海洋工程用鋼的大氣腐蝕與耐候鋼的發(fā)展
周魯軍1,2，楊善武1,2
(1. 北京科技大學(xué)鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 北京 100083；2. 陽江合金材料實(shí)驗(yàn)室， 廣東 陽江529500)
摘要：綜述了海洋工程用鋼的大氣腐蝕行為與耐候鋼發(fā)展方面的研究，特別是近十余年來國內(nèi)外的相關(guān)成果。首先介紹了鋼大氣腐蝕的電化學(xué)模型，并從耐候鋼特殊的銹層結(jié)構(gòu)與合金元素作用兩方面論述了耐候鋼的銹層保護(hù)機(jī)制；然后分析了環(huán)境因素，包括相對濕度與污染物、光照、銹層損傷等，對耐候鋼大氣腐蝕行為的影響；最后總結(jié)了耐候鋼的發(fā)展歷程以及晶粒尺寸與顯微組織等非合金因素在耐候鋼發(fā)展中的作用，可為新型耐候鋼的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞：海洋工程用鋼；大氣腐蝕；銹層；合金元素；耐候鋼
1 引言
海洋工程用鋼按用途可分為海洋平臺、船舶、跨海大橋、海底油氣開采與儲運(yùn)、島嶼基礎(chǔ)設(shè)施、海水淡化裝置、港口鋼結(jié)構(gòu)以及其他與開發(fā)利用海洋資源相關(guān)的建設(shè)用鋼。從鋼種上來看，雖然在少數(shù)場合會用到不銹鋼等高合金鋼，但大部分海洋工程用鋼為低合金焊接結(jié)構(gòu)鋼。各類海洋工程用鋼在服役過程中面對的共性問題是海洋環(huán)境的嚴(yán)重腐蝕。按照垂直海平面方向由低到高的次序，海洋腐蝕環(huán)境可分為5個(gè)區(qū)域：海泥區(qū)、海水區(qū)、潮差帶、飛濺帶和海洋大氣。除海洋大氣外，其他4個(gè)區(qū)域的腐蝕防護(hù)主要依賴于工程防護(hù)措施，如涂層和陰極保護(hù)等；而海洋工程用鋼在海洋大氣中的腐蝕行為則受到鋼成分、組織的顯著影響，因而引起了研究者大量關(guān)注并展開了相關(guān)研究工作，其終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)在海洋大氣環(huán)境中無涂層服役。
根據(jù)所含污染物的類型，一般將大氣環(huán)境分為鄉(xiāng)村大氣、城市大氣、工業(yè)大氣和海洋大氣等4大類型，其中以海洋大氣的腐蝕性最強(qiáng)。海洋大氣中夾帶大量鹽粒子，這些鹽粒子落在鋼結(jié)構(gòu)表面會引起潮解作用而產(chǎn)生電解液薄膜，并由于鹽溶解于液膜中增加了電解液的導(dǎo)電性并破壞腐蝕產(chǎn)物的保護(hù)性而促進(jìn)了大氣腐蝕的微電池反應(yīng)，從而大大加速腐蝕進(jìn)程。
為了延緩大氣腐蝕，長期以來盛行的措施是通過涂層或鍍層來進(jìn)行表面防護(hù)，成本高昂。而后，通過在鋼中添加少量Cu、P、Cr、Ni、Mo等抗蝕合金元素，制成具備一定本征耐大氣腐蝕能力的耐候鋼在多國逐漸得到研究、推廣和開發(fā)利用，推出了多個(gè)商業(yè)品牌，美國、日本等國已經(jīng)出現(xiàn)了大量裸露使用的耐候鋼結(jié)構(gòu)，前景誘人。
本文將對海洋工程用鋼的大氣腐蝕問題和耐候鋼的發(fā)展作出綜述。由于文獻(xiàn)已對較早期的工作進(jìn)行了總結(jié)，除基本原理部分之外，本文將側(cè)重于未在這些綜述中得到強(qiáng)調(diào)、但近年來逐漸體現(xiàn)出其價(jià)值的工作及其進(jìn)展。
2 精選圖表
3 總結(jié)與展望
伴隨著海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，沿海地區(qū)將會需要越來越多的鋼結(jié)構(gòu)。對鋼在海洋大氣中腐蝕行為及其影響因素的深入了解，對鋼結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和合理應(yīng)用至關(guān)重要。在這方面，國際上已有不少成功的范例。中國對鋼的大氣腐蝕與耐候鋼的研究雖然起步較晚，但近年來在基礎(chǔ)理論和實(shí)際應(yīng)用兩方面都進(jìn)展很快。
(1)立足于中國的資源特征和工業(yè)實(shí)力，根據(jù)國內(nèi)南北氣候差別大的特點(diǎn)，發(fā)展適合中國沿海環(huán)境并且經(jīng)濟(jì)適用的耐候鋼，是進(jìn)一步理論與試驗(yàn)工作的主導(dǎo)方向。
(2)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對海洋工程用鋼的性能需求將呈現(xiàn)越來越多樣化和綜合化的趨勢，如熱帶島礁建設(shè)用鋼，寒冷極地用鋼，同時(shí)具備耐候、耐火、抗震性能的鋼種等。
(3)正如前文所述，相關(guān)問題在目前尚未得到完全解決，但已經(jīng)出現(xiàn)了一些希望之光。因此，無論是研究還是應(yīng)用，耐候鋼，特別是耐海洋大氣腐蝕的耐候鋼，都將是今后鋼鐵材料方面的熱點(diǎn)研究方向。
