極地鋼鐵材料的腐蝕與防護(hù)面臨新挑戰(zhàn)

屈少鵬, 趙行婭, 軒星雨

(上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201306)

南北極面積的總和超3 500萬(wàn)平方公里,約是我國(guó)總面積的2.5倍。人類(lèi)對(duì)南北極的科考已有上百年歷史,我國(guó)也于19世紀(jì)80年代正式啟動(dòng)了對(duì)極地的科考工作,目前我國(guó)在南北極均已建立了自己的極地考察站?？碧皆u(píng)估報(bào)告指出:南北極具有豐富的能源、礦產(chǎn)及生物等資源,如北極擁有全球13%的未探明石油儲(chǔ)量,同時(shí)擁有全球30%未開(kāi)發(fā)的天然氣儲(chǔ)量及9%的世界煤炭資源[1];極地蘊(yùn)含的礦產(chǎn)包含金、銅、鐵、鉛、鉑、鎳、鋅等。隨著全球變暖的影響,極地海冰面積也隨之減少,預(yù)計(jì)在2045年北極82%的海域?qū)⒃谙募緹o(wú)冰[2],適合極地航運(yùn),這些北極航道有利于降低航程及相應(yīng)的運(yùn)輸成本。此外,北極因其特殊的地緣格局,在軍事上有著非常重要的戰(zhàn)略意義。因而,極地的開(kāi)發(fā)和利用越來(lái)越多的受到各國(guó)的重視。

為了開(kāi)發(fā)和利用極地,極地裝備的研制必不可少。極地裝備主要分為極地科學(xué)裝備、極地船舶裝備、極地資源開(kāi)發(fā)裝備等3大類(lèi)[3],而制作極地裝備的相關(guān)材料則是必要的基礎(chǔ)。金屬材料,尤其是鋼鐵材料作為結(jié)構(gòu)材料在極地裝備中占比很大,因而研發(fā)極地鋼鐵材料成為極地開(kāi)發(fā)和利用的迫切需求。極地環(huán)境是具有溫度低、海水鹽度高、風(fēng)大、海浪高、暴風(fēng)雨雪、浮冰和極夜等特殊條件的極端環(huán)境[4-5],這對(duì)在極地環(huán)境服役的鋼鐵材料的性能提出了新挑戰(zhàn)。國(guó)際海事組織IMO及國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)IACS對(duì)極地船舶用鋼進(jìn)行了強(qiáng)制性技術(shù)規(guī)范[6-7]?，F(xiàn)有船級(jí)社規(guī)范了極地船舶用鋼的鋼級(jí),并以沖擊試驗(yàn)溫度對(duì)其進(jìn)行了定義,其最高級(jí)別為F級(jí)[8-9]。目前關(guān)于極地鋼鐵材料性能的研究主要聚焦在其力學(xué)性能等方面[10],如研發(fā)高性能的止裂鋼[1],研究高鎳基的低溫碳鋼對(duì)低溫沖擊韌性的影響[11],研究極地破冰船用鋼低溫疲勞性能[12]等,此外,針對(duì)低溫鋼的摩擦性能等亦開(kāi)展了部分研究[13-14],這在極地鉆采等工程領(lǐng)域也是非常重要的研究方向。然而,中國(guó)海洋大學(xué)在南極對(duì)多種金屬材料及數(shù)十種海洋重防腐涂裝體系進(jìn)行了極地海洋大氣環(huán)境、極地海洋全浸環(huán)境樣品腐蝕/老化暴露試驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)[15],研究結(jié)果證實(shí)了極地環(huán)境亦會(huì)引起金屬材料產(chǎn)生明顯的腐蝕。因而,極地鋼鐵材料在極地環(huán)境進(jìn)行服役時(shí),除需要進(jìn)行必要的力學(xué)性能研究外,其腐蝕性能也將成為影響其服役安全性及服役壽命的重要性能之一。

侯保榮院士等[16]的研究指出,材料的腐蝕不局限于材料的本身,還與材料所處的環(huán)境緊密關(guān)聯(lián)。與傳統(tǒng)海洋環(huán)境相比,由于極地環(huán)境自身的特殊性,使得極地鋼鐵材料在極地環(huán)境中的腐蝕問(wèn)題與傳統(tǒng)海洋環(huán)境中鋼鐵材料的腐蝕有明顯的不同,為此,本文以傳統(tǒng)海洋環(huán)境腐蝕分區(qū)為參照,對(duì)極地特色的腐蝕環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)的分析與歸納整理,并通過(guò)對(duì)極地鋼鐵材料腐蝕與防護(hù)的研究進(jìn)展進(jìn)行梳理,提出了極地鋼鐵材料研究的方向,旨在為極地環(huán)境工程用鋼的研發(fā)及應(yīng)用提供建議。

