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1. 背景

隨著(zhù)地球變暖的發(fā)展，北極海的接近性有所提高，北極地區內埋藏的奧家投資持續增加。因此，在北極地區的殘酷環(huán)境中，要求長(cháng)期維持和運用極地海洋平臺的正確設計技術(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，該鋼材需要在設計溫度下滿(mǎn)足充分的韌性。

因此，國內外許多研究機構評估了在極地環(huán)境條件下鋼材的機械特性，但目前還缺乏低溫鋼材腐蝕特性的相關(guān)信息。特別是，在考慮到海洋平臺在運用期間很難進(jìn)行更換或加固，初期要制定正確的防止腐蝕的設計。

通常在低溫環(huán)境中的腐蝕現象，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，極地海洋平臺中，由低的大氣溫度和高風(fēng)速形成的表面著(zhù)冰現象，會(huì )阻礙金屬表面的氧氣及水分的傳達，從而降低腐蝕速度。但是部分研究表明，表面內鹽分層的吸附，導致結冰延遲，在-5℃條件下也會(huì )出現腐蝕。部分研究表明，在著(zhù)冰層內也存在電化學(xué)腐蝕的現象。

另外，在極地地區平均降水量低，不能實(shí)現鹽分的自然洗滌，具有持續腐蝕的特性。而且，在飛沫帶區域中，由于波浪和冬夏季之間著(zhù)冰-海冰循環(huán)形成反復干濕，會(huì )造成嚴重的腐蝕現象。另外，由于極地地區頻繁的移動(dòng)性低氣壓，會(huì )對氣象不規律性，海洋結構的鋼材造成很大的負擔。

因此，要為極地海洋結構的安全設計，制定有關(guān)安裝、運用環(huán)境的調查，制定適當的腐蝕管理方案。但是應對東夏季反復的結冰—解凍，設計正確的電氣系統是很難的技術(shù)，保護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(cháng)期內構成。

因此，在進(jìn)行極地海洋平臺的腐蝕設計時(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)境中確認極地海洋平臺鋼材的腐蝕特性，分析主要腐蝕因素。

2. 試驗方法

本次研究中，利用極地海洋平臺設備用的高強度結構用鋼材2種（屈服強度460 MPa，厚度100毫米，TMCP鋼），對母材及焊接部位（FCAW，SAW），進(jìn)行了下列表格中的浸漬腐蝕試驗，電化學(xué)腐蝕試驗，中性鹽水噴霧試驗（SST），復合加速腐蝕試驗（CCT），并根據材料的焊接條件不同對腐蝕速度和耐蝕性進(jìn)行比較分析。

有關(guān)腐蝕試驗條件是以國際試驗標準為基礎，根據極地海洋設備的淹沒(méi)區（submerged zone）及飛濺區（splash zone）的環(huán)境條件進(jìn)行決定。對于焊接試板，包含FZ-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. 腐蝕試驗項目，實(shí)驗條件及適用標準

3. 試驗結果

圖1. 2種極地海洋平臺設備用的鋼材（Sample A, B）進(jìn)行浸漬腐蝕試驗，電化學(xué)腐蝕試驗的結果數據

為了在極地海洋設備的淹沒(méi)區環(huán)境下評價(jià)鋼材腐蝕影響性，進(jìn)行了浸漬試驗和電化學(xué)腐蝕試驗。特別是與母材及焊接材料之間的腐蝕差距相比較，隨著(zhù)海水溫度的降低，想觀(guān)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)腐蝕試驗結果。在浸漬試驗（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。

試驗結果顯示，海水溫度越低，腐蝕速度就會(huì )下降。但是電化學(xué)分極試驗中沒(méi)有出現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。據推測，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(huà)，可以迅速供應海水能反應的氧氣，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，應考慮到極地水中結構物的腐蝕性與溫帶及亞熱帶地區海洋結構相比，腐蝕速度不會(huì )特別下降。

圖1. 2種極地海洋平臺設備用的鋼材（Sample A, B）進(jìn)行中性鹽水噴霧試驗，復合加速腐蝕試驗的結果數據

圖2中顯示了對兩種鋼材的SST及CCT的試驗結果。該實(shí)驗是模擬海洋結構物內的飛濺區，確認鋼材暴露在鹽水中，重復干濕現象條件下的腐蝕變化。

試驗結果顯示，在反復濕潤/干燥/溫度變化的條件下，確認了發(fā)生很多腐蝕。尤其是樣品A鋼材的情況，確認了根據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(guān)察到了母材部位的腐蝕性發(fā)生逆轉現象。該現象是根據與母材的焊接部位相比，具有相對較高的熱膨脹率導致的。

4. 考察

鋼材的腐蝕性是根據暴露環(huán)境中多種因素決定的，在極地海洋平臺的情況下，溫度變化、干濕條件、鹽分殘留、結冰-解凍、溶解氧量等多種形式進(jìn)行腐蝕。另外，鋼材內部的熱膨脹變化、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、金相結構的復合關(guān)系。

5. 結論

本次研究中，對兩種極地海洋平臺用鋼材，通過(guò)浸漬腐蝕試驗，電化學(xué)腐蝕試驗，中性鹽水噴霧試驗（SST），復合加速腐蝕試驗（CCT）確認了母材及焊接材料的腐蝕性。主要結果如下。

（1） 極地試驗結果，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）在飛濺區發(fā)生相當多的腐蝕。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。

極地海洋設備設立后，考慮到結構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計。因此，需要調查使用環(huán)境條件（溫度變化、流速、降水量、結冰/解凍程度等），準確計算出腐蝕速度。

6. 期待效果

本次研究是為了確保極地海洋結構長(cháng)期的耐久性和安全性，從腐蝕性觀(guān)點(diǎn)上提出重要檢查要素，通過(guò)腐蝕試驗數據分析并制定合適的KR船級社規范。

7. 參考文獻

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