目前很多国家均加强了在深海研究及工程应用方面的投入,许多海洋装备被部署到深海。然而深海环境的温度、盐度、压力、溶解氧、ph值、海水流速等因素与表层海水环境不同,具有其独特的环境特性,尤其是深海巨大的压力,给海洋工程装备的设计、开发和使用带来很多挑战,同时,海水的高腐蚀性使装备在水下面临极大风险,一旦发生腐蚀失效事故,损失巨大。墨西哥湾“深水地平线”平台事故造成的损失和生态灾难记忆犹新。因此,研究深海环境下的材料环境适应性是开发深海的前提和基础,从上世纪六十年代开始一些国家先后开展了材料深海环境腐蚀老化研究,进而推动本国深海探测技术、深海资源开发技术、深海空间利用技术、深海环境保护技术以及深海装备技术的发展,提高其在海洋技术领域的竞争力[1]。
一、材料深海环境试验装置
与表层海水腐蚀试验相比,深海环境腐蚀试验要复杂得多。首先必须设计制造可以进行深海环境腐蚀试验的试验装置,可以承载材料腐蚀试样,试验结束后可以将试样回收以便进行研究,试验装置本身必须具有高可靠性,在无人监控下在千米深的海底稳定地运行。世界各国在开展材料深海腐蚀试验研究中,研制了多种深海腐蚀试验装置。
1、坐底式试验装置
美国海军于1962~1970年进行了大量的材料深海试验[2],其使用的装置如图1所示,其装挂试样的试样框架坐沉在试验海域的海床上。投放时,到达预定深海试验场后,将试样框架用吊车投放至海底;回收时,通过声释放装置断开海底的锚固物,由上浮标将连接绳带出海面,最后用试验船绞车提起试样框架。坐底式试验装置的优点是试样框架载样量大,受到海流影响小,布放深度准确;缺点是对试验场要求高,试样框架易产生吸底现象,布放回收操作复杂,费用高昂。
2、串挂式深海试验装置
前苏联和印度也开展了多个深度的材料深海腐蚀试验研究,使用的试验装置如图2所示。该装置是将装载材料试样的试验框架安装在水文浮标上进行材料腐蚀试验,该试验装置的优点是：可在一个试验点同时开展不同海水深度环境试验;对试验场地要求不高。其缺点是：装置长度大,易受到海流的影响发生偏移,其摆幅可达20°;其投放材料的种类和数量受到限制,一般每个深度只能投放几种,十几件试样,而且试样尺寸小;装置的试样框架只适合进行金属的试验,不能进行其他种类的腐蚀试验。
3、近底悬浮式试验装置
世界上其他开展深海腐蚀试验的国家大多也利用上述两类或其改进的试验装置。中船重工七二五所在分析了两类装置的特点后,立足深海环境试验需求,利用先进的设计理念,设计研制了一种具有自主知识产权的近底悬浮式的深海环境试验装置,如图3a。该装置是利用本身的储备浮力将一个尺寸较大的试样框架悬浮在距离海底20~30 m的位置,避免了装置座底产生的吸底现象;装置总体采用冗余设计、部件采用耐蚀材料,提高了装置整体的安全性、可靠性、海域适应性;装置的试样框架采用模块化设计,即将相同试验目的的试样安装在尺寸相同的小试样框架中,再将该模块安装在试样框架上,方便安装拆卸和运输,提高海上作业效率;该装置具有载样量大、结构简单等特点;采用一种介于先锚后标和先标后锚两种方法之间的新投放方法,保证装置不缠绕、不磕碰,顺利下水,试样的布放深度准确。
4、高效串型多功能试验装置
此外,为满足小批量多深度深海试验的要求,中船重工七二五所设计研制了高效串型深海环境试验装置,如图3b。该装置可同时进行多深度深海环境试验,装置采用模块化设计,将电偶腐蚀、应力腐蚀、涂层耐环境老化等不同目的的试验装置进行模块化设计,使其能够根据需要进行组合,固定在深海试验装置的试验框架上,以达到高效试验的效果;整套装置结构简单,便于组装拆卸,重复使用性强;满足承载试样量大、试验周期长等要求;由于装置长度长,受到海流影响大,在设计时,通过流体力学建模,利用计算机编程,对试验装置各个试样框架在水中的受力情况和姿态进行了精确的分析和计算,保证试验装置不会因海流等外力作用造成连接部件断裂或产生深度上较大的偏差位移。
