海洋工程裝備腐蝕監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀

0 引言

我國已經(jīng)明確提出“建設(shè)海洋強國”的戰(zhàn)略目標，以海洋資源開發(fā)為目的的海洋工程產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，相應(yīng)的海洋工程裝備研制日益發(fā)展壯大。相對于陸用裝備，在海洋環(huán)境下服役的裝備（包括船舶、海洋平臺、管道等等）面臨著嚴酷的海洋環(huán)境腐蝕，材料的腐蝕損傷是制約海洋工程裝備服役安全性的關(guān)鍵因素[1]。

腐蝕監(jiān)測技術(shù)是指利用在線檢測儀器及腐蝕分析方法，對裝備的腐蝕狀態(tài)、腐蝕速率及某些腐蝕相關(guān)參數(shù)進行實時測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)對裝備的實時腐蝕狀態(tài)及腐蝕安全性進行評估。為保障海洋工程裝備的服役安全，除了充分的防腐蝕設(shè)計外，還需要在必要的部位（如不易檢修的部位、關(guān)鍵壓力邊界部位等）應(yīng)用腐蝕狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，實時掌握材料或結(jié)構(gòu)部件的腐蝕狀態(tài)，杜絕突發(fā)腐蝕泄漏故障，確保裝備服役期間的腐蝕安全性[2-6]。隨著海洋資源的開發(fā)，海洋工程裝備的腐蝕問題將越來越凸顯，腐蝕監(jiān)測技術(shù)在海洋工程裝備的腐蝕安全保障方面的應(yīng)用也將越來越多。基于此，本文對海洋工程裝備腐蝕監(jiān)測技術(shù)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀進行了簡要概述，對其未來的研究方向進行展望。

1 腐蝕監(jiān)測技術(shù)體系

根據(jù)腐蝕監(jiān)測技術(shù)特征，可以分為直接監(jiān)測技術(shù)和間接監(jiān)測技術(shù)，直接監(jiān)測技術(shù)測量的是因腐蝕或沖蝕而出現(xiàn)直接變化的參數(shù)；而間接監(jiān)測技術(shù)測量的是那些影響腐蝕或沖蝕，或受腐蝕或沖蝕影響而出現(xiàn)變化的參數(shù)。其中直接監(jiān)測技術(shù)又分為侵入式技術(shù)和非侵入式技術(shù)兩類，間接監(jiān)測技術(shù)分為在線技術(shù)和離線技術(shù)兩類。侵入式技術(shù)是指需要穿過管線或容器外壁，直接接觸到內(nèi)部介質(zhì)進行測量的技術(shù)，一般來說，侵入式技術(shù)需要特定形式的探針或測試片；間接監(jiān)測技術(shù)可以是在線或離線的，對于在線技術(shù)而言，不需要將設(shè)備從工藝過程中移除，而離線技術(shù)則需要從工藝過程中采集樣品或試片進行分析。根據(jù)以上分類，對目前存在的腐蝕監(jiān)測技術(shù)進行分類劃分，形成技術(shù)體系，分別如圖1、2所示[7-12]。

圖1 腐蝕直接監(jiān)測技術(shù)體系

圖2 腐蝕間接監(jiān)測技術(shù)體系

根據(jù)圖1、圖2所列的腐蝕監(jiān)測技術(shù)體系，對適用于海洋環(huán)境下工程裝備的腐蝕監(jiān)測技術(shù)進行簡要闡述。

1.1 腐蝕失重掛片

失重掛片是將小的金屬掛片，暴露于特定的環(huán)境中一段時間，來確定金屬在環(huán)境中的反應(yīng)。測試結(jié)束后將掛片從環(huán)境中取出，表面的腐蝕產(chǎn)物采用物理或化學(xué)的方式清除。掛片可以直接安裝在有代表性的海洋腐蝕環(huán)境中（如不同深度、不同海域等），也可以將掛片安裝在裝備內(nèi)部流道或部件中。試片的設(shè)計一般根據(jù)測試的目的進行，如扁平試片用于均勻腐蝕或點蝕，焊接試片用于焊縫局部腐蝕，應(yīng)力試片用于應(yīng)力腐蝕開裂。通過計算金屬損失，可以確定試片在特定時間段內(nèi)的平均腐蝕速率。

腐蝕掛片技術(shù)原則簡單易懂，可以在很小的空間對多種金屬進行對比，掛片本身成本較低。但是，該技術(shù)有以下局限性：

（1）所獲得的腐蝕速率數(shù)據(jù)是掛片時間內(nèi)的平均腐蝕速率，局部腐蝕需通過光學(xué)顯微鏡等技術(shù)進行測量；

（2）掛片時間過短可能導(dǎo)致結(jié)果不具有代表性，一般來說，由于腐蝕其階段腐蝕速率較高，那么可能掛片數(shù)據(jù)高出現(xiàn)場材料正常腐蝕速率；

