（水利工程专业论文）码头工程钢管桩外加电流阴极保护防腐蚀技术研究.pdf

中文摘要 海港工程的设计使用年限一般为几十年，但实际上几年后就己经腐蚀破坏 严重，需要常年投入昂贵的保养、维修和整固费来维持结构的安全及正常使用功 能。原因是处于海水环境中的钢板桩或钢管桩建造的码头岸壁、栈桥码头以及船 坞、船闸、浮船坞、浮鼓等水工结构，在水介质、氯离子、氧气以及碳化作用等 腐蚀因素的影响下，受到腐蚀、冻害、侵蚀和孔蚀环境的共同物理化学作用，产 生腐蚀破坏，最终无法达到港口工程的安全使用寿命。因此，如何实现码头结构 和钢铁设施的有效防腐蚀是维持港口长期高效运作的重大课题，必须对其施加有 效的防腐措施，其中外加电流阴极保护技术是有效的保护手段之一。 从目前的理论研究来看，夕b d l ：i 电流阴极保护方法是一种保护码头工程免受 海水腐蚀的有效方法，它的适用范围已经在码头工程中得到广泛推广，可以适用 于钢筋混凝土结构保护、钢管桩结构等部位。该工法能直接抑制金属自身的电化 学腐蚀过程，有效保护码头结构，被认为是有效且经济的防腐方法。 天津港北港池集装箱码头三期工程是天津港建港史上一次性投资最多、建 设规模最大、相对工期较短的工程项目，为目前世界上最大的钢桩结构码头工程。 以该工程为实例，通过对钢管桩j t - 力n 电流阴极保护防腐技术展开系统和深入的探 究和总结，对j l - d i l 电流阴极保护与牺牲阳极阴极保护两种防腐工艺进行客观的比 较，最后以实例印证本文研究在实际应用中的可行性，为类似工程提供成功的借 鉴。 总之，本课题具有指导在码头工程中进行j l - d n 电流法设计和施工的理论意 义，对提高我国外加电流法码头防腐工程的设计水平和工程建设有着重要的意 义。 关键词：腐蚀：外加电流；阴极保护；钢管桩 a b s t r a c t h a r b o rp r o j e c t su s a g ep e r i o dw i l lb ek e p tf o rd e c a d e s ，b u ta c t u a l l yi tw o u l db e d a m a g e ds e r i o u s l y a f t e rs e v e r a ly e a r s c o r r o s i o n ，w h i c hn e e df o r e x p e n s i v e m a i n t e n a n c ef e e sa n n u a ll yt om a i n t a i ni t ss a f e t y & n o r m a lf u n c t i o n t h er e a s o ni st h a t t h ep r o j e c t ss t r u c t u r e ss u c ha sp i e rq u a y ，b r i d g ep i e r ，s h i p y a r d ，s h i pl o c k , f l o a t i n g d o c k , f l o a t i n gd r u m s ，e t c w h i c hm a d eo fs t e e lp i p ep i l e si ns e aw a t e re n v i r o n m e n t w e r ec o r r u p t e db yt h es e aw a t e rm e d i u m ，c h l o r i d ei o n s ，o x y g e n ，a n do t h e rc a r b o n a t i o n c o r r o s i o nf a c t o r sa sw e l la st h ep h y s i c a l & c h e m i c a le n v i r o n m e n ti n t e r a c t i o no n c o r r u p t i n g & f r e e z i n g i nt h i sw a y t h eh a r b o rp r o j e c ti su n a b l et om e e tt h e e x p e c t a n tu s a g ep e r i o do ft h ep o r tp r o j e c t t h e r e f o r eh o wt oa c h i e v et h ec o r r o s i o n p r e v e n t i o no nt e r m i n a lf a c i l i t i e s & s t e e ls t r u c t u r e si sam a j o r & l o n gt e r me f f i c i e n t p o r to p e r a t i o ni s s u ef o ru s ，e s p e c i a l l yt h ei m p r e s s e dc u r r e n tc a t h o d i cp r o t e c t i o n t e c h n o l o g yi