1 極地腐蝕環(huán)境分區(qū)

傳統(tǒng)海洋環(huán)境腐蝕分區(qū)隨著空間的不同,由高到低可以分為海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、海洋潮差區(qū)、海洋全浸區(qū)和海底泥土區(qū)等5個(gè)典型區(qū)域,如圖1所示,其中浪花飛濺區(qū)由于供氧量充分,使其腐蝕很?chē)?yán)重;潮差區(qū)由于在海水面上下氧氣的供應(yīng)不均勻,在水面上下造成氧氣濃差形成氧濃差電池,其作為氧濃差電池的陰極區(qū)受到保護(hù)時(shí),腐蝕速率相對(duì)較低[16-17]。極地環(huán)境是具有溫度低、海水鹽度高、風(fēng)大、海浪高、暴風(fēng)雨雪、浮冰和極夜等特殊條件的極端環(huán)境,本文以傳統(tǒng)海洋環(huán)境腐蝕分區(qū)為參照,通過(guò)分析極地特殊環(huán)境的特點(diǎn),將極地腐蝕環(huán)境分為極地大氣區(qū)、極地冰水磨蝕區(qū)、極地海洋全浸區(qū)、極地海底泥土區(qū)等4個(gè)腐蝕區(qū)域。

圖1 傳統(tǒng)海洋環(huán)境腐蝕分區(qū)

1.1 極地大氣區(qū)

極地大氣區(qū)為處在極地海水或冰面之上的區(qū)域。此區(qū)域的溫度常年處于低溫,由于大氣中濕度的不同[18],當(dāng)濕度較低時(shí),過(guò)冷的鹽霧與鋼鐵表面接觸后會(huì)形成疏松、不透明的白色粒狀結(jié)構(gòu)沉積物霧凇和薄薄的霧霜;在濕度較高時(shí),大氣中的小液滴與鋼鐵表面接觸后則會(huì)在鋼鐵材料表面形成更加致密的雨凇冰。研究表明,冰雪凝-融過(guò)程會(huì)導(dǎo)致鋼鐵表面存在長(zhǎng)周期的液膜,這將促進(jìn)并加速極地鋼鐵材料的局部腐蝕[19-20]。這種類(lèi)似干濕交替的鋼鐵表面環(huán)境亦會(huì)受到極地極晝極夜、季節(jié)的變化及太陽(yáng)輻照等的影響。

極地區(qū)域風(fēng)大且易出現(xiàn)暴風(fēng)雨雪等惡劣天氣,這會(huì)引起極地大氣區(qū)鋼鐵材料表面產(chǎn)生顆粒沖刷腐蝕,且大風(fēng)還會(huì)加速去極化劑的擴(kuò)散,風(fēng)中的顆粒對(duì)鋼鐵表面保護(hù)性腐蝕產(chǎn)物或涂層亦有較大的沖擊破壞作用,故而會(huì)在一定程度上加速鋼鐵表面沖刷腐蝕的可能及程度。由于大氣圈緯度環(huán)流的循環(huán)影響,極地大氣中亦會(huì)存在Cl-、CO2、SO2等大氣污染物,這些物質(zhì)亦會(huì)影響極地鋼鐵材料的腐蝕過(guò)程。在Cl-的作用下,極地鋼鐵材料的腐蝕產(chǎn)物往往更易形成多孔、不穩(wěn)定的β-FeOOH,這種腐蝕產(chǎn)物對(duì)極地鋼鐵材料的腐蝕沒(méi)有較好的保護(hù)性;另外,當(dāng)Cl-滲透到銹層后,會(huì)進(jìn)一步引起腐蝕產(chǎn)物的破壞,并引起極地鋼鐵材料產(chǎn)生點(diǎn)蝕[21]。大氣中的CO2、SO2溶于極地鋼鐵材料表面薄液膜后,會(huì)增加腐蝕產(chǎn)物的缺陷并降低腐蝕產(chǎn)物的穩(wěn)定性,增加極地鋼鐵材料的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)[22-23]。在極地大氣區(qū)存在大量已知和未知的微生物[24],這些微生物對(duì)于處于極地大氣區(qū)的極地鋼鐵材料的腐蝕尚亟待研究。

