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冰天雪地中的腐蚀--极地环境下材料腐蚀/老化

2018-04-20 13:39:57
作者:崔中雨
来源:中国海洋大学

极地资源的开发离不开海洋工程装备的应用,而海工装备在极地苛刻环境下的低温脆性及腐蚀问题严重威胁着海工装备的服役安全。

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    一、 前言

 

    美丽的极地让人遐想无限,壮丽的冰川、浪漫的极光、奇妙的极昼与极夜、可爱的企鹅无一不令人憧憬和向往,这些也吸引着我国一代又一代科学家探索极地的美妙,勾勒出多彩的极地。自从 1984 年五星红旗在乔治王岛首次飘扬至今,我国在两极已建成长城站、中山站、昆仑站、泰山站、黄河站等试验站,有力支持了我国极地科考研究。


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图1 中国极地科考站:南极昆仑站(左)及北极黄河站(右)

 

    极地气候系统在全球资源和战略中具有重要意义,随着人类对极地资源的开发以及各国极地权益的维护,极地研究也日益成为地区与环境科学领域的核心和热点话题。极地资源的开发离不开海洋工程装备的应用,而海工装备在极地苛刻环境下的低温脆性及腐蚀问题正严重威胁着海工装备的服役安全。其中,对于海工钢的低温脆性问题,目前相关研究关注较多,而对于极地环境下的材料的腐蚀 / 老化问题研究相对较少,尤其是我国在极地环境下材料的腐蚀研究几乎还未开展,已严重落后于美国、俄罗斯等国家。根据常识认为,冰天雪地环境下,气温如此之低,发生腐蚀的可能微乎其微。然而,根据实际观察,极地环境下并非没有腐蚀发生,二是在这种特殊环境下发生了一定程度的腐蚀,这使我们意识到研究探索极地环境下腐蚀问题的意义。


    二、极地环境下材料腐蚀 / 老化研究意义

 

    极地海洋资源开发与权益维护离不开海洋工程装备,而材料是海洋工程装备建设的基础,材料在极地环境下的腐蚀 /老化问题研究的意义重大。首先,目前国际间海洋资源开发及权益维护已经逐步向极地及深远海环境扩展,而应对这些的关键在于海工及海军装备的服役安全问题。材料在极地环境下的腐蚀与国内及近海区域明显不同,目前美国、韩国、俄罗斯、澳大利亚等国家均已开展了典型材料在极地环境下的腐蚀研究工作并获得了一手的数据,但这些研究才刚刚开始,所获数据也只是部分大气及海洋环境下的腐蚀规律。我国在极地环境下的腐蚀行为研究及其数据积累方面还处于空白阶段,相关研究的开展对于提升我国在深极地区域权益维护的竞争力具有重要意义;第二,国家“十三五”规划明确提出了拓展蓝色经济空间的四项海洋重大工程,其中 “雪龙探极”及“全球海洋立体观测网”分别要求研发适用于极地环境的探测技术及装备并形成全球海洋立体观(监)测系统。


    而材料在极地极端、苛刻环境下的服役安全问题是上述重大工程建设的关键所在;第三,在开展极地资源开发过程中,海洋工程装备服役中无法避免的问题即为海工材料在苛刻环境下的腐蚀损伤和失效,这已成为严重制约重大海洋工程技术和装备发展的技术瓶颈之一。目前,我国相继开展了典型金属材料在海洋大气及近海海水中的腐蚀行为,然而国内对于材料极地环境下腐蚀数据积累工作还处于空白阶段,这无疑限制了极地环境下海洋工程装备的选材工作。因此,开展材料在极地环境下的腐蚀数据积累及环境 - 腐蚀 / 老化相关性研究是海洋资源深入开发的关键所在,具有重要的科学意义和工程应用价值。


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图2 我国雪龙号极地破冰科考船

 

    三、极地环境下材料的腐蚀/老化

 

    目前,极地材料腐蚀研究主要集中在北极和南极圈附近的国家,他们已经率先开展了相关研究项目,旨在评估材料在这种苛刻环境下的服役安全性。目前已知的极地腐蚀研究项目包括俄罗斯远东及南极腐蚀研究项目、挪威 - 俄罗斯北极联合研究项目、澳大利亚南极腐蚀研究项目、美国阿蒙森海 - 斯科特南极试验站以及世界范围内的大气腐蚀研究项目ISOCORRAG 和 MICAT 中的部分站点(图 3)。


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    1. 金属材料腐蚀

 

    澳大利亚的 Maxwell 等通过研究南极 Ross 岛上材料的腐蚀认为,南极区域影响腐蚀的主要因素包括以下四点(图 3):


