我国不同海域的大气腐蚀环境评估

2022-03-21王浩丁国清刘凯吉杨海洋刘雯

环境技术 2022年1期

王浩，丁国清，刘凯吉，杨海洋，刘雯

（1.中海油常州涂料化工研究院有限公司上海海铠防腐工程技术分公司，上海 200050；2.青岛钢研纳克检测防护技术有限公司，青岛 266071；3.钢铁研究总院青岛海洋腐蚀研究所有限公司，青岛 266071）

引言

海洋大气区指海面飞溅区以上的大气区和沿海大气区，海洋大气区的特点是空气湿度大、含盐量多，暴露在海洋大气区的金属表面常沉积细小海盐颗粒，由于海盐的吸湿性，易于在金属表面形成液膜，在季节或昼夜变化气温达到露点时尤为明显，因此，海洋大气对金属结构的腐蚀程度要比内陆大气严重的多[1]。材料海洋环境腐蚀给国家带来重大经济损失和能源浪费，威胁着海洋工程、装备的使用安全。我国海域辽阔，大陆海岸线长达18 000 km，分属于暖温带、亚热带、热带三个气候带，南北跨度大，气候条件迥异，具有不同的环境腐蚀等级，而海洋工程装备所采取腐蚀防护措施与其腐蚀环境密切相关，因此，针对我国不同海域海洋大气环境，开展腐蚀环境等级评定，对海洋工程装备的合理选材和防护设计具有重要意义[2]。本文便是通过测试获取黄渤海、东海及南海不同海域碳钢的腐蚀速率、温湿度、污染物沉积速率等数据，并基于GB/T 19292.1～4-2018[3～6]中给出的方法，给出了我国不同海域的环境腐蚀等级。

1 研究方法

1.1 测试获取碳钢在我国不同海域腐蚀速率

收集获取碳钢、低合金钢和不锈钢等金属材料在我国不同海域暴露1年的腐蚀速率数据，该数据通过参考GB/T 14165-1993或GB/T 19292.4-2018，开展碳钢金属材料在我国黄渤海、东海、南海等不同海域的现场暴露试验获得。

暴露试验的具体试验过程如下：

分别在在我国黄渤海、东海、南海等不同海域选择合适的位置设置腐蚀试验点，布置好试样架，将制备好的钢试片安装在试样架上，再将试样架安装的挂点处，暴露架与地面角度45 °，试验时间1年。试验周期结束后，取下试样，拍摄腐蚀形貌照片。参考GB/T 16545-2005去除腐蚀产物后，并进行准确称重。

采用下式计算腐蚀速率。

式中：

V—腐蚀速率，单位为mm/a；

W0—试验前的试样重量，单位为g；

Wt—试验后的试样重量，单位为g；

S—试样的总面积，单位为cm2；

T—试验时间，单位为天；

D—材料的密度，单位为g/cm3。

1.2 测试获取我国不同海域环境因素数据

测试获取我国不同海域为期1年的环境因素数据，具体包括：温湿度数据、氯离子沉积速率、SO2沉积速率。该数据通过参考GB/T 19292.3-2018开展温湿度数据监测、氯离子沉积速率、SO2沉积速率试验获得。

1）温湿度数据

具体监测的方法如下：

在试验点布设温湿度传感器，实时监测试验地点的温湿度数据；

测试频率：1次/小时，测试时间：1年；

获得温度、湿度月平均及年平均值。

2）氯离子沉积速率数据

参考GB/T 19292.3-2018，采用干片法进行氯离子沉积速率测定，测试时间：1年。

具体步骤：制作氯离子采样板，中间网格为面积100 mm2的纱布，如图1所示。

图1 氯离子采样板

将氯离子采样板竖直安装在选定的位置处，需要设遮雨棚防止其直接受到雨水冲刷。如图2所示。

图2 氯离子采样板遮雨棚

试验时，每隔一定时间间隔后，取下氯离子采样板，并同时安装新的氯离子采样板。将取下的每个采样板浸泡在100 mL的蒸馏水中，溶解下表面沉积的盐，作为测试溶液。用硝酸银滴定法测定溶液中的氯离子含量，并计算试样的氯离子沉积量。采用如下公式计算基于干片法获得的氯离子沉积速率。