so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tm e a n so f a n t i - c o r r o s i o n & p r o t e c t i o n t h ei m p r e s s e dc u r r e n tc a t h o d i cp r o t e c t i o ni sa ne f f e c t i v ew a yo fh a r b o rp r o j e c t s t r u c t u r e sp r o t e c t i o na g a i n s tc o r r o s i o nb ys e aw a t e rb a s e do nt h ec u r r e n tt h e o r e c t i c a l r e s e a r c h i th a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt ot h es t r u c t u r ep r o t e c t i o n ，s u c ha sr e i n f o r c e d c o n c r e t e ，s t e e lp i p ep i l e ，e t c w h i c hr e s t r a i n st h ee l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o np r o c e s so f m e t a l i t s e l f 1 tw a sc o n s i d e r e da sa ne f f e c t i v ea n de c o n o m i cm e t h o do fc o r r o s i o n t h ep h a s e3o fb e i g a n g c h ic o n t a i n e rt e r m i n a lo ft i a n j i n p o r t i st h el a r g e s t s c a l ec o n s t r u c t i o np r o j e c th i s t o r i c a l l yw i t hs h o r td u r a t i o n & h i g hi n v e s t m e n t s i n c e t i a n j i np o r te s t a b l i s h e d i ti st h el a r g e s ts t e e lp i l ep i e rs t r u c t u r ep r o j e c t t op u tt h i s p r o j e c ta s a ne x a m p l e t h es t e e lp i p ep i l ei m p r e s s e dc u r r e n tc a t h o d i cp r o t e c t i o n a n t i - c o r r o s i o nt e c h n o l o g yi sa p p l i c a b l ei np r a c t i c et h r o u g ht h er e s e a r c h & s t u d yo n t h i st o p i c & o b j e c t i v ec o m p a r i s i o ni tw i t ht h ea n o d ec a t h o d i cp r o t e c t i o nc o r r o s i o n p r o c e s s w h i c hp r o v i d ef o ru st h es u c c e s s f u lf l e a s i b i l i t ye x p e r i e n c e s & a n a l y s i so n s i m i l a rp r o j e c t si nf u t u r e i ns h o r t t h i ss u b j e c th a st h ei n s t r u c t i v e & g r e a tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ei nt h e d e s i g n & c o n s t r u c t i o no fi m p r e s s e dc u r r e n t a sw e l la st h et h ei m p r o v e m e n to nt h e d e s i g nl e v e l & t e r m i n a le n g i n e e r i n go fo u rc o u n t r y si m p r e s s e dc u r r e n ta n t i c o r r o s i o n p r o j e c t k e y w o r d s ：c o r r o s i o n ，i m p r e s s e dc u r r e n t ，c a t h o d i cp r o t e c t i o n ，s t e e lp i p ep i l e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞苤堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：栖红娜签字日期w 。