付長(zhǎng)琦 蔡紅祥 鄭大白 王偉 潘賢清
[摘要]深海光纜敷設(shè)深度超過(guò)2000m,纜中的鍍鋅鋼絲主要發(fā)生電化學(xué)腐蝕。本文通過(guò)介紹腐蝕原理以及深海光電復(fù)合纜結(jié)構(gòu)來(lái)分析鍍鋅鋼絲使用壽命情況。
[關(guān)鍵詞]鍍鋅鋼絲 海光纜 使用壽命
材料受周?chē)橘|(zhì)的作用而遭受的變質(zhì)或損壞叫做腐蝕。材料包括金屬和非金屬,如鋼鐵、不銹鋼、有色金屬和塑桿、混凝土、木材。
周?chē)@環(huán)境介質(zhì)指材料所處的溫度、壓力、應(yīng)力、光照、輻射、生物條件、固液氣態(tài)介質(zhì)。對(duì)材料的作用包括化學(xué)的、電化學(xué)的、機(jī)械的、生物的以及物理的作用。
金屬腐蝕按原理分,可分為化學(xué)腐蝕以及電化學(xué)腐蝕。通常金屬材料與外界介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而損壞的現(xiàn)象叫做化學(xué)腐蝕,這只是一種單純化學(xué)作用,不產(chǎn)生電流。而電化學(xué)腐蝕過(guò)程中通常伴有電流產(chǎn)生。我司的深海光電復(fù)合纜能夠敷設(shè)在海底2000米的深海中,其外層鎧裝鋼絲發(fā)生的腐蝕一般是電化學(xué)腐蝕。
一、鍍鋅鋼絲的電化學(xué)腐蝕過(guò)程及基本原理
將鍍鋅鋼絲置于海水中,其發(fā)生的電化學(xué)腐蝕一般經(jīng)過(guò)以下4個(gè)步驟:
(1)鍍鋅層完整地覆蓋于整個(gè)鋼絲基體,鍍層發(fā)生腐蝕;
(2)鍍層發(fā)生部分破壞,鋅作為犧牲陽(yáng)極對(duì)鋼絲基體提供陰極保護(hù);
(3)鍍鋅層全部破壞,鋼絲基體開(kāi)始腐蝕,鋅的腐蝕產(chǎn)物抑制腐蝕過(guò)程;
(4)鋼絲基體發(fā)生快速腐蝕。
在海水環(huán)境中,鋅層最先發(fā)生電化學(xué)腐蝕。在陰極區(qū),其腐蝕的電化學(xué)反應(yīng)如下:
Zn→Zn++2e
在海水腐蝕下,電解液中含有大量的C1-,在陽(yáng)極區(qū)發(fā)生反應(yīng):
5Zn++2Cl-+8H2O→Zn(OH)8Cl2+8H+
鍍鋅鋼絲置于海水中,其先與海水接觸發(fā)生電化學(xué)腐蝕,為鋼絲提供了陰極保護(hù)。同時(shí)生成的腐蝕產(chǎn)物附著鋼絲表面,減緩了進(jìn)一步的腐蝕,同時(shí)抑制了鋼絲的腐蝕。
二、鍍鋅鋼絲在海水中的使用壽命
整個(gè)海洋環(huán)境主要分為五個(gè)區(qū):海洋大氣區(qū),海洋飛濺區(qū),海水潮差區(qū),海水全浸區(qū),海底泥土區(qū)。這五個(gè)區(qū)的腐蝕均隨海水溫度的升高而加重。海底泥土區(qū)含有大量沉淀物,含鹽量高,具有較好導(dǎo)電特性,泥土成為良好電解質(zhì),此外,這個(gè)區(qū)的含氧量低,易生長(zhǎng)厭氧的硫酸鹽還原菌等細(xì)菌,對(duì)金屬造成腐蝕,但和其他四區(qū)相比,泥土區(qū)腐蝕程度較輕,而我司的深海光電復(fù)合纜敷設(shè)在海底2000m處,正是處于海底泥土區(qū),而這個(gè)深度的海水常年溫度在1℃~2℃,溫度偏大低,因此相對(duì)于海洋的其他位置,此光電復(fù)合纜敷設(shè)的地方腐蝕相對(duì)較輕。
根據(jù)以前的研究,碳鋼在海水中的腐蝕遵循以下關(guān)系:
D=A+k(t-1)
其中D為碳鋼的平均腐蝕深度(mm),t為暴露時(shí)間,A為碳鋼在海水中暴露第一年的平均腐蝕速度,k為碳鋼在海水中暴露的穩(wěn)定腐蝕速度(大到在0.05mm/a-0.13mm/a)。據(jù)研究,A范圍為0.1~0.22。
以鍍鋅鋼絲的直徑為3.23為例,經(jīng)粗略計(jì)算,表面的鋅層厚度大概為0.07mm,因此鍍鋅鋼絲內(nèi)部鋼的直徑為3.09。
利用腐蝕公式:D=A+k(t-1),其中A取中間值0.16,k也取中間值O.09mm,可計(jì)算得t約為17。因此,若將直徑3.09,未鍍鋅的鋼絲直接置于海中,需要17年才能腐蝕完。鋼絲表面鍍有0.07mm的鋅層,這鋅層為鋼絲提供了陰極保護(hù),同時(shí)鋅層的電化學(xué)腐蝕產(chǎn)物附著在鋼絲表面,形成致密均勻的氧化膜,阻止了外界離子向鍍鋅層的擴(kuò)散,一定程度上減緩了鍍鋅層的腐蝕,使得鋼絲不易發(fā)生電化學(xué)腐蝕,從而減緩了鋼絲的腐蝕速度。
以上的分析是將鍍鋅鋼絲直接與海水接觸得到的,但實(shí)際中,一般鋼絲外層繞有雙層PP繩,同時(shí)涂覆有瀝青,這有效得杜絕了鋼絲與海水的直接接觸,大大減輕了電化學(xué)腐蝕的發(fā)生條件,使得鍍鋅鋼絲更加不易發(fā)生電化學(xué)腐蝕,腐蝕速度將減少50%以上,因此由以上原因分析可推斷,鍍鋅鋼絲的壽命起碼可以翻倍,超過(guò)30年。
三、結(jié)論
金屬腐蝕可分為化學(xué)腐蝕以及電化學(xué)腐蝕。我司研究的深海光電復(fù)合纜敷設(shè)深度可達(dá)海底2000m,其結(jié)構(gòu)中的鍍鋅鋼絲主要發(fā)生電化學(xué)腐蝕。了解鍍鋅鋼絲的一些參數(shù)(如直徑,鋅層厚度),利用腐蝕公式:D=A+k(t-1),可計(jì)算出鍍鋅鋼絲直接與海水接觸后的使用壽命,并推斷出光電復(fù)合纜中的鍍鋅鋼絲的使用壽命。
以3.23的鋼絲為例,鍍鋅鋼絲與海水直接接觸,使用壽命為17年;而光電復(fù)合纜中,鍍鋅鋼絲使用壽命將超過(guò)30年。