式中：

m1—取样溶液中氯离子的质量，单位为毫克（mg）；

m0—空白试样（与采样纱布面积相同）溶液中氯离子的质量，单位为毫克（mg）；

A—暴露纱布的表面积（0.02 m2），单位为平方米（m2）；

t—暴露时间，单位为天（d）。

3）二氧化硫沉积速率测试

参考GB/T 19292.4-2018，采用碱法进行二氧化硫沉积速率测定，测试时间：1年。

具体步骤：拟制作的二氧化硫采样器如图3所示。

图3 二氧化硫采样器

试验时，每隔30天，取下二氧化硫采样器，并同时安装新的二氧化硫采样器。用氯化钡滴定法测定溶液中的硫酸根离子含量，计算试样的二氧化硫沉积量。采用如下公式计算SO2沉积速率。

式中：

m1—硫酸盐化盘中二氧化硫总质量，单位为毫克（mg）；

m0—空白试样中二氧化硫总质量，单位为毫克（mg）；

A— 硫酸盐化盘暴露部分的面积，单位为平方米（m2）；

t— 暴露时间，单位为天（d）。

1.3 我国不同海域的腐蚀环境评级

参考GB/T 19292.1-2018，根据获得的钢标准试样在我国不同海域的腐蚀速率数据，对各海域的腐蚀环境进行准确分级。

参考GB/T 19292.1-2018，根据获得的我国不同海域的温湿度及污染物因素数据，计算金属材料的腐蚀速率数据，并对各海域的腐蚀环境进行准确分级。

2 结果与讨论

2.1 碳钢/低合金钢和不锈钢等金属材料在我国不同海域腐蚀速率

测试获得的Q235钢在我国黄渤海、东海及南海海域的腐蚀率数据，见表1。

结果表明，由于南海海域大气环境温度高、湿度大、海盐粒子沉积速率高，Q235钢在南海海域大气中的腐蚀率最高，暴露1年腐蚀率达0.588 mm/a，而在北海和东海的腐蚀速率则相对较低，一般不超过0.1 mm/a。

2.2 基于钢标准试样腐蚀速率的腐蚀环境评估

根据国家标准GB/T 19292.1-2018，金属标准试件在环境中自然暴露试验获得的腐蚀率对大气腐蚀性分为6类：

c1：腐蚀性很低；c2：低；c3：中；c4：高；c5：很高；cX：极高。

以不同金属暴露第一年的腐蚀率进行环境腐蚀性分类见表2。

由表1和表2可知，基于碳钢1年腐蚀速率，我国北海海域碳钢腐蚀速率为79 μm/a，环境腐蚀等级为c4；我国东海海域碳钢腐蚀速率为53 μm/a，环境腐蚀等级为c4；我国南海海域碳钢的腐蚀速率为588 μm/a，环境腐蚀等级为cX。

表1 碳钢/低合金钢在我国不同海域大气暴露1年的腐蚀速率

表2 以不同金属暴露第一年的腐蚀率进行环境腐蚀性分类

2.3 环境因素

测试获得了我国不同海域的为期1年的温湿度数据及污染物因素数据，按照表3和表4对污染物的分级标准，对各海域大气环境的污染物进行分级，见表5～7。结果表明，南海海域大气环境年均温湿度最高，东海海域次之，北海最低。氯离子沉积速率：南海海域最高，污染等级为S2，北海海域次之，东海海域最低，但污染等级均为S1；SO2沉积速率：南海海域最高，北海海域和东海海域较低，污染等级均为P1。