海水腐蚀的影响因素

海水是丰富的天然电解质,海水中几乎含有地球上所有化学元素的化合物,成分是很复杂的。除了含有大量盐类外,海水中还含有溶解氧、海洋生物和腐烂的有机物,海水的温度、流速与pH等都对海水腐蚀有很大的影响。

1.盐类及浓度

海水的含盐量直接影响水的电导率和含氧量,因此必然对腐蚀产生影响。通常随着含盐量的增加,水的电导率增加而含氧量降低,海水腐蚀速率增加,所以在某一含盐量时将存在一个腐蚀速率的最大值。但当盐度超过一定值时,由于氧的溶解度降低,使金属腐蚀速率下降。因此钢在海水中腐蚀速率将随含盐量增加而先增后减,钢的腐蚀速率最大时对应的盐度与海水的含氧量最大时所对应的盐度接近。

但在江河入海处或海港中,却与上述规律不完全一致。这些地方虽然含盐量较低,但腐蚀性却较高。其原因是,海水通常被碳酸盐饱和,钢表面沉积一层碳酸盐保护层。而在稀释海水中,碳酸盐达不到饱和,不能形成此保护层。另外,海水可能受到污染,增强了对金属的腐蚀作用。

2.pH

海水的pH在8.1~8.3之间,接近中性。海水中的pH可因光合作用而稍有变化。在深海处pH略有降低,不利于金属表面生成保护性的盐膜。

3.溶解氧

氧是海水腐蚀的阴极去极化剂,而海水腐蚀又是阴极控制型的电化学腐蚀,所以海水中溶氧量是海水腐蚀的重要因素。对于在海水中难以钝化的碳钢、低合金钢和铸铁等金属材料来说,海水中溶氧量越高,金属的腐蚀速率越大。但对依靠表面钝化膜提高耐蚀性的金属,如铝和不锈钢等,含氧量增加有利于钝化膜的形成和修补,使钝化膜的稳定性提高,点蚀和缝隙腐蚀的倾向减少。

海水表面始终与大气接触,而且接触表面积非常大,海水还不断受到波浪的搅拌作用并有剧烈的自然对流,在相当大的深度以内,海水中含氧量比较高。可以认为,海水的表层已经氧饱和。

随着海水中盐浓度增大和温度的升高,海水中溶解的氧量将下降。自海平面至800m左右深,随海水深度的增加,氧含量逐渐减少并达到最低值。这是因为海洋动物要消耗氧气,从海水上层下降的动物尸体发生分解时也要消耗氧气。然而,通过对流形式补充的氧少于消耗了的氧,所以出现了缺氧层。从800m再降至1000m深,溶解氧量又开始上升,并接近海水表层的氧浓度。这是深海海水温度较低、压力较高的缘故。污染海水中氧含量可大大下降。

4.温度

海水温度随纬度、季节和深度的不同而发生变化。越靠近赤道(即纬度越小),海水的温度越高,金属腐蚀速率越大。而海水越深、温度越低,则腐蚀速率越小。海水温度每升高10℃,海水中的金属腐蚀速率将增大一倍。但是,温度升高后氧在海水中的溶解度下降,温度每升高10℃,氧的溶解度约降低20%,引起金属腐蚀速率的减小。此外,温度变化还给海水的生物活性和石灰质水垢沉积层带来影响。由于温度的季节性变化,铁、铜和它们的多种合金在炎热的季节里腐蚀速率较大。

5.海水流速

海水流速的不同改变了供氧条件,因此许多金属发生腐蚀与海水流速有较大关系。通常对在海水中不能钝化的金属,如碳钢、低合金钢等,随海水流速增大,氧的扩散速度提高,海水腐蚀加剧。例如,铁、铜等常用金属存在一个临界流速,超过此流速时,金属腐蚀明显加快。但对于钛、镍合金和高铬不锈钢等易钝化的金属,海水流速增加会促进其钝化,提高其耐蚀性,因此在一定范围内提高流速是有利的。但当流速很高或与金属构件(如船舶螺旋桨)相对运动速度很大时,很容易引起冲蚀和空泡腐蚀。