二、材料深海环境试验技术
实际深海环境试验具有不可替代性,获得材料深海腐蚀老化数据真实的反映了材料腐蚀老化行为,但若只是进行挂片试验获得的信息有限,材料的一些特殊性能,例如应力腐蚀性能等不能显露出来,因此,如何利用深海环境试验平台,更全面地获取材料深海环境中的性能是深海环境试验研究需要关注的问题[3]。中船重工七二五所根据深海环境的特点,经过不断地实践探索,开发出系列深海环境试验技术。
1、深海环境金属腐蚀电位测试技术
研制出适用于深海的低功耗多通道电位自动采集设备,满足深海腐蚀试验中电位检测和评估的需要。采用程序控制,在一定时间间隔内自动对50个金属试样进行电位测试,并将结果及时间存储到设备中。试验结束后,导出数据并结合环境因素数据的变化,判断深海环境因素对各种材料电位的影响。
2、深海环境原位电化学测试技术
深海环境中进行典型金属材料原位电化学测试,获得材料深海环境中腐蚀过程的电化学表征数据,可以分析金属材料腐蚀机理,提高对材料在深海环境中腐蚀过程的认知。由于深海环境严苛、复杂,测试过程不能人为控制,因此,采用了计算机程序控制自动测试方式,设定测试时间,对多个试样进行循环测试,在一定时间内完成线性极化、阻抗等的测试。
3、深海数据远程传输技术
开展深海试验的海域距离大陆较远,需要及时获得试验数据较为困难,因此,开发了远程数据传输系统,可以将深海试验过程中获得的深海环境数据、原位电化学数据或装置位置等数据按照一定的时间间隔从深海传输到海面中继站,然后通过卫星传输到实验室,便于及时掌握试验装置的动态和分析试验数据。
4、其他形式的腐蚀试验技术
利用三点弯曲法将典型材料试样加力弯曲,使其发生形变,调整形变大小使试样中点的受力为0,60%,75%和90%材料断裂强度,研究受力试样在深海环境中的腐蚀行为。
深海金属结构物需采用牺牲阳极阴极保护,但牺牲阳极在深海受到环境的影响保护效果如何是长期困扰人们的难题。中船重工七二五所在深海试验过程中投放了钢–牺牲阳极偶对试样,利用自制设备测量保护电流,用以研究深海环境对牺牲阳极性能的影响。
三、材料深海环境试验数据积累和规律研究
为了获得完整的各种结构件在深海中的腐蚀和防护效果数据,一些国家利用上述研制的深海腐蚀试验装置开展了大量深海环境试验。美国海军土木工程实验室于1962~1970年在加州怀尼美港西南的海底进行了深度为762~1829 m的材料深海腐蚀试验,该试验的挂片接近20000片,包括475种不同的合金材料,涵盖了钢、铸铁、不锈钢、cu、ni、al等种合金。通过研究发现,对于不同材料而言,深度影响不能一概而论,以铝合金为例,在深海环境下,其点蚀和腐蚀开裂程度远高于浅表海水环境,遭受较为严重的腐蚀破坏。
与此同时,1968~1972年,美国洛克希德公司开展了7种涂装铝合金和不锈钢材料深海试验。试样分别投放于太平洋和大西洋,深度为1798和1234 m。通过对不锈钢进行腐蚀形貌对比,发现两个投样点的最大腐蚀开裂深度分别为5.0和2.5 mm,研究者认为太平洋投样点的氧含量低于大西洋的投样点的含量,抑制了不锈钢的钝化,从而造成腐蚀开裂速率变大。
20世纪70年代,前苏联在太平洋西北部以及sargasso海开展了碳钢、不锈钢、铜、黄铜、铝合金等材料的深海腐蚀试验[4,5],暴露周期分别为20、40和70 d。深海压力并未显著影响材料的腐蚀过程,温度却表现出很大的影响。该结果与其他国家研究人员所得结果有所出入,这主要是由于他们的投样时间较短,试样尚处于腐蚀的初期,难以和长时间投样的腐蚀现象表现一致。