7 年夕月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：弗历缸期7 0 l 签字日期：7 0 0 7 年乡月 f 日 导师签名： 签字日期：哆年尸月日 第一章绪论 1 1 腐蚀与防护的意义 第一章绪论 中国目前处于基础设施全面建设时期，为了建设全国乃至世界的物流中心和 开发海洋自然资源，港口工程的发展十分迅速，部分临海城市深水港的建设已为 世人瞩目，对沿海城市经济持续高速发展起到了十分重要的拉动作用。但是大规 模的港口建设对建筑物结构稳定性及耐久性要求较高，特别是要应对环境对建筑 物结构安全性产生的挑战，以切实保障深水港的正常运转。 海港工程中使用了大量金属资源，这些金属资源在自然条件( 大气、天然水 体、土壤) 或人为条件( 酸、碱、盐及其他介质) 下，每时每刻都在发生腐蚀一 一种自发进行的无谓的消耗。其根本原因是因为这些金属处于热力学不稳定状 态。一旦有可能，它们就要恢复到原来所处的相对稳定状态，生成金属氧化物、 硫化物、碳酸盐等，或转变为可溶性离子。 海港工程种类繁多，有固定式结构，如钢板桩和钢管桩建造的码头岸壁、栈 桥码头以及船坞、闸门等，也有浮动式结构，如浮船坞、浮鼓等。这些钢结构设 施在长达数十年的设计使用寿命期间遭受水介质和潮湿大气的腐蚀，尤其是在海 洋环境下的腐蚀，其平均腐蚀速率高达0 2 - 0 4 m m a f 。腐蚀不仅仅是浪费了金 属资源，它使生产停顿、物料流失、降低产品质量、污染环境，甚至引起火灾、 爆炸、塌毁等灾难性事故。1 9 6 5 年至1 9 6 8 年调查的华南、华东2 7 座海港钢筋混凝 土结构中，因钢筋腐蚀破坏而不耐久的占7 4 。在1 9 8 1 年调查的华南1 8 座海港钢 筋混凝土码头中，因钢筋腐蚀破坏而不耐久的占8 9 。在1 9 8 5 年调查的北方港口， 因钢筋腐蚀而造成混凝土破坏的占总数的4 4 。码头工程在海洋环境中的局部腐 蚀速度远大于平均腐蚀速度( 约为平均腐蚀速度的5 1 0 倍) ，这种局部腐蚀会造 成钢管桩局部穿孔或应力集中，成为结构物的安全隐患。2 0 世纪6 0 年代日本曾发 生过多次钢管桩码头由于未采取有效保护，以致造成局部严重腐蚀导致码头坍塌 的事故1 2 1 。 因此，重视腐蚀问题，防止或减轻腐蚀，不仅有明显的经济效益，同时对促 进新技术、新工艺的发展也是必不可少的。事实上，科学技术的发展已经为解决 腐蚀问题提供了一定的理论基础和许多行之有效的方法。阴极保护方法就是一种 保护码头工程免受海水腐蚀的有效方法，不仅能直接抑制金属自身的电化学腐蚀 第一章绪论 过程，防止均匀腐蚀，有效保护码头结构，被认为是最有效且经济的方法之一， 尤其适用于海洋环境中的码头工程的钢管桩防腐。国内普遍选择牺牲阳极法和外 加电流法作为阴极保护方法，能有效阻止码头钢管桩表面的电化学腐蚀，为保证 港口码头结构的耐久性。 1 2 天津港北港池集装箱码头三期工程研究背景 天津港北港池集装箱码头三期工程是为解决天津港集装箱吞吐量快速增长 和加快东疆保税港区建设的需要，满足船舶大型化发展要求而建设的。该工程是 天津港建港史上一次性投资最多、建设规模最大、相对工期较短的工程项目，同 时也是国家批准建设天津港东疆保税港区后在天津港东疆港区建设的第一个码 头，对于建设东疆保税港区有着特别重要意义。 根据天津港腹地内外贸集装箱生成量的预测和目前港口内支线集装箱运输 的情况，综合分析确定发展目标，2 0 1 0 年天津港集装箱吞吐量总预测发展水平为 11 0 0 万t e u ，2 0 1 5 年1 6 0 0 万t e u 。因此，天津港仅依靠既有码头技术改造的措施已 不能满足需要，必须新增集装箱泊位，建设北港池集装箱码头三期工程。实施的 必要性主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 是打造北方国际航运中心建设世界一流大港的需要； ( 2 ) 是适应经济发展和集装箱吞吐量快速增长的需要； ( 3 ) 提高港口现代化、专业化水平，参与国际竞争的需要； ( 4 ) 是改善天津港经济效益和提高天津市城市功能的需要； ( 5 ) 是发展现代物流，扩大服务范围的需要； ( 6 ) 港口建设发展的需要； ( 7 ) 滨海新区建设发展及建设东疆保税港的需要。 天津港北港池集装箱码头三期工程位于天津港东疆港区，年吞吐量为4 0 0 万 t e u 。该工程共6 个1 0 万吨级泊位，由1 4 5 6 根巾1 2 0 0 舳和1 7 0 8 根由1 0 0 0 m m 的钢管桩 支承，本工程钢管桩防腐除了采用常见的预留腐蚀裕量、涂层保护等措施，还采 用了外加电流阴极保护，共分为2 9 个系统，对码头3 1 5 4 根钢桩进行保护。 