（3）在掛片期間，無法判斷腐蝕失效的時間或程度；

（4）腐蝕速率只能在掛片取出后進行計算；

（5）掛片的清理和分析過程耗費附加成本和時間；

（6）掛片的清理對于結(jié)果的計算影響很大（尤其是實驗室測試）。

1.2 電阻技術(shù)

電阻技術(shù)的基本原理就是被測金屬的電阻值會因為其截面區(qū)域受腐蝕、沖蝕作用減小后而升高。在實際應(yīng)用過程中，一般會使用一支溫度補償探頭進行對比，彌補因溫度造成的電阻變化。由于電阻值一般較小，因此測量時采用一些高靈敏電子元件。

電阻技術(shù)可進行持續(xù)監(jiān)測，對于了解控制腐蝕過程作用較大，幾乎可用于任何環(huán)境，相應(yīng)快，可在較嚴重問題出現(xiàn)之前采取想控制措施，不需從該系統(tǒng)中取出探頭就可以進行測量。但是，該技術(shù)具有以下局限性：

（1）監(jiān)測結(jié)果一般代表均勻腐蝕的腐蝕速率，對于局部腐蝕敏感性較差；

（2）在電化學(xué)腐蝕環(huán)境中，相對于電化學(xué)技術(shù)，電阻探針確定腐蝕速率所需要的時間相對較長（幾小時到幾天）；

（3）在某些條件下，部分導(dǎo)電的腐蝕產(chǎn)物（如硫化鐵）沉積在探頭表面，可能導(dǎo)致腐蝕速率測量值降低；

（4）當(dāng)安裝環(huán)境出現(xiàn)較大溫度波動時，會引起測量腐蝕速率出現(xiàn)波動。

1.3 腐蝕電位監(jiān)測

腐蝕電位的監(jiān)測，主要是通過與極化數(shù)據(jù)結(jié)合，用來預(yù)測腐蝕行為；或是與電位pH圖及氧化還原電位結(jié)合，來確定目前的相平衡狀態(tài)。通過腐蝕電位監(jiān)測，還可以確定目前不銹鋼是處于活化還是鈍化狀態(tài)，同時對于電化學(xué)保護系統(tǒng)的工作狀態(tài)也可起到良好的監(jiān)測。

腐蝕電位監(jiān)測可以簡單快速地監(jiān)測金屬是否處于鈍化狀態(tài)，也可以用來監(jiān)測系統(tǒng)腐蝕隨時間的變化及頻率。但是，該技術(shù)具有以下局限性：

（1）不能用于腐蝕速率的測量；

（2）所采用的殘壁電極有可能在工藝介質(zhì)中發(fā)生反應(yīng)；

（3）殘壁電極可能造成污染；

（4）在高于100°C是需使用特殊的參比電極。

1.4 超聲測厚技術(shù)

使用超聲技術(shù)測量固體的厚度已有數(shù)十年的歷史，起源就是利用測量一個特定頻率的波穿過一個固體的時間來計算物體的厚度。過去，常用的超聲測厚技術(shù)只能針對一個點的厚度進行測量，而現(xiàn)在，使用馬達驅(qū)動機器人操作的面測厚系統(tǒng)，可以在0.1m2的面積上同時進行幾千甚至上萬個點的測厚。同時，隨著計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展，自動在線測厚技術(shù)也已成功應(yīng)用。

2 海洋工程裝備腐蝕監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

根據(jù)材料特征，海洋工程裝備大致可分為金屬結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)兩類。鋼結(jié)構(gòu)的裝備包括船舶、海底管道、鉆井平臺等；混凝土結(jié)構(gòu)主要包括海洋岸防設(shè)施等，金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕監(jiān)測主要關(guān)注金屬材料的腐蝕減薄、局部穿孔等信息，混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測主要關(guān)注混凝土內(nèi)部鋼筋的銹蝕。根據(jù)監(jiān)測目的不同，兩類海洋工程結(jié)構(gòu)采取的腐蝕監(jiān)測技術(shù)方法也有所差別[13]。

