极地腐蚀环境分区

2022-10-18

传统海洋环境腐蚀分区随着空间的不同，由高到低可以分为海洋大气区、浪花飞溅区、海洋潮差区、海洋全浸区和海底泥土区等5个典型区域，如图1所示，其中浪花飞溅区由于供氧量充分，使其腐蚀很严重；潮差区由于在海水面上下氧气的供应不均匀，在水面上下造成氧气浓差形成氧浓差电池，其作为氧浓差电池的阴极区受到保护时，腐蚀速率相对较低[16,17]。极地环境是具有温度低、海水盐度高、风大、海浪高、暴风雨雪、浮冰和极夜等特殊条件的极端环境，本文以传统海洋环境腐蚀分区为参照，通过分析极地特殊环境的特点，将极地腐蚀环境分为极地大气区、极地冰水磨蚀区、极地海洋全浸区、极地海底泥土区等4个腐蚀区域。

1.1 极地大气区

极地大气区为处在极地海水或冰面之上的区域。此区域的温度常年处于低温，由于大气中湿度的不同[18]，当湿度较低时，过冷的盐雾与钢铁表面接触后会形成疏松、不透明的白色粒状结构沉积物雾凇和薄薄的雾霜；在湿度较高时，大气中的小液滴与钢铁表面接触后则会在钢铁材料表面形成更加致密的雨凇冰。研究表明，在冰雪凝-融过程中会导致钢铁表面液膜长周期的存在，这将促进并加速极地钢铁材料的局部腐蚀[19,20]，这种类似干湿交替的钢铁表面环境亦会受到极地极昼极夜、季节的变化及太阳辐照等的影响。

极地区域风大且易出现暴风雨雪等恶劣天气，这会引起极地大气区钢铁材料表面产生颗粒冲刷腐蚀，且大风还会加速去极化剂的扩散，风中的颗粒对钢铁表面保护性腐蚀产物或涂层亦有较大的冲击破坏作用，故而会在一定程度上加速钢铁表面冲刷腐蚀的可能及程度。由于大气圈纬度环流的循环影响，极地大气中亦会存在Cl-、CO2、SO2等大气污染物，这些物质亦会影响极地钢铁材料的腐蚀过程。在Cl-的作用下，极地钢铁材料的腐蚀产物往往更易形成多孔、不稳定的β-FeOOH，这种腐蚀产物对极地钢铁材料的腐蚀没有较好的保护性；另外，当Cl-渗透到锈层后，会进一步引起腐蚀产物的破坏，并引起极地钢铁材料产生点蚀[21]。大气中的CO2、SO2溶于极地钢铁材料表面薄液膜后，会增加腐蚀产物的缺陷并降低腐蚀产物的稳定性，增加极地钢铁材料的腐蚀风险[22,23]。在极地大气区存在大量已知和未知的微生物[24]，这些微生物对于极地钢铁材料极地大气区的腐蚀尚亟待研究。

1.2 极地冰水磨蚀区

极地环境与传统海洋环境最具特色的区别在于极地冰雪层的存在。随着季节或地域的改变，极地冰雪覆盖层的覆盖比例会随之改变。随着温度的上升，流冰的运动及冰雪的融化会使极地冰雪区域出现无冰区或碎冰区；极地船舶在破冰航行时，由于船体与冰雪的相互作用，亦会产生碎冰区。在极地冰水磨蚀区的钢铁材料常处于这种冰水混合的环境中[1]。根据冰雪与海水混合比例的不同，可以将极地冰水磨蚀区进一步分为满冰区、碎冰区、无冰区等3种情况[25]。

在满冰区，由于海冰与极地钢铁之间相对静止，因而这种情况下的腐蚀常倾向于静态腐蚀，该情况下物质的传递过程在一定程度上会受到阻碍，从而影响极地钢铁材料在满冰区的腐蚀过程。极地钢铁在满冰区的腐蚀，主要会受到冰雪体内海冰盐度、孔隙率、间隙水、微生物[26,27]等因素的影响。极地钢铁材料可能会因冰雪体内影响腐蚀过程因素的分布不均匀性形成浓差电池[28]，并使其产生不均匀腐蚀现象。

在碎冰区，极地钢铁材料的腐蚀是一个固液双相流的腐蚀，这种情况下的腐蚀往往比较复杂且严重。对DH系列低温钢进行冰水冲刷腐蚀，当转速较低时，腐蚀作用占主要地位，随着转速升高，腐蚀与冲蚀磨损的综合作用更明显，钢样表面的冲蚀腐蚀坑的数量和深度均显著增加，且冰水比越大时其腐蚀也会更严重[29]。极地钢铁材料在碎冰区的冲刷腐蚀除了会受到冰水比例、冲刷速度等因素影响外，还会因海冰尺寸、形状、冲刷角度等的不同而不同。在碎冰区，海水的盐度因结冰析盐而增加，这使得碎冰区冰雪与海水之间的含盐量有明显的差异，因而极地钢铁材料在此区的腐蚀还可能会因盐度的差异产生不均匀腐蚀。对于破冰船，其破冰过程也会产生碎冰区，破冰船在碎冰区航行时，船体钢铁材料亦会遭受到冰水混合物的磨蚀；破冰船破冰时钢铁材料还会受到冰雪冲撞引起的疲劳问题，加之冰水两相腐蚀介质的影响，破冰船用钢的疲劳腐蚀问题也是此区域中非常常见的一个腐蚀问题。碎冰区因碎的覆冰的作用，海冰与海水间的作用会抑制极地潮汐现象[30,31,32]，因而碎冰区极地钢铁材料的腐蚀受潮汐现象影响较小。