1.2 極地冰水磨蝕區(qū)

極地環(huán)境與傳統(tǒng)海洋環(huán)境最具特色的區(qū)別在于極地冰雪層的存在。隨著季節(jié)或地域的改變,極地冰雪覆蓋層的覆蓋比例會(huì)隨之改變。隨著溫度的上升,流冰的運(yùn)動(dòng)及冰雪的融化會(huì)使極地冰雪區(qū)域出現(xiàn)無(wú)冰區(qū)或碎冰區(qū);極地船舶在破冰航行時(shí),由于船體與冰雪的相互作用,亦會(huì)產(chǎn)生碎冰區(qū)。在極地冰水磨蝕區(qū)的鋼鐵材料常處于這種冰水混合的環(huán)境中[1]。根據(jù)冰雪與海水混合比例的不同,可以將極地冰水磨蝕區(qū)進(jìn)一步分為滿冰區(qū)、碎冰區(qū)、無(wú)冰區(qū)等3種情況[25]。

在滿冰區(qū),由于海冰與極地鋼鐵之間相對(duì)靜止,因而這種情況下的腐蝕常傾向于靜態(tài)腐蝕,該情況下物質(zhì)的傳遞過(guò)程在一定程度上會(huì)受到阻礙,從而影響極地鋼鐵材料在滿冰區(qū)的腐蝕過(guò)程。極地鋼鐵在滿冰區(qū)的腐蝕,主要會(huì)受到冰雪體內(nèi)海冰鹽度、孔隙率、間隙水、微生物[26-27]等因素的影響。極地鋼鐵材料可能會(huì)因冰雪體內(nèi)影響腐蝕過(guò)程因素的分布不均勻性形成濃差電池[28],并使其產(chǎn)生不均勻腐蝕現(xiàn)象。

在碎冰區(qū),極地鋼鐵材料的腐蝕是一個(gè)固液雙相流的腐蝕,這種情況下的腐蝕往往比較復(fù)雜且嚴(yán)重。對(duì)DH系列低溫鋼進(jìn)行冰水沖刷腐蝕,當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí),腐蝕作用占主要地位,隨著轉(zhuǎn)速升高,腐蝕與沖蝕磨損的綜合作用更明顯,鋼樣表面的沖蝕腐蝕坑的數(shù)量和深度均顯著增加,且冰水比越大時(shí)其腐蝕也會(huì)更嚴(yán)重[29]。極地鋼鐵材料在碎冰區(qū)的沖刷腐蝕除了會(huì)受到冰水比例、沖刷速度等因素影響外,還會(huì)因海冰尺寸、形狀、沖刷角度等的不同而不同。在碎冰區(qū),海水的鹽度因結(jié)冰析鹽而增加,這使得碎冰區(qū)冰雪與海水之間的含鹽量有明顯的差異,因而極地鋼鐵材料在此區(qū)的腐蝕還可能會(huì)因鹽度的差異產(chǎn)生不均勻腐蝕。對(duì)于破冰船,其破冰過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生碎冰區(qū),破冰船在碎冰區(qū)航行時(shí),船體鋼鐵材料亦會(huì)遭受到冰水混合物的磨蝕;破冰船破冰時(shí)鋼鐵材料還會(huì)受到冰雪沖撞引起的疲勞問(wèn)題,加之冰水兩相腐蝕介質(zhì)的影響,破冰船用鋼的疲勞腐蝕問(wèn)題也是此區(qū)域中非常常見(jiàn)的一個(gè)腐蝕問(wèn)題。碎冰區(qū)因碎的覆冰的作用,海冰與海水間的作用會(huì)抑制極地潮汐現(xiàn)象[30-32],因而碎冰區(qū)極地鋼鐵材料的腐蝕受潮汐現(xiàn)象影響較小。