2.1 金屬結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測

目前，金屬結(jié)構(gòu)在海洋中服役時，以電化學(xué)腐蝕和沖刷腐蝕為主，相應(yīng)的腐蝕監(jiān)測技術(shù)也與這兩種腐蝕行為相匹配[14]。以船舶為例，相關(guān)資料顯示，美國艦船的鋼制壓載水艙內(nèi)部廣泛應(yīng)用了腐蝕電位監(jiān)測裝置，通過腐蝕電位的監(jiān)測來判斷壓載艙內(nèi)部涂層破損情況及陰極保護系統(tǒng)的工作情況。應(yīng)用情況如圖3所示，其中，參比電極采用Ag/AgCl電極，通過數(shù)據(jù)采集將不同部位的腐蝕電位分布情況進行系統(tǒng)分析，當(dāng)局部涂層破損時，破損部位的腐蝕電位較完好部位的腐蝕電位會有所下降，可以通過腐蝕電位的變化定性判斷涂層體系的使用情況。此外，腐蝕電位監(jiān)測也可以對壓載艙內(nèi)部的犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)的工作情況進行判別，當(dāng)犧牲陽極達到消耗下限或局部布置不合理時，相應(yīng)的保護電位會教標準電位有所差別，通過該差值判斷陰極保護系統(tǒng)的工作情況。

圖3 船舶壓載水艙內(nèi)部腐蝕電位監(jiān)測系統(tǒng)

2.2 混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測

海洋環(huán)境下混凝土中的鋼筋腐蝕主要是電化學(xué)反應(yīng)，鋼筋表面在滲入的氯離子作用下發(fā)生腐蝕，因此，電化學(xué)方法是監(jiān)測混凝土中鋼筋腐蝕的有效方法。檢測鋼筋混凝土腐蝕的電化學(xué)方法主要有如下幾種：半電池電位法、線性極化法、電化學(xué)阻抗譜、電阻率法、電化學(xué)噪聲法等[15]。以港珠澳大橋主體混凝土結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測為例[16]，采用了ECI-2耐久性監(jiān)測傳感器，設(shè)計的鋼筋電極、輔助電極和參比電極體系，采用線性極化方法實時監(jiān)測鋼筋的腐蝕速率及腐蝕電位，另外，傳感器中還集成了氯離子探針和混凝土電阻率探針，可以實時定量監(jiān)測混凝土中的氯離子濃度和混凝土的電阻率，達到混凝土結(jié)構(gòu)耐久性綜合監(jiān)測的目的。

圖4 港珠澳大橋混凝土結(jié)構(gòu)采用的ECI-2耐久性監(jiān)測傳感器

3 腐蝕監(jiān)測技術(shù)研究展望

隨著海洋資源的開發(fā)，材料在極端海洋環(huán)境中的腐蝕將成為制約裝備走向深海、遠海的關(guān)鍵因素。由于腐蝕監(jiān)測技術(shù)在材料腐蝕安全性保障方面的獨特優(yōu)勢，將在海洋工程裝備設(shè)計中越來越受到重視，其作用也將越來越凸顯。展望未來海洋工程裝備腐蝕監(jiān)測技術(shù)的研究，主要有以下幾個方向：

（1）極端海洋環(huán)境下原位腐蝕監(jiān)測技術(shù)的開發(fā)。深海環(huán)境腐蝕條件苛刻，材料腐蝕安全性要求高，但常規(guī)的腐蝕監(jiān)測技術(shù)在信號傳輸、信息提取等方面存在難點，開發(fā)適用于深海極端環(huán)境下的腐蝕監(jiān)測技術(shù)，服務(wù)于深海資源開發(fā)，是未來腐蝕監(jiān)測領(lǐng)域研究的亟需；

（2）局部腐蝕損傷的監(jiān)測技術(shù)。局部腐蝕危害性大，是目前導(dǎo)致海洋工程裝備突發(fā)性腐蝕泄漏的主要原因，由于局部腐蝕（如點蝕）的發(fā)生具有隨機性，可靠的腐蝕監(jiān)測困難，開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)局部腐蝕可靠監(jiān)測的技術(shù)是工程應(yīng)用亟需；

（3）多方法協(xié)同的腐蝕監(jiān)測技術(shù)。海洋環(huán)境腐蝕呈多因素協(xié)同作用的特點，存在力學(xué)-電化學(xué)、生物-電化學(xué)、氧化-電化學(xué)的協(xié)同腐蝕作用，單一的腐蝕監(jiān)測技術(shù)難以全面反映出裝備的腐蝕風(fēng)險，因此，開發(fā)多方法協(xié)同的腐蝕監(jiān)測技術(shù)，各技術(shù)之間相互彌補，達到可靠監(jiān)測的目的；

（4）基于腐蝕監(jiān)測的智能壽命預(yù)測方法。開展腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能學(xué)習(xí)和分析方法研究，從有限數(shù)據(jù)樣本中提取裝備未來腐蝕行為的信息提前預(yù)測評估裝備腐蝕風(fēng)險。

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