在无冰区，由于没有冰雪覆盖，供氧充足，腐蚀传质过程相比冰雪中更加顺畅。因极地多风且大的特点，此处海浪也会较大，加之昼夜潮汐的作用，该区域很容易形成较大的海浪及潮差，处于该区的极地钢铁材料会承受类似传统海洋环境中浪花飞溅区和潮差区的环境影响，与传统环境区别在于，此区域温度相对较低，由飞溅或潮差残留在钢表面的海水会在低温下发生相变，因而此区域中极地钢铁材料发生的腐蚀，除与传统海洋环境中浪花飞溅区和潮差区的腐蚀相似外，还会发生由于钢表面海水周期相变所引起的干湿腐蚀现象。干湿比对极地钢铁材料的腐蚀影响较大，随着干湿比增大，碳钢表面的锈层会越来越薄，腐蚀产物中的γ-FeOOH和氧的含量升高，Fe3O4的含量降低，腐蚀会越来越严重[33]。另外，极地船舶在无冰区域航行时，所遭受的海水冲刷腐蚀也是极地船舶用钢非常严重的一种腐蚀类型[34]。

3 极地海洋全浸区

极地海洋全浸区是极地海冰冰层或海面以下到极地海底泥土之间的区域。与传统海洋环境全浸区相比，极地海洋全浸区海水温度与海水深度之间的关联不强。在浅海全浸区，当极地海面有冰雪覆盖时，此区溶解氧的扩散速率与传统海水相比较小，因而在一定程度上会影响极地钢铁材料腐蚀的阴极过程；随着海水深度的增加，在深海全浸区，极地海洋和传统海洋的环境差异不明显，故而极地钢铁材料在此处所承受的腐蚀与传统海洋环境中差异不大。值得注意的是，钢铁材料在浅海的腐蚀行为与深海的腐蚀行为因静水压等因素的不同而存在明显的差异[35]。另外，南北极常由于地壳运动引起极地区域出现海底火山，因而会在极地海洋全浸区出现热液区，这些区域的海水温度往往可高达400 ℃[36]，因而对钢铁材料腐蚀性能的要求更加的苛刻。

4 极地海底泥土区

极地海底泥土区也是一个固液双相流的腐蚀区域。与传统海底泥土区类似，影响极地钢铁材料在极地海底泥土区腐蚀的因素有沉积物、特殊腐蚀气体、含氧量、酸碱度、特殊的微生物等。沉积物与极地钢铁材料接触时，会在表面形成缝隙并诱导缝隙腐蚀发生；海底沉积物在海底洋流带动下对钢铁材料亦会产生冲刷腐蚀的可能。在海底火山的影响下，极地海底泥土区会有特殊的高含硫沉积物、具有腐蚀性的气体亦会在此区域富集[35]，因而此海泥区的含氧量、酸碱度等都会发生改变，这对极地钢铁材料的腐蚀也会有明显的影响。海底微生物因种类的不同，对极地钢铁材料的腐蚀影响亦不同。如低合金钢在含硫酸盐还原菌（SRB）海底沉积物中的腐蚀速率比海水中的要高，因为这类微生物是可以利用硫酸盐类物质作为呼吸代谢电子受体的厌氧类微生物[37]。海泥中SRB的存在，除了加速海洋用钢的腐蚀速度，还会使钢铁材料在腐蚀电位和阴极保护电位下的应力腐蚀开裂敏感性显著增加，对裂纹尖端阳极溶解以及氢渗透均有加速作用，同时也会使钢铁材料在腐蚀电位和阴极电位下的疲劳寿命下降[38]。然而，假交替单胞菌的基因突变株可在钢铁表面形成具有规则结构的层状矿化膜，此膜是由胞外聚合物和具有方解石晶体结构的无机碳酸盐组成，具备优异的耐腐蚀性能，因而在一定程度上减缓了钢铁材料的腐蚀[39]。

综上所述，极地大气区、极地冰水磨蚀区、极地海洋全浸区、极地海底泥土区各自的环境特征及腐蚀特征存在明显不同，其各区的环境及腐蚀特征可归纳如表1所示，可以看到，极地腐蚀环境与传统海洋腐蚀环境存在明显不同，这对极地钢铁材料的性能提出了新的挑战。

表1极地腐蚀环境分区

Table 1 Polar environment corrosion zones