在無(wú)冰區(qū),由于沒(méi)有冰雪覆蓋,供氧充足,腐蝕傳質(zhì)過(guò)程相比冰雪中更加順暢。因極地多風(fēng)且大的特點(diǎn),此處海浪也會(huì)較大,加之晝夜潮汐的作用,該區(qū)域很容易形成較大的海浪及潮差,處于該區(qū)的極地鋼鐵材料會(huì)承受類(lèi)似傳統(tǒng)海洋環(huán)境中浪花飛濺區(qū)和潮差區(qū)的環(huán)境影響,與傳統(tǒng)環(huán)境區(qū)別在于,此區(qū)域溫度相對(duì)較低,由飛濺或潮差殘留在鋼表面的海水會(huì)在低溫下發(fā)生相變,因而此區(qū)域中極地鋼鐵材料發(fā)生的腐蝕,除與傳統(tǒng)海洋環(huán)境中浪花飛濺區(qū)和潮差區(qū)的腐蝕相似外,還會(huì)發(fā)生由于鋼表面海水周期相變所引起的干濕腐蝕現(xiàn)象。干濕比對(duì)極地鋼鐵材料的腐蝕影響較大,隨著干濕比增大,碳鋼表面的銹層會(huì)越來(lái)越薄,腐蝕產(chǎn)物中的γ-FeOOH和氧的含量升高,Fe3O4的含量降低,腐蝕會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重[33]。另外,極地船舶在無(wú)冰區(qū)域航行時(shí),所遭受的海水沖刷腐蝕也是極地船舶用鋼非常嚴(yán)重的一種腐蝕類(lèi)型[34]。

1.3 極地海洋全浸區(qū)

極地海洋全浸區(qū)是極地海冰冰層或海面以下到極地海底泥土之間的區(qū)域。與傳統(tǒng)海洋環(huán)境全浸區(qū)相比,極地海洋全浸區(qū)海水溫度與海水深度之間的關(guān)聯(lián)不強(qiáng)。在淺海全浸區(qū),當(dāng)極地海面有冰雪覆蓋時(shí),此區(qū)溶解氧的擴(kuò)散速率與傳統(tǒng)海水相比較小,因而在一定程度上會(huì)影響極地鋼鐵材料腐蝕的陰極過(guò)程;隨著海水深度的增加,在深海全浸區(qū),極地海洋和傳統(tǒng)海洋的環(huán)境差異不明顯,故而極地鋼鐵材料在此處所承受的腐蝕與傳統(tǒng)海洋環(huán)境中差異不大。值得注意的是,鋼鐵材料在淺海的腐蝕行為與深海的腐蝕行為因靜水壓等因素的不同而存在明顯的差異[35]。另外,南北極常由于地殼運(yùn)動(dòng)引起極地區(qū)域出現(xiàn)海底火山,因而會(huì)在極地海洋全浸區(qū)出現(xiàn)熱液區(qū),這些區(qū)域的海水溫度往往可高達(dá)400 ℃[36],因而對(duì)鋼鐵材料腐蝕性能的要求更加的苛刻。

1.4 極地海底泥土區(qū)

極地海底泥土區(qū)也是一個(gè)固液雙相流的腐蝕區(qū)域。與傳統(tǒng)海底泥土區(qū)類(lèi)似,影響極地鋼鐵材料在極地海底泥土區(qū)腐蝕的因素有沉積物、特殊腐蝕氣體、含氧量、酸堿度、特殊的微生物等。沉積物與極地鋼鐵材料接觸時(shí),會(huì)在表面形成縫隙并誘導(dǎo)縫隙腐蝕發(fā)生;海底沉積物在海底洋流帶動(dòng)下對(duì)鋼鐵材料亦會(huì)產(chǎn)生沖刷腐蝕的可能。在海底火山的影響下,極地海底泥土區(qū)會(huì)有特殊的高含硫沉積物、具有腐蝕性的氣體亦會(huì)在此區(qū)域富集[35],因而此海泥區(qū)的含氧量、酸堿度等都會(huì)發(fā)生改變,這對(duì)極地鋼鐵材料的腐蝕也會(huì)有明顯的影響。海底微生物因種類(lèi)的不同,對(duì)極地鋼鐵材料的腐蝕影響亦不同。如低合金鋼在含硫酸鹽還原菌(SRB)海底沉積物中的腐蝕速率比海水中的要高,因?yàn)檫@類(lèi)微生物是可以利用硫酸鹽類(lèi)物質(zhì)作為呼吸代謝電子受體的厭氧類(lèi)微生物[37]。海泥中SRB的存在,除了加速海洋用鋼的腐蝕速度,還會(huì)使鋼鐵材料在腐蝕電位和陰極保護(hù)電位下的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性顯著增加,對(duì)裂紋尖端陽(yáng)極溶解以及氫滲透均有加速作用,同時(shí)也會(huì)使鋼鐵材料在腐蝕電位和陰極電位下的疲勞壽命下降[38]。然而,假交替單胞菌的基因突變株可在鋼鐵表面形成具有規(guī)則結(jié)構(gòu)的層狀礦化膜,此膜是由胞外聚合物和具有方解石晶體結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)碳酸鹽組成,具備優(yōu)異的耐腐蝕性能,因而在一定程度上減緩了鋼鐵材料的腐蝕[39]。