1 3 码头结构防腐保护 1 3 1 混凝土结构防腐 为提高混凝土构件的耐久性，确保码头结构满足设计使用年限5 0 年。对码头 第一章绪论 的主要受力构件混凝土桩、梁、面板等增加混凝土保护层厚度、采用了海工高性 能混凝土和在混凝土表面涂刷防腐涂料等措施来增加混凝土的耐久性。 1 3 2 钢管桩防腐 由于码头结构终年处于海水及海洋大气环境中，长期受到氯化物、硫化物、 海洋微生物以及各种阴、阳离子等的腐蚀，码头结构不可避免地要受一定程度的 腐蚀，直接影响到码头的使用年限和安全。因此，对钢管桩采取及时有效的防腐 保护，确保在其设计使用年限内的安全及正常使用功能，是十分必要的。 钢管桩的防腐处理：首先选用耐海水腐蚀能力较强，强度较高的低合金钢 0 3 4 5 钢材，并适当预留腐蚀厚度。采用外加电流阴极保护，共分为2 9 个系统，对 码头3 1 6 4 根钢桩进行保护。系统的控制采用自动控制和手动控制相结合的方式， 并配备了遥控的功能和可视化软件系统，使防腐工作跃进为可视化、数字化、远 程化、专业化的先进管理模式，设计保护年限达n 5 0 年。 1 4 研究意义和研究内容 1 4 1 研究意义 我国目前在码头工程腐蚀与防护领域中，理论水准与世界水平相差不大，码 头工程的设计与生产水平也不低。突出的问题往往就出现在腐蚀控制的设计、制 造、施工和安装等配套组织系统方面。科学合理的施工工艺才能保证工程施工按 照既定质量、进度、效益目标优质高效稳定的运转。天津港北港池集装箱三期码 头工程的特点是规模大( 桩基种类多、数量多) ，位于新开辟的地区，且为i 级 水工建筑物，对工程采用高标准的防腐蚀措施是确保码头结构在设计使用年限内 的安全和满足正常使用功能的重要环节。合理采取防腐措施，可以提高钢管桩和 钢筋混凝土结构的耐久性，延长其使用寿命。防腐措施应在建设时同时实施，比 起在使用后出现腐蚀受损情况在进行防腐补救效果更好。采用的外加电流阴极保 护法是在天津港首次大规模使用，本文通论述腐蚀与防腐的机理、该工法的设计 参数、施工工艺以及施工后检验效果，为今后港口泊位建设的防腐工程提供成功 的借鉴。 1 4 2 研究内容 ( 1 ) 本论文论述了腐蚀的危害和种类，特别是对码头工程钢管桩的腐蚀状 况进行了研究； 第章绪论 ( 2 ) 论述码头工程中常用的防腐蚀控制措施，包括防腐方法、关键环节、 控制技术及防腐蚀施工工艺； ( 3 ) 针对天津港北港池集装箱三期码头工程的钢管桩的防腐方案，从工艺、 安装、系统维护及经济等方面进行了对比分析和比较；论述了采用外加电流阴极 保护法和辆牲阳极法两种防腐方案的可行性。 ( 4 ) 详细论述了集装箱三期码头防腐工程的参数设计、设备材料选型及施 工工艺的控制； ( 5 ) 对集装箱三期码头防腐工程外加电流阴极保护系统进行调试，用调试 运行结果验证对该项目防腐蚀保护的效果。 第_ 章腐蚀的研究 2 1 腐蚀的定义及危害 2 1 1 腐蚀的定义 第二章腐蚀的研究 所谓腐蚀，就是物质在周围介质的作用下，生成其他物质而损失掉的过程。 从能量的角度来看，腐蚀是能量转换过程。自然界中的大多数金属是以化合状态 存在着，通过冶炼，被赋予能量，从离子状态转变成原子状态。然而回归自然状 态是金属固有本性，我们把金属与周围的电解质发生反应、从原子变成离子的过 程称为腐蚀。以铁的腐蚀过程为例。单质铁( 元素铁) 是由铁矿石冶炼得到的， 铁矿石的主要成分为f e 2 0 3 。在冶炼过程中，f e 2 0 3 吸收热量发生分解反应，生 成f e 和c 0 2 ： 。 2 f e ，o ，+ 3 c 尘j4 f e + 3 c o ，r f e 2 0 3 在受热分解时，所吸收的热量用于克服f e 与o 之间的化学键能，使此化 学键能断开，生成单质铁。而f e 与o 之间断键所消耗的能量，就转化为单质铁 比化合态的铁所多具有的能量，亦即单质铁处于能量较高的状态，化合态的铁处 于能量较低的状态。高能状态的单质铁不稳定，具有向低能态的化合铁过渡的趋 势，遇到适当条件，它就会自发地过渡到化合态，并以热量的形式向周围环境中 释放出多余的能量。亦即，铁的氧化过程是一个放热过程： 4 f e + 3 0 ，_ 2 f e ，o ， 宏观上生成了铁锈，即铁被锈蚀了。整个过程是自发进行的。所以，凡是在生成 时吸收能量的物质，都有被腐蚀的趋势。吸收的能量越多，就越不稳定，越容易 被腐蚀。铁在冶炼时吸收能量大，容易被腐蚀，而金则难被腐蚀，因为单质金是 处于较低的能量状态，较稳定，所以很难被腐蚀，在自然界可以单质状态存在。 如上所述，金属腐蚀是金属由高能的单质状态自发地向低能的化合状态过渡的过 程，并伴随释放一定的能量。 金属材料由于具有优良的物理、化学和力学性能以及良好的铸造、压力加工、 焊接、热处理和切削加工性能，在现代工业过程及日常生活中得到了广泛应用。 然而，实际应用中的金属材料常常与大气、土壤、海洋、生物和微生物等自然环 第二章腐蚀的研究 境以及与酸、碱、盐、工业水、熔盐、燃气等工业介质密切接触，因而，很容易 发生腐蚀。实际上，金属腐蚀是金属与周围环境介质之间发生化学和电化学作用 而引起的变质和破坏。