    (1) 较高的风速,且风中有时会含有颗粒损伤材料表面;

    (2) 较高的太阳辐照,导致有机材料的老化;

    (3) 材料表面覆盖的雪以及冰中的可溶性盐;

    (4) 夏季温度高于冰雪的融点导致材料表面被可溶性盐膜覆盖。


    以上四方面会严重影响材料的腐蚀行为,并且 Morcillo 等发现,即使在冰层下,电化学腐蚀依然可以发生,这也导致金属材料在极地环境下腐蚀并没有想象中的轻微。以北极圈附近的阿蒂加斯为例,该地平均温度虽然低于 0℃,但相对湿度和 Cl - 沉积速度均不低于我国的西沙海洋大气环境,对比不同材料的腐蚀速率结果发现,碳钢、锌、铜和铝均有较高的腐蚀速率,铝的腐蚀速率甚至高于我国西沙海洋大气环境。


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图4 极地大气环境下材料腐蚀影响因素示意图

 

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图5 中国海洋大学与中国极地研究中心合作开展的极地挂片试验

 

    Marco 等研究了 SAE1070 碳钢在极地气候的乔治王岛以及亚热带海洋气候的复活节岛的腐蚀行为发现,极地气候的相对湿度较高,且当地 SO 2 浓度较高,可能与火山喷发有关。极地气候下碳钢的腐蚀速率略低,腐蚀产物主要为 α-FeOOH,亚热带气候下碳钢的腐蚀速率略高,腐蚀产物主要为 γ-FeOOH。


    Hughes 及 Mikhailov 等对北极及南极区域碳钢的腐蚀行为进行了研究发现,在南极区域(纬度为负值),碳钢均经受了不同程度的腐蚀,在海拔较高且靠近南极的区域腐蚀较为轻微,其中在南极点,碳钢的腐蚀最轻;在海拔较低的区域,腐蚀相对较为严重且波动较大;在北极纬度略低的区域,腐蚀较为严重,甚至高于其他海洋大气环境。


    2. 有机涂层老化

 

    除金属材料外,涂层在极地区域也会经受严重的损坏直至失去对金属的保护作用。在低温与强辐射综合作用下,涂层极易与基体发生剥离,并在强风下发生脱落。我国南极长城站即面临涂层老化严重的问题。目前,关于涂层在极地环境下服役的研究相对较少,Hattori 等在 1991 年研究了 12 种涂层材料在阿拉斯加地区 -25℃~ +16℃下的失效行为,研究发现,氯乙烯和氯化橡胶在低温下的保护性较差,富锌涂料、喷涂锌与环氧树脂 / 聚氨酯混合使用具有较好的效果。Bjoergum等研究了 5 种涂层在 -10℃~ -60℃下对金属的保护性发现,低温条件下,腐蚀与机械载荷共存时,聚硅氧烷面漆保护性较差,增强聚酯涂料和硫化橡胶性能较好。Momber 等在实验室研究过程中提出,使用 ISO20340 进行涂层耐久性试验中选用的最低温度(-20℃)偏高,并选用 -60℃开展了加速老化试验,用来模拟极地环境下涂层的失效行为。研究结果表明,聚氨酯涂层低温下对金属的保护性效果较好,并以此指导极地开发中的海洋平台的涂装选择。


    3. 国内极地环境材料服役性能研究进展

 

    目前,关于海工钢尤其是极地用钢的低温脆性关注较多,国内许多钢铁公司和高校积极开发极地低温环境用钢,并取得了显著的进展。中国海洋大学一直重视极地科学研究,在进行极地海洋科学研究的同时也开展了极地环境材料服役行为研究,在极地环境下投试了典型材料进行腐蚀与老化行为研究,其中包括典型海工钢及其焊缝与恒应变试样在极地海域的投试,以及典型金属材料在极地大气环境下的投试(图5),相关研究结果将进一步拓展我国关于极地材料服役行为的研究工作,为极地海工装备研发与安全服役提供支持。


    ● 人物简介

 

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    崔中雨,博士,2015 年毕业于北京科技大学腐蚀与防护中心,师从腐蚀控制系统工程研究所李晓刚教授。目前为中国海洋大学材料科学与工程学院讲师,硕士研究生导师。主要从事金属材料自然环境腐蚀研究,特别是海工材料在苛刻海洋环境(极地低温、南海高温高湿热)下的腐蚀行为与寿命预测研究。承担了国家自然科学基金青年基金、山东省基金等科研项目,发表 SCI 论文 20 余篇。

标签: 崔中雨, 极地环境, 材料老化, 腐蚀

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