綜上所述,極地大氣區(qū)、極地冰水磨蝕區(qū)、極地海洋全浸區(qū)、極地海底泥土區(qū)各自的環(huán)境特征及腐蝕特征存在明顯不同,其各區(qū)的環(huán)境及腐蝕特征可歸納如表1所示,可以看到,極地腐蝕環(huán)境與傳統(tǒng)海洋腐蝕環(huán)境存在明顯不同,這對(duì)極地鋼鐵材料的性能提出了新的挑戰(zhàn)。

表1 極地腐蝕環(huán)境分區(qū)

2 極地鋼鐵材料防護(hù)技術(shù)

極地鋼鐵材料面臨的極地環(huán)境腐蝕問(wèn)題是復(fù)雜且有特色的,為了改善極地鋼鐵材料的腐蝕問(wèn)題,本文主要從3個(gè)方面梳理提高極地鋼鐵材料耐極地環(huán)境腐蝕性能的方法,包括合金化、涂層技術(shù)和陰極保護(hù)技術(shù)。

2.1 合金化

通過(guò)有效調(diào)整鋼鐵材料的合金元素可以提升鋼鐵材料的耐腐蝕性。對(duì)于極地鋼鐵材料的研發(fā),在利用合金化提升其耐腐蝕性能時(shí),還需考慮其對(duì)低溫力學(xué)性能的影響,這是極地鋼鐵材料在利用合金化技術(shù)時(shí)必須考慮的問(wèn)題之一。俄羅斯研制的AK-25、АБ7A,美國(guó)的HY-80、EN36-060及HSLA系列,英國(guó)的Q1N、Q2N、Q3N,日本的NS系列,韓國(guó)的RE36,法國(guó)的HLES80以及我國(guó)自主研發(fā)的DH40、EH40、FH40等都是極地鋼鐵材料[13],目前關(guān)于極地鋼鐵材料性能的研究主要聚焦在其低溫力學(xué)性能等方面,為保證其低溫的韌性,其N(xiāo)i元素含量往往較高,如FH36級(jí)低溫鋼中Ni含量可達(dá)0.80%,舞鋼研制的WQ960E甚至將其N(xiāo)i含量提升至2.0%。在極地鋼鐵中,常通過(guò)添加擴(kuò)大奧氏體區(qū)元素Ni、Mn等以顯著降低其韌脆轉(zhuǎn)變溫度,保證其在極地使用的低溫韌性要求,且Ni有利提升鋼鐵的低溫疲勞性能[40]。Ni對(duì)極地鋼鐵材料耐腐蝕性能的提升也是很有益的,通過(guò)合理添加Ni可以提高鋼鐵的自腐蝕電位,并可減少其應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、晶間腐蝕及縫隙腐蝕的發(fā)生[41];然而Mn很容易與鋼鐵中S形成條狀MnS夾雜物,這對(duì)鋼鐵低溫韌性有很大危害,且容易誘導(dǎo)鋼鐵發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂,這對(duì)極地鋼鐵材料的冶煉提出了更高的要求,需要避免條狀MnS的產(chǎn)生,或通過(guò)在鋼鐵中進(jìn)一步加入Ti、Cr來(lái)控制MnS的形態(tài),使其球化,從而提升鋼鐵的抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能[42]。在鋼鐵中,通過(guò)適當(dāng)加入Nb,不僅可以細(xì)化組織、提高韌性,還可以使析出物的形核率提高、數(shù)量增加、強(qiáng)化作用增大,從而有效提高鋼鐵的屈服強(qiáng)度并降低其韌脆轉(zhuǎn)變溫度[43];Nb加入鋼鐵材料后,會(huì)使其腐蝕后的表面更加光滑、腐蝕產(chǎn)物更加致密,從而有效降低其腐蝕程度[44]。稀土元素亦可改善鋼的低溫脆性,提高鋼的機(jī)械性能等[45],同時(shí),稀土元素對(duì)腐蝕過(guò)程亦會(huì)有明顯的影響[46-48]。鋼鐵材料中的Cr、Mo、N,可以明顯提升鋼鐵材料的耐點(diǎn)蝕能力,很適合應(yīng)用在類(lèi)似海水等含Cl離子的腐蝕環(huán)境中,同時(shí),在鋼鐵材料中加入Cr、Mo,還可同時(shí)提高其耐磨性和耐蝕性,這對(duì)極地鋼鐵材料的服役安全及使用壽命是有益的。目前海水環(huán)境中使用的高鉻鋼的耐磨耐蝕性往往較優(yōu),這是因?yàn)殇撹F中Cr與C生成的碳化鉻析出可以很好地提高材料的硬度并提升其耐磨性,同時(shí),Cr在鋼鐵表面可生成穩(wěn)定鈍化膜,提高其耐蝕性;然而,高鉻鋼應(yīng)避免在晶界處產(chǎn)生碳化鉻等富集,因?yàn)檫@會(huì)增加鋼鐵材料晶界處的脆性并降低晶界的耐腐蝕性,使其晶間腐蝕的傾向增大,并可能引起沿晶應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂,成為應(yīng)力腐蝕裂紋的起源。稀土作為我國(guó)的資源優(yōu)勢(shì),系統(tǒng)、深入地研制稀土對(duì)鋼鐵低溫力學(xué)性能及腐蝕性能的影響機(jī)理,有利于研發(fā)我國(guó)特色的極地鋼鐵材料;多種合金元素的添加對(duì)鋼鐵材料性能的影響不是簡(jiǎn)單的疊加,全面評(píng)估多元素耦合作用下鋼鐵材料的性能影響機(jī)制,有利于找到更有效的、綜合提升鋼鐵使用性能的合金添加方案,另外,在利用合金化技術(shù)時(shí),需要注意對(duì)鋼鐵冶煉、成型、熱處理、加工等技術(shù)的研究,因?yàn)檫@些技術(shù)對(duì)材料最終性能的呈現(xiàn)也會(huì)有影響[49]。