这个腐蚀的过程可用一个总的反应过程( 图2 1 ) 表示： 2 1 2 腐蚀的危害 f e 卜一电锹喷溶液o ：o h 一一一 一 金属材料+ 腐蚀介质= 腐蚀产物 图2 - 1 金属腐蚀原理 1 ) 腐蚀问题造成的经济损失 腐蚀的危害非常巨大，它使珍贵的材料变为废物，如铁变成铁锈、( 氧化铁) ； 使生产和生活设施过早地报废，并因此引起生产停顿、物质流失、资源损耗、产 品质量下降、环境污染，而且常常危及人身安全，对人的生命安全构成威胁。金 属的腐蚀遍及国民经济各个领域，给国民经济带来了巨大的损失。在中国，由于 金属腐蚀造成的经济损失每年高达3 0 0 亿元以上，占国民生产总值的4 。金属 腐蚀的年损失远远超过水灾、火灾、风灾和地震( 平均值) 损失的总和，这还不 包括由于停工减产、火灾爆炸等造成的间接损失。在工业发达的国家中，腐蚀造 成的直接经济损失占国民经济总产值的1 , - - 4 ，每年腐蚀生锈的钢铁约占产量 的2 0 ，约有3 0 的设备因腐蚀而报废。在其他发达国家，腐蚀损失也相当惊 人，美国每年有4 0 的钢铁因腐蚀而损失，其中有1 0 完全变成废物，美国阿 波罗登月飞船因贮存氮氧化合物的高压容器产生应力腐蚀破裂，影响了登月计 划。金属材料腐蚀已成为影响各国国民经济和社会可持续发展的重要问题之一， 克服腐蚀危害也是广大科学技术研究人员的迫切任务。 2 ) 腐蚀问题对安全和环境的危害 腐蚀不仅造成经济上的损失，也经常构成对安全的威胁。均匀腐蚀，如铁生 锈，一般进展缓慢，危险性不大，但一些局部腐蚀如孔蚀( 穿孔) 和应力腐蚀破 第二章腐蚀的研究 裂，常常是突然发生的，可能引起事故，造成意外危险。国内外都曾发生过许多 灾难性腐蚀事故，如飞机因某一零部件破裂而坠毁，桥梁因钢梁产生裂缝而塌陷， 油管因穿孔或裂缝而漏油，化工厂的贮酸槽穿孔泄漏造成重大环境污染，液氨贮 罐爆炸造成人员伤亡等。在各种腐蚀环境中，海洋腐蚀更为严重。在港口建设、 船舶工程和深海勘探等领域广泛使用的钢结构和钢筋混凝土结构材料容易发生 各种灾害性腐蚀破坏。八十年代初国内水工建筑物、港口码头等使用情况的调查 结果显示：使用l o 3 0 年的水工建筑物有近6 0 出现腐蚀破坏，使用7 2 5 年的 海港码头有近9 0 出现了腐蚀破坏。可见，除了经济损失以外，腐蚀对安全和环 境的威胁决不容忽视。 3 ) 腐蚀问题阻碍新技术的发展 一项新技术、新产品、和新工业的产生过程中，往往会遇到需要克服的腐蚀 问题，只有解决了这些困难的腐蚀问题，新技术、新产品、新工业才得以发展。 工业史上有许多例子，如铅室法硫酸工业是在找到了耐稀硫酸的铅材才得以发展 起来的；发明了不锈钢以后，生产硝酸和应用硝酸的工业才蓬勃兴起。近代还 有一个有趣的例子，美国人在实施登月计划的过程中，遇到一个严重的腐蚀问题： 盛四氧化二氮( 氧化剂) 的容器是用钛合金( 6 a 1 ，4 v ) 制成的，试验中几 小时内就破裂，经查是应力腐蚀所致。后来科学家找到了防止破裂的方法：在氧 化剂中加入少量水( 1 5 ) 或加0 6 n o ，作为缓蚀剂，控制了应力腐蚀，克 服了这道障碍，人类终于登上了月球。现在和未来在发展新技术、新产品的过 程中，还会不断遇到各种新的腐蚀问题，而且是越来越困难的问题，例如化学、 能源( 包括核能) 、航天工业等都有向高温、高压方向发展的趋势，这样可获得 更高的生产率，更快的速度和更低的生产成本。但高温高压会造成更加苛刻的腐 蚀环境。早期的喷气机油泵温度约为7 9 0 ，现在已达到约1 1 0 0 ，这就需要适 应高温、高速的新材料。由于石油和天然气的短缺，特别是我国，利用蕴藏量巨 大的煤转化为气或液体燃料，是有重大意义的，但这就会遇到一连串的腐蚀问题： 高温( 超过1 6 5 0 ) 、高压、庞大的容器、粉尘的磨损腐蚀，硫化氢以及加氢引 起的氢腐蚀，适应高温、高速、高磨蚀的泵和阀等。解决了这一系列问题，将可 能获得廉价的煤的液化、气化燃料，将使我国以至世界的经济面貌大为改观。 2 2 国内外腐蚀研究的发展趋势 近年来，随着微电子、生物、医学与生命科学、宇航过程、环境科学和新能 源等领域的迅速发展，金属材料在这些领域的应用不断扩大，其腐蚀问题己引起 第_ 章腐蚀的研究 了人们的重视。调查和积累各种腐蚀数据、分析腐蚀数据、研究腐蚀规律，己成 为降低腐蚀损失和采取必要的防护措施、策略等的重要依据。而腐蚀诊断不仅对 诊断腐蚀发生、腐蚀类型和评价腐蚀程度很必要，也有利于及时调整和改善防腐 措施、避免腐蚀事故、降低腐蚀损失。 研究腐蚀诊断的理论和方法，具有十分重要的意义。在腐蚀科学研究中，处 理和分析材料的实际或实验室腐蚀数据，研究规律，探索材料腐蚀的诊断与预测 方法己经取得了一定的进展。从基本的分析开始，到现代数学方法如灰色理论、 模糊数学，尤其是近年来人经网络和小波分析等的发展和应用，对腐蚀数据的处 理和分析相关的腐蚀模型也应运而生。随着计算机技术的发展，腐蚀诊断分析测 腐蚀速率的理论方法以及腐蚀数据挖掘技术将不断更新，应用前景更为在腐蚀科 学领域，常见的记录金属材料腐蚀信息的载体是失重、腐蚀腐蚀电位、腐蚀时间、 介质温度和浓度等数据。而腐蚀图像，例如，用扫镜照片记录的金属材料表面腐 蚀形貌、腐蚀区域分布图像、无损检测图片、金相组织照片记录的金属材料微观 结构特征及金属断口图像等，也是判断腐蚀类型、评价腐蚀程度、研究腐蚀规律 与特征的重要依据。