6.构筑物所处环境

按照金属和海水的接触情况可将海洋的腐蚀环境大致分为:海洋大气区、飞溅区、潮汐区、全浸区和海泥区。根据海水的深度不同,全浸区又可分为浅水、大陆架和深海区。由于所处环境的不同,使金属的腐蚀速率有很大差异。

(1)海洋大气区是指海洋飞溅区以上的大气区和沿海大气区。碳钢、低合金钢在海洋大气区的腐蚀速率总体上低于其他各区。

(2)飞溅区是指平均高潮线以上海浪飞溅润湿的区域。在这个部位,一方面由于海水交替的干湿变化,溶氧量比较多;另一方面由于日光的照射,温度升高,加上在海面的污损生物、浮油等的附着以及台风、流冰的冲击等因素,腐蚀极为剧烈,是海水腐蚀环境中腐蚀最严重的部位,其腐蚀速率可达到全浸区的好几倍。

(3)潮汐区是指平均高潮位和平均低潮位之间的区域。潮汐区和飞溅区相似,照理来说,也是腐蚀严重的部位,但是由于潮汐区的供氧情况比其邻近的全浸区好,在它们之间形成氧的浓差电池,潮汐区相对于全浸区成为该电池的阴极而受到保护,腐蚀的速度和腐蚀程度均降低。

(4)全浸区一般是指在平均低潮线以下直至海底泥线之间海水浸着的区域。在这个部位,金属始终浸泡在海水中,由于海水流动所造成的金属面上氧的分布不均匀而形成氧的浓差电池作用以及海生物等作用,平静海水处(全浸带)的腐蚀受氧的扩散控制,腐蚀随深度变化,浅水区腐蚀较严重,阴极区易形成石灰质水垢,生物因素影响大。随深度增加腐蚀减弱。在深海,由于含氧量少,海水温度随着水深而降低,海生物附着减少,同时海水流速也减慢,所以腐蚀速率较慢。

(5)海泥区是指海水全浸区以下部分,主要由海底沉积物构成。海泥区既具有土壤的某些特点又具有海水的某些性质。海底情况是变化无常的,不同地区海泥的情况相差很大。与陆地土壤不同,海泥的含盐量和电导率远高于陆地土壤,是一种良好的电解质。但由于海泥中的含氧量低于海水,更低于陆地土壤,又因腐蚀产物不能迁移,使腐蚀速率最小,但泥浆一般有腐蚀性,因为有微生物腐蚀产物(硫化物),有可能形成泥浆海水间腐蚀电池或者微生物的腐蚀。

7.海洋生物

海洋生物包括多种动物、植物及微生物,如海藻、牡蛎、藤壶等。对海水影响最大的是附着生物。当金属新鲜表面浸入海水中数小时后表面上即附着一层生物黏泥,它们牢牢地附着在金属构件表面上,随后便很快长大,并固定不动了。

许多海洋生物附着在船舶或海上构筑物表面,破坏了金属表面的保护层或与金属表面形成缝隙,促进金属的腐蚀过程。另外,微生物的生理作用会产生NH 、CO 和H S等腐蚀性物质,硫酸盐还原菌的作用则产生氧,这些都能加快金属的腐蚀。海洋生物沾污也是影响海洋设施性能的重要因素,额外的沾污负荷能使海水中建筑物过载,如使浮标失去浮力。对于在海洋中航行的船只,船身的严重沾污不仅使阻力增大,航速降低,堵塞水流使传热效率降低,还会影响船体航行的运动性能,造成燃料的过量消耗。

不同金属和合金在海水中被生物沾污的程度不同,海生物沾污最严重的是铝及其合金,铜及其合金被海生物沾污的程度最小。

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