2.2 涂層技術(shù)

涂層可以在一定程度上有效地將金屬材料與腐蝕環(huán)境阻隔,從而達(dá)到金屬材料防腐的目的。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)極地船舶用涂層的研發(fā)很少[13],只有很少的企業(yè)可以提供涂層,如以純環(huán)氧技術(shù)為主的佐敦Marathon IQ和荷蘭阿克蘇諾貝爾國(guó)際Intershield 163 Inerta 160;以玻璃纖維/鱗片增強(qiáng)為主的中涂化工Permax及海虹老人Hempadur Multi-Strength GF 35870,這些極地船用涂層低溫下有較好的耐磨性及較低的摩擦系數(shù)。在極地環(huán)境中,由于環(huán)境溫度非常低且多暴風(fēng)雨雪,暴露在極地海面以上的構(gòu)件表面很容易覆蓋較厚的冰雪,這會(huì)影響構(gòu)件的使用功能甚至造成破壞、引發(fā)事故。傳統(tǒng)涂層在極地特殊環(huán)境下,亦可能會(huì)導(dǎo)致其致密性降低、膜基結(jié)合力減弱以及自身脆化等問(wèn)題,從而使其失效。因而極地特色的環(huán)境特點(diǎn)對(duì)極地鋼鐵材料表面涂層的性能提出了新的挑戰(zhàn),極地鋼鐵涂層需要滿足如下幾個(gè)方面的要求。1)涂層需要抗冰。開(kāi)發(fā)超疏水涂層材料[50],可有效降低鋼鐵材料表面的液滴數(shù)量,延長(zhǎng)液滴結(jié)冰所需時(shí)間,但長(zhǎng)時(shí)間的高濕低溫環(huán)境常會(huì)導(dǎo)致這類(lèi)涂層失效,如何避免這種失效還亟待進(jìn)一步研究;同時(shí)也可以考慮采用自熱材料、光熱材料或電熱材料等避免涂層表面結(jié)冰。目前硅基超疏水涂層、石墨基加熱涂層、形狀記憶合金涂層[51]等均有較優(yōu)的抗冰性能。2)涂層需要耐磨耐沖擊,尤其是在極地的冰-水磨蝕區(qū),這種性能的重要性更加明顯。聚氨酯與納米二氧化鈦增韌環(huán)氧樹(shù)脂具有優(yōu)秀的斷裂伸長(zhǎng)率、耐沖擊性及拉伸強(qiáng)度,可適用于低溫環(huán)境下的船舶保護(hù)[52];鎢摻雜類(lèi)金剛石薄膜(DLC-0.9at.%W)涂層具有較低的孔隙率和較高的硬度,可提高涂層的耐磨性能[53]。3)涂層需要低溫防腐性能。低溫常會(huì)導(dǎo)致有機(jī)涂層脆化,這將增加涂層破裂失效的風(fēng)險(xiǎn),因而涂層的低溫脆裂溫度是其在極地服役的一個(gè)重要的指標(biāo),研發(fā)耐低溫脆化的涂層對(duì)于涂層低溫防腐性能非常重要。4)涂層應(yīng)綠色環(huán)保,這對(duì)整個(gè)極地環(huán)境的保護(hù)是非常重要的,也是目前涂層研發(fā)的熱點(diǎn)方向之一。除研發(fā)極地涂層外,適應(yīng)極地涂層的涂裝技術(shù)也亟待進(jìn)一步研究及優(yōu)化。鋼鐵材料表面涂裝過(guò)程中,涂層的完整程度等指標(biāo)直接決定其后續(xù)的服役性能,涂層中的裂紋等缺陷會(huì)使鋼鐵材料表面產(chǎn)生陰陽(yáng)極分化,導(dǎo)致鋼鐵材料發(fā)生局部腐蝕[54],因此,優(yōu)化涂裝工藝也非常重要。