我国的专家学者对海洋环境中关于“腐蚀及其防腐蚀技术” 的研究正不断取得突破，以解决海洋结构耐久性问题为核心的创新性成果正走向 世界的前沿，例如：建立了宏观电池理论和海底沉积物腐蚀定量研究方法等整套 的防腐蚀理论系统，开发了新型铝基牺牲阳极的制造技术、海洋环境中钢铁设施 锌铝合金与有机覆盖层防腐新技术、海洋环境钢结构腐蚀状态跟踪扫描技术等一 系列新技术。 在各种腐蚀类型中，金属材料孔蚀是主要的腐蚀破坏形式之一。孔蚀是破坏 性极大的局部腐蚀，往往易发展成为腐蚀破裂或腐蚀疲劳的裂纹源，能导致腐蚀 穿孔直至整个设备早期失效，造成巨大的经济损失和灾难性事故。从二十世纪七 十年代末开始，相继有一些学者对图像处理技术在孔蚀及腐蚀评价中的应用进行 过实验研究和理论探索。但仍有许多问题有待深入研究，尤其是对不锈钢、铝及 铝合金等的孔蚀图像分割、孔蚀面积计算、蚀孔的分布规律等问题的研究有待拓 展。不同的表面形貌图像和孔蚀分布图像包含着不同的灰度信息和腐蚀大小信 息，反映了腐蚀形貌的起伏变化和腐蚀程度。从金属材料表面腐蚀图像和孔蚀分 布图像中提取形貌特征参数和孔蚀分布特征参数，对腐蚀图定量化表述，不仅对 深入研究腐蚀规律具有重要意义，而且也是建立腐蚀系统的一个重要组成部分。 通常，对大量金属材料的腐蚀图像进行人工识别和诊断是一项冗长的工程而且容 易受主观因素的影响。近年来，随着信息科学和图像技术的发展，金属腐蚀形貌 特征，结合计算机图像分析与处理技术，进行腐蚀的诊断和评已引起了人们的重 视。如何将腐蚀图像定量描述，转换为计算机能够识别息，并从中获取知识，对 第_ 二章腐蚀的研究 腐蚀类型和腐蚀速率进行客观而准确的诊断，无非常重要的。 近二、三十年来，国内外腐蚀与防腐蚀科学成果辉煌，据有关部门和专家估 计，如果将现在腐蚀与防腐蚀科学知识得以普及，可使腐蚀损失至少可减少3 0 。 目前，金属腐蚀研究发展的几个方面如下： ( 1 ) 在金属材料腐蚀实验的基础上，获得材料的早期腐蚀图像。拟以铝合金 的腐蚀形貌为例，研究腐蚀图像的数字化处理、图像增强、边缘提取以及小波变 换等预处理方法，分析腐蚀图像分割的有效方式，研究早期腐蚀形貌特征的描述 参数及其相应的特征提取方法，探讨由金属材料表面腐蚀形貌图像来计算孔蚀面 积和蚀孔数目等的方法，对腐蚀图像进行量化描述。 ( 2 ) 结合腐蚀电化学测试，拟以3 0 4 不锈钢化学浸泡和电化学孔蚀实验后的 表面腐蚀形貌为例，系统研究不锈钢在不同介质条件下的表面腐蚀形貌、蚀孔分 布特征及其提取方法，探索形貌复杂特征的描述方法及其特征参数，分析其与腐 蚀程度之间的关系。从分形的角度，研究材料的早期腐蚀表面蚀孔的分布及特征 提取方法。 ( 3 ) 拟以不锈钢和碳钢腐蚀图像的特征提取和各实验参数为例，用人工神经 网络技术，基于腐蚀图像形貌特征，建立描述腐蚀速率与腐蚀介质浓度、温度、 腐蚀形貌各特征因子之间神经网络评价模型，以及腐蚀类型与腐蚀形貌特征之间 的神经网络诊断模型，对金属腐蚀类型和腐蚀程度进行诊断评价，探讨依据材料 的早期腐蚀形貌特征进行腐蚀诊断的途径。 ( 4 ) 在实验研究的基础上，利用计算机图像处理技术，对碳钢和工业纯铝的 表面腐蚀形貌进行分析，研究其早期的腐蚀形貌和蚀孔分布的复杂性的描述方 法。从分形的角度，根据盒子维法测定金属表面腐蚀形貌和蚀孔分布分维值，与 实测失重、腐蚀速率相比较，探求这些因素之问的关系。以分维值描述腐蚀过程 中不同金属材料表面的凹凸起伏和不规则等复杂程度。 2 3 金属腐蚀的分类 腐蚀可分为全面腐蚀和局部腐蚀两类。全面腐蚀也称整体腐蚀，是指与环境 相接触的材料表面均冈腐蚀而受到损耗。腐蚀的结果是金属表面以近似相同的速 率变薄，重量减轻。但应当指出，绝对均匀的腐蚀是不存在的，厚度的减薄并非 处处相同。 局部腐蚀是指腐蚀的发生局限在结构的特定区域或部位上。局部腐蚀又可分 为以下几种： 第二章腐蚀的研究 2 3 1 孑l 蚀 孔蚀发生在金属表面极为局部的区域内，造成洞穴或坑点并向内部扩展，甚 至造成穿孔。若坑口直径小于点穴深度时，称为点蚀；若坑口直径大于坑的深度 时，又称坑蚀。实际上，点蚀和坑蚀没有严格的界限。在钢表面的某些部位，阳 极反应集中发生，严重腐蚀，成为“孔蚀”，孔蚀最主要的原因是通气性差。例 如在缝隙和贝类附着的部位等，氧的供给比其他部位少，供给少的部位成为阳极， 供给多的部位成为阴极，这样就形成了“电池”，在阳极部位就发生“孔蚀”。使 钢发生激烈孔蚀的诸多原因中，还有“迷走电流”的作用，从电气铁路和电焊机 浅漏的直流电，一旦流入土和水中的钢结构物，再从钢结构物流到土和水中，流 出的点即发生腐蚀，电流容易流出的部位会造成深深的孔蚀。 2 3 2 缝隙腐蚀 腐蚀发生在缝隙处或临近缝隙的区域。这些缝隙是由于同种或异种金属相接 触，或是金属与非金属材料相接触而形成的。这种腐蚀通常是由于缝隙中氧的缺 乏、缝隙中酸度的变化、缝隙中某种离子的累积而造成的。由于在缝隙中滞留着 大气中的水分和污染物，缝隙处受腐蚀的程度远大于金属表面的其他区域。缝隙 腐蚀是一种很普遍的腐蚀现象。几乎所有金属都有可能发生缝隙腐蚀。