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1. 背景

隨著地球變暖的發(fā)展，北極海的接近性有所提高，北極地區(qū)內(nèi)埋藏的奧家投資持續(xù)增加。因此，在北極地區(qū)的殘酷環(huán)境中，要求長(zhǎng)期維持和運(yùn)用極地海洋平臺(tái)的正確設(shè)計(jì)技術(shù)。在材料角度上最優(yōu)先考慮的是，在低溫環(huán)境中的鋼材的脆性，該鋼材需要在設(shè)計(jì)溫度下滿(mǎn)足充分的韌性。

因此，國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)評(píng)估了在極地環(huán)境條件下鋼材的機(jī)械特性，但目前還缺乏低溫鋼材腐蝕特性的相關(guān)信息。特別是，在考慮到海洋平臺(tái)在運(yùn)用期間很難進(jìn)行更換或加固，初期要制定正確的防止腐蝕的設(shè)計(jì)。

通常在低溫環(huán)境中的腐蝕現(xiàn)象，雖然溶解氧量在低溫中會(huì)增加，但在海水或大氣層都會(huì)減少。

另外，極地海洋平臺(tái)中，由低的大氣溫度和高風(fēng)速形成的表面著冰現(xiàn)象，會(huì)阻礙金屬表面的氧氣及水分的傳達(dá)，從而降低腐蝕速度。但是部分研究表明，表面內(nèi)鹽分層的吸附，導(dǎo)致結(jié)冰延遲，在-5℃條件下也會(huì)出現(xiàn)腐蝕。部分研究表明，在著冰層內(nèi)也存在電化學(xué)腐蝕的現(xiàn)象。

另外，在極地地區(qū)平均降水量低，不能實(shí)現(xiàn)鹽分的自然洗滌，具有持續(xù)腐蝕的特性。而且，在飛沫帶區(qū)域中，由于波浪和冬夏季之間著冰-海冰循環(huán)形成反復(fù)干濕，會(huì)造成嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象。另外，由于極地地區(qū)頻繁的移動(dòng)性低氣壓，會(huì)對(duì)氣象不規(guī)律性，海洋結(jié)構(gòu)的鋼材造成很大的負(fù)擔(dān)。

因此，要為極地海洋結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)，制定有關(guān)安裝、運(yùn)用環(huán)境的調(diào)查，制定適當(dāng)?shù)母g管理方案。但是應(yīng)對(duì)東夏季反復(fù)的結(jié)冰—解凍，設(shè)計(jì)正確的電氣系統(tǒng)是很難的技術(shù)，保護(hù)圖章是低溫的取成化、冰沖擊的磨損和淘汰、溫度變化的熱膨脹等，很難維持長(zhǎng)期內(nèi)構(gòu)成。

因此，在進(jìn)行極地海洋平臺(tái)的腐蝕設(shè)計(jì)時(shí)，需要事先了解鋼材本身的腐蝕性。本研究中，要在低溫環(huán)境中確認(rèn)極地海洋平臺(tái)鋼材的腐蝕特性，分析主要腐蝕因素。

2. 試驗(yàn)方法

本次研究中，利用極地海洋平臺(tái)設(shè)備用的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼材2種（屈服強(qiáng)度460 MPa，厚度100毫米，TMCP鋼），對(duì)母材及焊接部位（FCAW，SAW），進(jìn)行了下列表格中的浸漬腐蝕試驗(yàn)，電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，中性鹽水噴霧試驗(yàn)（SST），復(fù)合加速腐蝕試驗(yàn)（CCT），并根據(jù)材料的焊接條件不同對(duì)腐蝕速度和耐蝕性進(jìn)行比較分析。

有關(guān)腐蝕試驗(yàn)條件是以國(guó)際試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，根據(jù)極地海洋設(shè)備的淹沒(méi)區(qū)（submerged zone）及飛濺區(qū)（splash zone）的環(huán)境條件進(jìn)行決定。對(duì)于焊接試板，包含F(xiàn)Z-HAZ-PM，在厚度方向1/4點(diǎn)處進(jìn)行試板的取樣及加工。

表1. 腐蝕試驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)條件及適用標(biāo)準(zhǔn)

3. 試驗(yàn)結(jié)果

圖1. 2種極地海洋平臺(tái)設(shè)備用的鋼材（Sample A, B）進(jìn)行浸漬腐蝕試驗(yàn)，電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)的結(jié)果數(shù)據(jù)