2.3 陰極保護(hù)技術(shù)

陰極保護(hù)技術(shù)是海洋防腐常用方法之一,其是基于電化學(xué)熱力學(xué)角度防腐的一種技術(shù)。海洋中的陰極保護(hù)技術(shù)可分為犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)和外加電流的陰極保護(hù)[55],目前海洋工程中廣泛使用鎂、鋅、鋁及其合金等作為犧牲陽(yáng)極。陰極保護(hù)技術(shù)在極地環(huán)境中的應(yīng)用尚處于研發(fā)階段,目前其在極地環(huán)境中的應(yīng)用還存在諸多問(wèn)題,如極地冰雪覆蓋等影響對(duì)犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)的陽(yáng)極腐蝕過(guò)程可能會(huì)有阻礙作用,影響其電化學(xué)活性,從而降低了犧牲陽(yáng)極的防腐效果;另外,外加電流的陰極保護(hù)需從陰極保護(hù)系統(tǒng)中的電源設(shè)備、輔助陽(yáng)極等方面進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化[56]。極地復(fù)雜且苛刻的特色環(huán)境,使得極地鋼鐵材料在使用時(shí)的自腐蝕電位會(huì)存在較大差異,如何布局犧牲陽(yáng)極的位置和大小、選擇施加的陰極電位等都需要根據(jù)具體環(huán)境的要求進(jìn)行系統(tǒng)研究,防止因陰極保護(hù)設(shè)計(jì)不合理而導(dǎo)致的被保護(hù)鋼鐵材料發(fā)生腐蝕或充氫等問(wèn)題。

3 極地鋼鐵材料的發(fā)展方向

為發(fā)展海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略,開(kāi)發(fā)利用極地資源,中國(guó)極地研究中心、中國(guó)船級(jí)社、上海海事大學(xué)、中國(guó)海洋大學(xué)、吉林大學(xué)、寶武鋼鐵、鞍山鋼鐵、江南造船等多家研究院所及企業(yè)都將極地鋼鐵材料的研制作為其工作方向之一[13]。

極地鋼鐵材料的研發(fā),首先需要滿足其在極地環(huán)境下使用的力學(xué)性能要求。極地鋼鐵材料作為結(jié)構(gòu)材料在極地特色的低溫、高鹽、大風(fēng)、高浪、暴風(fēng)雨雪、浮冰等環(huán)境下服役時(shí),要求極地鋼具有低的脆韌轉(zhuǎn)變溫度、高的屈服強(qiáng)度、優(yōu)的低溫止裂性、好的焊接性,同時(shí)還應(yīng)具有優(yōu)秀的耐磨性等。關(guān)于極地鋼鐵材料力學(xué)性能的研究,除深入探究其化學(xué)成分、微觀組織等對(duì)其基本力學(xué)性能的影響機(jī)制外[57],還應(yīng)根據(jù)工況考慮其低溫疲勞、低溫耐磨等性能及相關(guān)力學(xué)性能之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系等[58-59]。極地鋼鐵的研發(fā)應(yīng)從調(diào)整鋼鐵材料成分、表面處理、制備工藝等多個(gè)角度提升其綜合低溫力學(xué)性能[49, 60-61]。