螺母紧压 面、搭接面、焊缝气孔、锈层下以及沉积在金属表面的淤泥、积垢、杂质都会形 成缝隙而引发缝隙腐蚀。 2 3 3 浓差腐蚀电池 由于靠近电池表面的腐蚀剂的浓度的差异而导致电极电位不同所构成的腐 蚀电池。差异充气电池就是浓度差腐蚀电池的一种。引起腐蚀的推动力是由于溶 液( 或土壤) 中某一处与另一处的氧含量不同导致电极电位不同而构成的腐蚀电 池。氧浓度低的部位将成为阳极区，腐蚀将加速进行。实际上，缝隙腐蚀与浓差 电池的腐蚀机理有雷同之处，但浓度差电池有更明显的阳极和阴极区。 2 3 4 电偶腐蚀 当一种不太活泼的金属( 阴极) 和一种比较活泼的金属( 阳极) 在同一环境 中相接触时，组成电偶并引起电流的流动，从而造成电偶腐蚀。电偶腐蚀也称双 金属腐蚀或接触腐蚀。特别应指出的是面积的影响在电偶腐蚀中极为重要。大阴 极和小阳极是最不利的面积比例。铜板上的钢柳钉比钢板上铜柳钉的腐蚀要严重 的多。 第二章腐蚀的研究 2 3 5 应力腐蚀 应力腐蚀是拉应力和特定腐蚀介质共存时引起的腐蚀破裂。此应力可以是外 加应力，也可以是金属内部的残余应力。残余应力可能产生于加工制造时的形变。 也可能产生于升温后冷却时降温不均匀，还可能是因内部结构改变引起的体积变 化造成的。柳合、螺栓紧固、压入配合、冷缩配合引起的应力也属于残余应力。 当金属表面的拉应力等于屈服应力时，肯定会导致应力腐蚀破裂。每种合金体系 有其特定的产生应力腐蚀破裂的环境条件。应力腐蚀破坏是钢在静拉应力的作用 下、在特定的腐蚀环境( 热而浓的碱、硝酸盐、氰化氢水溶液或液体氨等) 中发 生的。这些腐蚀环境不是在通常的自然环境中遇到的，因此发生应力腐蚀的可能 性非常小。 2 3 6 选择性腐蚀 也称分金腐蚀或脱合金腐蚀。这种形式的腐蚀是指合金中某一组分由于腐蚀 作用而被脱除。黄铜脱锌有两种类型，一种是塞型，一种是普通型。前者的形状 像许多被脱锌塞堵住的d , - 孑l ，后者则是在未受腐蚀的黄铜核心外面环绕着连续的 腐蚀层。铸铁有时也会出现选择性腐蚀，铁被选择性浸出，剩下石墨网状体，这 种现象也称之为石墨化。 2 3 7 磨损腐蚀 磨损腐蚀是金属受到液流或气流( 有无固体悬浮物均包括在内) 的磨耗与腐 蚀共同作用而产生的破坏。包括高速流体冲刷引起的冲击腐蚀；金属间彼此有滑 移引起的磨振腐蚀：流体中瞬时形成的气穴在金属表面爆裂时导致的空泡腐蚀。 2 3 8 氢腐蚀 由于化学或电化学反应( 包括腐蚀反应) 所产生的原子态氢扩散到金属内部 引起的各种破坏，包括氢鼓泡、氢脆和氢蚀三种形态。氢鼓泡是由于原子态氢扩 散到金属内部，并在金属内部的微孔中形成分子氢。由于氢分子不能扩散，就会 在微孔中累积而形成巨大的内压，使金属鼓泡，甚至破裂。氢脆是由于原子氢进 入金属内部后，使金属晶格产生高度变形，因而降低了金属的韧性和延性，导致 金属脆化。氢蚀则是由于原子氢进入金属内部后与金属中的组分或元素反应，例 如氢渗入碳钢并与钢中的碳反应产生甲烷，使钢的韧性下降，而钢中碳的脱除， 又导致强度的下降。 第二章腐蚀的研究 2 4 码头工程的腐蚀研究 现代海港工程中金属使用量的8 0 也是钢铁，而在海洋中的钢铁腐蚀速度约 十倍于大气中的腐蚀速度，随着海洋开发，海上交通，港口建设的发展，如何加 强码头工程的腐蚀与防护问题已成为世界各国面临的重大问题，我国海沿线已长 达一万八千多公里，加强腐蚀与防护问题更是十分突出。 2 4 1 码头工程腐蚀的化学反应过程 码头工程的环境是海水、大气和土等，而使它发生腐蚀的就是其中的水和氧， 水和氧与钢铁发生反应生成铁锈。钢铁变为铁锈的反应是一种电化学反应，也可 以说是根据“电池作用”进行的反应。在钢铁的表面由于种种原因存在无数非常 细小的阳极和阴极，形成了局部电池。在局部电池的阳极上发生铁的溶解，阴极 上发生氧的还原，就这样进行着腐蚀反应。钢铁腐蚀的速度决定于单位时间内到 达并扩散到钢表面的氧的量。而促使氧增加的主要因素是水中溶存的氧的浓度、 流速、混合的程度和温度等。由于腐蚀而在钢表面形成的铁锈，在某种程度上成 为氧扩散的屏障，具有抑制氧扩散的作用。而这种已经形成的铁锈层的保护作用， 在大气中较大，在水中较小。当水中溶有食盐等中性盐类时，腐蚀的机理原则上 没有变化，但食盐的存在影响作为氧扩散屏障的铁锈层的性质。如果钢的金属组 织、应力和塑性变形的程度不同，在水中的电位就不同，如两种不同成分钢的连 接部位，成为腐蚀电池阳极的一方就会促进腐蚀，钢表面的压痕也会促进腐蚀。 2 4 2 金属腐蚀程度的评定 1 ) 均匀腐蚀 均匀腐蚀或全面腐蚀程度一般采用平均腐蚀速率表示。平均腐蚀速率又有腐 蚀率和侵蚀率两种表达方法。单位时间内单位面积上的腐蚀量称为腐蚀率；单位 时间内侵入的深度称为侵蚀率。腐蚀率对于同种金属的比较是很方便的，但对不 同的金属，尽管腐蚀率相同，轻金属比重金属的侵蚀率要大得多。因此，异种金 属的比较以侵蚀率为好。腐蚀速率因使用单位的不同而有多种表示法。 2 ) 局部腐蚀 局部腐蚀程度评定较为复杂，没有统一的定量评定标准。金属的局部腐蚀形 式很多，反映在物理和机械性能方面的变化也各不相同。例如小孔腐蚀，只在小 孔处反映出腐蚀深度的变化，而其他部位并无明显改变。又如晶间腐蚀，虽然金 属的重量和外形尺寸并没有发生多大变化，但其机械强度却下降很大。