1987年,印度研究者在阿拉伯海和孟加拉湾分别进行了1000和2900 m深度、1 a周期的暴露试验[6,7],研究了低碳钢、不锈钢、黄铜、铜、铜镍合金的腐蚀行为,并与浅表海水中的腐蚀现象进行了对比。通过试验发现,低碳钢在深海中的腐蚀速率低于浅表海水环境;不锈钢在深海中几乎不腐蚀,然而在浅表海水中点蚀严重。对于其他投样材料,海水深度对腐蚀的影响轻微。
2002~2003年期间,印度国家海洋技术研究所在印度洋进行了500,1200,3500和5100 m深度下铁系合金（低碳钢、不锈钢等）的腐蚀性能研究[8,9]。试验结果表明,受溶解氧降低影响,低碳钢在浅表海水中的腐蚀速率是深海的4倍左右;深海环境下,由于500 m处为溶解氧含量最大区域,低碳钢腐蚀速率最大;马氏体不锈钢的腐蚀规律与低碳钢一致。此外,研究指出虽然深海条件下宏观生物污损微乎其微,但试样表面微生物膜的生长以及微生物诱发腐蚀作用不应忽视,深海高压对许多微生物种群生长的抑制作用有限[10]。
近年来,深海腐蚀试验的最新研究进展则来自于欧洲km3net研究团队,为了探索宇宙奥秘,他们计划在地中海底建造巨大的探测器km3net从海水中捕捉中微子。然而建造该水下探测器,首先需要明确选用的材料在深海环境下的耐腐蚀性能。研究人员将铝、铜和铁合金投样于意大利capo passero附近海域3350 m深海环境进行腐蚀试验[11,12]。通过试验证实,该深海环境下,316l和2205双相不锈钢最耐腐蚀,而cu-ni 90/10腐蚀最为严重;铝合金7075 t651和8090 t81比5083 h111和6082 t6耐蚀性差。此外,深海条件使得铝合金的腐蚀产物发生了变化,在1个大气压下的浅表海水环境中,6000系列的铝合金腐蚀产物为al(oh)3;而在深海环境下的腐蚀产物以拟薄水铝石为主[13]。
在国内方面,紧跟海洋强国战略,我国深海自然环境试验实现了跨越式发展。中船重工七二五所于2008年在国内率先开展了材料深海自然环境腐蚀老化试验,成功突破了深海试验装置低功耗长期自持设计、大深度深海试验装置水下受力状态模拟分析、深海原位腐蚀检测等多项关键技术,在我国南海海域相继开展了不同深度深海环境试验,积累了9大类40余种不同材料、不同周期的深海腐蚀老化数据,试验材料包括碳钢、低合金钢、不锈钢、铜合金、铝合金、钛合金、偶合件、非金属复合材料、有机涂层、金属涂层、紧固件等,获得腐蚀数据13000余个,建立我国首个材料深海腐蚀老化数据库,并从取得的数据中揭示出材料在深海环境下的腐蚀规律。在进行材料深海腐蚀数据积累的同时积累了不同深度海洋环境因素数据,对试验海域海水温度、盐度、溶氧量、海流速度等环境因素进行了测试和收集,探讨了材料腐蚀与环境因素之间的关系,填补了我国在深海环境中材料性能研究的空白,获得的基础数据对我国深海装备的发展具有重要意义[14-18]。
研究表明,碳钢、低合金钢的平均腐蚀速率和点蚀深度随暴露深度增加而明显减小,在深海环境中腐蚀减缓且趋向均匀,腐蚀产物均较为疏松,呈层状结构,其成分随试验深度的增加略有差别;高镍含量的不锈钢在海洋环境中耐蚀性相对较好,但在深海条件下使用应尽量避免缝隙的产生。与表层海水腐蚀速率对比发现试验用铜合金在深海环境下的腐蚀速率普遍大于表层,在深海部件设计选材时应加以注意,预留更多腐蚀余量。铝合金在深海环境下的腐蚀速率大于表层,同时铝合金缝隙腐蚀较严重,深海条件下应用时应避免缝隙的产生;无论是表层海水环境还是深海环境,钛合金都具有极强的耐腐蚀性能。但由于其表面状态稳定存在藻类海生物附着,在设计深海装备关键部位零部件和精密器件时应考虑其影响。
四、结语
进入21世纪,人类为了实现可持续发展,寻找新的发展空间和替代资源,再次把目光和期望转向海洋。探索海洋、开发海洋、利用海洋、保护海洋,将成为全球发展的新热点和竞争的新舞台。因此,开展材料深海自然环境腐蚀试验,积累不同材料在不同深度深海环境中的腐蚀行为和规律,将为海洋工程装备的设计、选材、研发和使用提供技术支撑,具有重要意义。