極地鋼鐵材料的研發(fā)需要在滿足其低溫力學(xué)性能要求的同時(shí)兼顧其耐腐蝕性能。極地特色的腐蝕環(huán)境對(duì)于極地鋼鐵材料的耐腐蝕性能要求也是非常苛刻的,揭示極地鋼鐵材料化學(xué)成分、微觀組織、制備工藝等對(duì)其在極地各種腐蝕環(huán)境下的腐蝕機(jī)理,尤其是冰雪、冰水存在時(shí)的極地大氣腐蝕、磨蝕、疲勞腐蝕、沖刷腐蝕等極地低溫腐蝕機(jī)理;極地鋼鐵材料作為結(jié)構(gòu)鋼,在極地環(huán)境中服役時(shí)還應(yīng)考慮其極地環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕機(jī)理、力學(xué)-化學(xué)效應(yīng)等腐蝕機(jī)理;基于上述理論研發(fā)具有綜合低溫力學(xué)性能及耐極地環(huán)境腐蝕的鋼鐵材料是極地鋼鐵材料研發(fā)重要的方向;開(kāi)發(fā)我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、特色的、國(guó)產(chǎn)化[62]的極地鋼鐵材料產(chǎn)品體系也是非常重要且有意義的一項(xiàng)任務(wù)。為了對(duì)極地鋼鐵材料在極地各種腐蝕環(huán)境中的腐蝕機(jī)理進(jìn)行研究,除開(kāi)展極地實(shí)地腐蝕實(shí)驗(yàn)研究外,實(shí)驗(yàn)室模擬研究也是非常有效的一個(gè)方向。在實(shí)驗(yàn)室模擬研究方向中,研制模擬極地各種腐蝕環(huán)境的裝置、研制模擬冰的制備是必要的基礎(chǔ),也可以基于數(shù)值模擬等技術(shù)進(jìn)行模擬仿真研究[63],同時(shí)需要對(duì)極地實(shí)地腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室模擬研究結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析。

極地鋼鐵材料的研發(fā)還需配套研究極地鋼鐵材料在極地環(huán)境中適用的防護(hù)技術(shù)。研發(fā)抗冰、耐磨、耐蝕、綠色的低溫涂層,揭示極地環(huán)境下涂層的防腐機(jī)理、調(diào)整涂層設(shè)計(jì)、研究涂層與金屬界面科學(xué)問(wèn)題、優(yōu)化涂裝技術(shù)都是重要的研發(fā)方向;在極地陰極保護(hù)技術(shù)研發(fā)中,需要研究陰極保護(hù)技術(shù)的適用性,基于陰極保護(hù)理論研究布局犧牲陽(yáng)極的位置和大小、設(shè)計(jì)合理的陰極保護(hù)電流大小、研制配套陰極保護(hù)裝備等內(nèi)容,同時(shí),還可基于數(shù)值模擬等技術(shù),利用有限元等方法研究及優(yōu)化陰極保護(hù)技術(shù)。

4 結(jié) 論

極地環(huán)境是具有溫度低、海水鹽度高、風(fēng)大、海浪高、暴風(fēng)雨雪、浮冰和極夜等特殊條件的極端環(huán)境,其與傳統(tǒng)海洋腐蝕環(huán)境有明顯的區(qū)別,因而對(duì)極地鋼鐵材料的腐蝕提出了更苛刻的要求。本文通過(guò)對(duì)極地特色的腐蝕環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)地分析并歸納整理,將極地腐蝕環(huán)境分為極地大氣區(qū)、極地冰水磨蝕區(qū)、極地海洋全浸區(qū)、極地海底泥土區(qū)等4個(gè)腐蝕區(qū)域,詳細(xì)分析了各種極地腐蝕環(huán)境中極地鋼鐵材料面臨的腐蝕問(wèn)題,并進(jìn)一步從合金化、涂層技術(shù)、陰極保護(hù)技術(shù)3個(gè)方面梳理了改善極地鋼鐵材料腐蝕問(wèn)題的防護(hù)方法。極地鋼鐵材料在極地各種腐蝕環(huán)境下的腐蝕機(jī)理尚亟待深入的研究,基于腐蝕機(jī)理的研究結(jié)果,研發(fā)具有綜合低溫力學(xué)性能及耐極地環(huán)境腐蝕的鋼鐵材料是科學(xué)開(kāi)發(fā)和利用極地資源的基礎(chǔ),開(kāi)發(fā)我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、特色的、國(guó)產(chǎn)化的極地鋼鐵材料產(chǎn)品體系是非常重要且有意義的一項(xiàng)任務(wù),極地鋼鐵材料的研發(fā)還需配套研究極地鋼鐵材料在極地環(huán)境中適用的防護(hù)技術(shù)。