因此，评 第二章腐蚀的研究 价局部腐蚀不能用简单的重量变化或外形尺寸的变化来进行评定，需要根据腐蚀 形式采用合适的物理、机械性能变化指标来进行评定。目前对点蚀的评价采用点 蚀密度、平均点蚀深度、最大点蚀深度等指标进行综合评价。晶间腐蚀和应力腐 蚀则采用腐蚀前后机械强度的损失来进行评定。 2 4 3 码头工程腐蚀的影响因素 在海水环境中，码头工程在海水的侵蚀下，其钢筋混凝土构件及钢管桩的耐 久性受到很大的影响。钢筋混凝土和钢管桩的锈蚀可由以下一些原因引起： 1 ) 海水环境的影响 海水的成分复杂，而且随水的深度而变，含盐量在3 3 - 3 8 之间，溶解氧 量为3 - 8 m g l ，并随水的深度而变化。海水的成分列在表2 1 中【3 1 。海水是导电 良好的电解质，能引起电偶腐蚀和缝隙腐蚀。 表2 1海水的主要成分( 氯度= 1 9 ) 离子p p mm g l离子p p mm g l c 1 1 8 9 8 05 3 5 3n a 1 0 5 6 14 5 9 4 s 0 4 2 -2 6 4 95 5 2k +3 8 09 7 h c 0 3 -1 4 22 3 m 9 2 1 2 7 21 0 4 4 阴离子阳离子 b r 一6 50 8c a 2 +4 0 02 0 o f -1 40 0 7s r 2 1 30 3 b 0 。2 _2 4 90 5 8 5 9 3 8m g l 5 9 4 2 5m g l 注：盐度= 1 8 0 7x 氯度，l p p m 即百万分比浓度。 码头工程结构在近海岸海洋环境中，可分为5 个区段：海洋大气区、浪溅区、 潮差区、海水全浸区、泥下区，区域划分如下1 4 j ： ( 1 ) 海洋大气区。海洋大气区形成腐蚀的原因有：海风将携带海盐粒子的海 水蒸气吹到设施结构表面，并冷凝形成含海盐粒子水膜，形成不连续的电介质溶 液分布，导致电解液膜下腐蚀；大气环境的冷热冻融、干湿结露、紫外线辐射、 大气中c 0 2 的渗透等。其腐蚀形态金属结构为电化学均匀腐蚀，该区段腐蚀速 第二章腐蚀的研究 度较慢，但钢结构阴面可能比阳面损坏得更快。 ( 2 ) 浪溅区。浪溅区形成腐蚀的原因有：含有海盐粒子且含氧量丰富的海 水因浪涌经常飞溅到设施结构表面，使其经常为腐蚀性海水湿润，加之水膜干湿 交变、盐分及c l 。浓缩，加速腐蚀；设施结构表面经常受到剧烈的风浪冲击，既 促进了海水在基体中的渗透及表面缺陷的劣化，又将形成的电化学腐蚀产物层及 物理腐蚀破坏失强层不断的剥离，循环往复，加速腐蚀；大气环境的冷热冻融、 干湿交变、紫外线辐射等。钢结构在此区段的侵蚀最严重，保护涂层比在其它区 段更易损坏。 ( 3 ) 潮差区。该区段从高潮位至低潮位腐蚀程度变化较大，高潮位腐蚀程 度接近浪溅区，随着潮位的降低腐蚀程度减缓。形成腐蚀的原因与浪溅区有两点 不同：设施结构表面每天有一部分时间是暴露在大气中，有一部分时间全浸在海 水中；海洋生物附着严重，其腐蚀形态高潮位与浪溅区相同，低潮位区域因海浪 影响较小及生物附着腐蚀减缓，但局部腐蚀和微生物腐蚀显现。腐蚀严重，位于 潮差区的材料可充当阴极，并可因处于潮差区以下的材料的腐蚀而得到一定程度 的保护。 ( 4 ) 海水全浸区。海水全浸区形成腐蚀的原因随海水深度不同变化较大， 在浅水区因表层水温度较高，污染严重，溶解氧含量丰富，故腐蚀较低潮位区严 重。而深水区溶解氧含量低，水温亦较低，故腐蚀较缓。其浅水区腐蚀形态金属 结构为氧浓差电池腐蚀，水面以上低潮位区含氧丰富为阴极，水面以下氧含量少 为阳极，腐蚀速度较慢。在浅海腐蚀可能比海洋大气中更迅速，可采用保护涂层 和阴极保护来控制腐蚀，在深海中的腐蚀较轻。 ( 5 ) 泥下区。海泥是一种含有海水的土壤介质，其海水含量随海泥深度由 表层的饱和含量逐层减少，但由于海泥中海水的含氧量极低，故腐蚀程度最低。 但是由于近海岸污染严重，部分海泥中含有大量的可释放出h 2 s 气体的硫酸盐还 原菌和海洋生物，故h 2 s 腐蚀和微生物腐蚀显现，有可能形成泥浆海水腐蚀电池。 码头结构在这些区段经受腐蚀的平均腐蚀率见表2 2 【5 j ，钢管桩不同区段腐 蚀速度的分布状况如图2 2 。 第二章腐蚀的研究 表2 2海水在不同区域的平均腐蚀率 划分类别 平均腐蚀率( m m 一) 海洋大气区 o0 5 枷2 0 浪藏区 潮差区 海水全浸区 泥下医 腐蚀环善分区 腐蚀形态 腐蚀特点 太气区 ：r 箍匹 湖差区 水下匡 瀑商 海泥区 ； 艟啪i r 目 * 女1 2 i 自# m 目镕女a # * $ m 口* t “ * 自月e “t e $#t zt t 3 m = 口* t 4 口h s * * 目e 镕帅m # f 眇柏l n ， 镕自* m 目m * 目* ，l 6 * “ 月 z m i * 图2 2钢管桩不同区段腐蚀速度分布图 海洋环境中，受腐蚀最严重的部位是浪溅区、潮差区和海水全浸区( 低潮位 区部位) ，其次是大气区，而泥下区的腐蚀速率最慢，因此浪搬区、潮差区和海 水全浸区( 低潮位区) 成为海洋建筑中防腐控制的重点部位，现阶段沿海的码头 设计主要采用高桩粱板式结构，其部分桩基结构和大部分上部结构均位于浪溅医 和潮差区，不少结构在使用较