蝕速度下降,見圖8。
2)pH值。海水pH值在7.2~8.6之間。pH值可因光合作用而稍有變化;在深海處pH值略有降低, 不利于金屬表面生成保護(hù)性的鹽膜。
3)溶解氧。海水中的溶解氧是海水腐蝕的重要因素。大多數(shù)金屬在海水中的腐蝕受氧去極化作用控制。
溶解氧含量隨海水深度不同而變化. ?海水表面與大氣接觸含氧量高達(dá)12×10-6。?海平面至-800m深處,含氧量逐漸減少并達(dá)到最低值; ?海洋動物要消耗氧氣;-800m再降-1000m,溶氧量又上升,接近海水表面的氧濃度,因為深海水溫度較低、壓力較高的緣故。
4)溫度。海水溫度每升高10℃,化學(xué)反應(yīng)速度提高約10%,海水中金屬的腐蝕速度將隨之增加。但溫度升高,氧在海水中的溶解度下降,每升高10℃,氧的溶解度約降低20%,使金屬的腐蝕速度略有降低。
溫度變化與海洋生物有關(guān)。海水溫度與金屬腐蝕速度之間的關(guān)系是相當(dāng)復(fù)雜的。
5)流速。許多金屬發(fā)生腐蝕與海水流速有較大關(guān)系。尤其對鐵、銅等常用金屬存在一個臨界流速,超過此流速時,金屬腐蝕明顯加快。但含鈦和含鉬的不銹鋼,在高速海水中的抗蝕性能較好
6)海洋生物 海洋生物在船舶或海上構(gòu)筑物表面附著形成縫隙,易誘發(fā)縫隙腐蝕。
微生物的生理作用會產(chǎn)生氨、CO2和H2S等腐蝕物質(zhì),如硫酸鹽還原菌作用產(chǎn)生S2- ,會加速金屬腐蝕。
金屬材料在海水中的耐蝕性差別很大,耐蝕性最好的是鈦合金和Ni-Cr合金,而鑄鐵和碳鋼耐蝕性較差。不銹鋼的均勻腐蝕速度雖然很小,但在海水中易產(chǎn)生點蝕。常用金屬材料耐海水腐蝕性能見表2。
合金 | 全浸區(qū)腐蝕率/mm·a-1 | 潮汐區(qū)腐蝕率/mm·a-1 | 沖擊腐蝕性能 | ||
平均 | 最大 | 平均 | 最大 | ||
低碳鋼(無氧化皮) | 0.12 | 0.40 | 0.3 | 0.5 | 劣 |
低碳鋼(有氧化皮) | 0.09 | 0.90 | 0.2 | 1.0 | 劣 |
普通鑄鐵 | 0.15 | — | 0.4 | — | 劣 |
銅(冷軋) | 0.04 | 0.08 | 0.02 | 0.18 | 不好 |
頓巴黃銅 | 0.04 | 0.05 | 0.03 | — | 不好 |
黃銅(70Cu-30Zn) | 0.05 | — | — | — | 滿意 |
黃銅(22Zn-2Al-0.02As) | 0.02 | 0.18 | — | — | 良好 |
1)研制和應(yīng)用耐海水腐蝕的材料;
如鈦、鎳、銅及其合金,耐海水鋼(Mariner)。
2)陰極保護(hù) 腐蝕最嚴(yán)重處采用護(hù)屏保護(hù)較合理,亦可采用簡易可行的犧牲陽極法。
3)涂層 除應(yīng)用防銹油漆外,還可采用防止生物沾污的雙防油漆,對于潮汐區(qū)和飛濺區(qū)的某些固定的鋼結(jié)構(gòu)可以使用蒙乃爾合金包覆。