為了在極地海洋設(shè)備的淹沒(méi)區(qū)環(huán)境下評(píng)價(jià)鋼材腐蝕影響性，進(jìn)行了浸漬試驗(yàn)和電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)。特別是與母材及焊接材料之間的腐蝕差距相比較，隨著海水溫度的降低，想觀察鋼材的腐蝕變化。

圖1顯示了利用2種鋼材及焊接材料的浸漬和電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果。在浸漬試驗(yàn)（封閉條件）中，腐蝕速度都在0.035mm/yr以下，還算良好，母材和焊接材料之間腐蝕速度的差距較少。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，海水溫度越低，腐蝕速度就會(huì)下降。但是電化學(xué)分極試驗(yàn)中沒(méi)有出現(xiàn)因海水溫度而腐蝕速度減少的傾向性。這是溶解氧量的影響。據(jù)推測(cè)，海水溫度較低的條件下，溶解氧量較高，可維持腐蝕速度。這與流速也有關(guān)，如果流速高的話，可以迅速供應(yīng)海水能反應(yīng)的氧氣，腐蝕速度就會(huì)提高。因此，在存在一定流速的實(shí)際極地海水環(huán)境中，應(yīng)考慮到極地水中結(jié)構(gòu)物的腐蝕性與溫帶及亞熱帶地區(qū)海洋結(jié)構(gòu)相比，腐蝕速度不會(huì)特別下降。

圖1. 2種極地海洋平臺(tái)設(shè)備用的鋼材（Sample A, B）進(jìn)行中性鹽水噴霧試驗(yàn)，復(fù)合加速腐蝕試驗(yàn)的結(jié)果數(shù)據(jù)

圖2中顯示了對(duì)兩種鋼材的SST及CCT的試驗(yàn)結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)是模擬海洋結(jié)構(gòu)物內(nèi)的飛濺區(qū)，確認(rèn)鋼材暴露在鹽水中，重復(fù)干濕現(xiàn)象條件下的腐蝕變化。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在反復(fù)濕潤(rùn)/干燥/溫度變化的條件下，確認(rèn)了發(fā)生很多腐蝕。尤其是樣品A鋼材的情況，確認(rèn)了根據(jù)母材和焊接材料都在-40℃的溫度變化下，發(fā)生快速腐蝕。焊接材料的情況是，與母材相比腐蝕進(jìn)行得更好，部分試板（樣品A）觀察到了母材部位的腐蝕性發(fā)生逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象。該現(xiàn)象是根據(jù)與母材的焊接部位相比，具有相對(duì)較高的熱膨脹率導(dǎo)致的。

4. 考察

鋼材的腐蝕性是根據(jù)暴露環(huán)境中多種因素決定的，在極地海洋平臺(tái)的情況下，溫度變化、干濕條件、鹽分殘留、結(jié)冰-解凍、溶解氧量等多種形式進(jìn)行腐蝕。另外，鋼材內(nèi)部的熱膨脹變化、金相組織變化、化學(xué)成分等因素會(huì)出現(xiàn)不同程度的腐蝕性。因此，首先要分析有關(guān)環(huán)境及鋼材的化學(xué)成分、金相結(jié)構(gòu)的復(fù)合關(guān)系。

5. 結(jié)論

本次研究中，對(duì)兩種極地海洋平臺(tái)用鋼材，通過(guò)浸漬腐蝕試驗(yàn)，電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，中性鹽水噴霧試驗(yàn)（SST），復(fù)合加速腐蝕試驗(yàn)（CCT）確認(rèn)了母材及焊接材料的腐蝕性。主要結(jié)果如下。

（1） 極地試驗(yàn)結(jié)果，在低溫海水環(huán)境中腐蝕性不會(huì)明顯減少。溶解氧量充足時(shí)，低溫中的腐蝕性不會(huì)特別減少。

（2）在飛濺區(qū)發(fā)生相當(dāng)多的腐蝕。一般與母材相比，焊接部的腐蝕會(huì)進(jìn)行得更好，但由于冬季夏季溫度變化而存在一定的熱脹率差距時(shí)，母材部的腐蝕性會(huì)加快。

極地海洋設(shè)備設(shè)立后，考慮到結(jié)構(gòu)鋼材的更換和修理比較困難，需要進(jìn)行正確的腐蝕管理設(shè)計(jì)。因此，需要調(diào)查使用環(huán)境條件（溫度變化、流速、降水量、結(jié)冰/解凍程度等），準(zhǔn)確計(jì)算出腐蝕速度。

6. 期待效果

本次研究是為了確保極地海洋結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期的耐久性和安全性，從腐蝕性觀點(diǎn)上提出重要檢查要素，通過(guò)腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析并制定合適的KR船級(jí)社規(guī)范。

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