海洋工程装备腐蚀监测技术研究现状 - 海洋工程测量特点分析

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作者:梁来雨,李生,何利勇,卢云飞,石鹏飞

1 武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064 

2 海军驻武汉地区第三军事代表室，湖北 武汉 430064

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0 引言

我国已经明确提出“建设海洋强国”的战略目标，以海洋资源开发为目的的海洋工程产业蓬勃兴起，相应的海洋工程装备研制日益发展壮大。相对于陆用装备，在海洋环境下服役的装备（包括船舶、海洋平台、管道等等）面临着严酷的海洋环境腐蚀，材料的腐蚀损伤是制约海洋工程装备服役安全性的关键因素[1]。腐蚀监测技术是指利用在线检测仪器及腐蚀分析方法，对装备的腐蚀状态、腐蚀速率及某些腐蚀相关参数进行实时测量，根据测量数据对装备的实时腐蚀状态及腐蚀安全性进行评估。为保障海洋工程装备的服役安全，除了充分的防腐蚀设计外，还需要在必要的部位（如不易检修的部位、关键压力边界部位等）应用腐蚀状态监测技术，实时掌握材料或结构部件的腐蚀状态，杜绝突发腐蚀泄漏故障，确保装备服役期间的腐蚀安全性[2-6]。随着海洋资源的开发，海洋工程装备的腐蚀问题将越来越凸显，腐蚀监测技术在海洋工程装备的腐蚀安全保障方面的应用也将越来越多。基于此，本文对海洋工程装备腐蚀监测技术的研究及应用现状进行了简要概述，对其未来的研究方向进行展望。 ! u/ I! Q; m. k) b

1 腐蚀监测技术体系

根据腐蚀监测技术特征，可以分为直接监测技术和间接监测技术，直接监测技术测量的是因腐蚀或冲蚀而出现直接变化的参数；而间接监测技术测量的是那些影响腐蚀或冲蚀，或受腐蚀或冲蚀影响而出现变化的参数。其中直接监测技术又分为侵入式技术和非侵入式技术两类，间接监测技术分为在线技术和离线技术两类。侵入式技术是指需要穿过管线或容器外壁，直接接触到内部介质进行测量的技术，一般来说，侵入式技术需要特定形式的探针或测试片；间接监测技术可以是在线或离线的，对于在线技术而言，不需要将设备从工艺过程中移除，而离线技术则需要从工艺过程中采集样品或试片进行分析。根据以上分类，对目前存在的腐蚀监测技术进行分类划分，形成技术体系，分别如图1、2所示[7-12]。

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图1 腐蚀直接监测技术体系

根据图1、图2所列的腐蚀监测技术体系，对适用于海洋环境下工程装备的腐蚀监测技术进行简要阐述。 0 B/ M- b+ a7 |" m0 \

图2 腐蚀间接监测技术体系

1.1 腐蚀失重挂片失重挂片是将小的金属挂片，暴露于特定的环境中一段时间，来确定金属在环境中的反应。测试结束后将挂片从环境中取出，表面的腐蚀产物采用物理或化学的方式清除。挂片可以直接安装在有代表性的海洋腐蚀环境中（如不同深度、不同海域等），也可以将挂片安装在装备内部流道或部件中。试片的设计一般根据测试的目的进行，如扁平试片用于均匀腐蚀或点蚀，焊接试片用于焊缝局部腐蚀，应力试片用于应力腐蚀开裂。通过计算金属损失，可以确定试片在特定时间段内的平均腐蚀速率。腐蚀挂片技术原则简单易懂，可以在很小的空间对多种金属进行对比，挂片本身成本较低。但是，该技术有以下局限性：(1）所获得的腐蚀速率数据是挂片时间内的平均腐蚀速率，局部腐蚀需通过光学显微镜等技术进行测量；(2）挂片时间过短可能导致结果不具有代表性，一般来说，由于腐蚀其阶段腐蚀速率较高，那么可能挂片数据高出现场材料正常腐蚀速率；(3）在挂片期间，无法判断腐蚀失效的时间或程度；(4）腐蚀速率只能在挂片取出后进行计算；(5）挂片的清理和分析过程耗费附加成本和时间；(6）挂片的清理对于结果的计算影响很大（尤其是实验室测试）。1.2 电阻技术电阻技术的基本原理就是被测金属的电阻值会因为其截面区域受腐蚀、冲蚀作用减小后而升高。在实际应用过程中，一般会使用一支温度补偿探头进行对比，弥补因温度造成的电阻变化。由于电阻值一般较小，因此测量时采用一些高灵敏电子元件。电阻技术可进行持续监测，对于了解控制腐蚀过程作用较大，几乎可用于任何环境，相应快，可在较严重问题出现之前采取想控制措施，不需从该系统中取出探头就可以进行测量。但是，该技术具有以下局限性：(1）监测结果一般代表均匀腐蚀的腐蚀速率，对于局部腐蚀敏感性较差；(2）在电化学腐蚀环境中，相对于电化学技术，电阻探针确定腐蚀速率所需要的时间相对较长（几小时到几天）；(3）在某些条件下，部分导电的腐蚀产物（如硫化铁）沉积在探头表面，可能导致腐蚀速率测量值降低；(4）当安装环境出现较大温度波动时，会引起测量腐蚀速率出现波动。1.3 腐蚀电位监测腐蚀电位的监测，主要是通过与极化数据结合，用来预测腐蚀行为；或是与电位pH图及氧化还原电位结合，来确定目前的相平衡状态。通过腐蚀电位监测，还可以确定目前不锈钢是处于活化还是钝化状态，同时对于电化学保护系统的工作状态也可起到良好的监测。腐蚀电位监测可以简单快速地监测金属是否处于钝化状态，也可以用来监测系统腐蚀随时间的变化及频率。但是，该技术具有以下局限性：(1）不能用于腐蚀速率的测量；(2）所采用的残壁电极有可能在工艺介质中发生反应；(3）残壁电极可能造成污染；(4）在高于100°C是需使用特殊的参比电极。1.4 超声测厚技术使用超声技术测量固体的厚度已有数十年的历史，起源就是利用测量一个特定频率的波穿过一个固体的时间来计算物体的厚度。过去，常用的超声测厚技术只能针对一个点的厚度进行测量，而现在，使用马达驱动机器人操作的面测厚系统，可以在0.1m2的面积上同时进行几千甚至上万个点的测厚。同时，随着计算机控制系统的发展，自动在线测厚技术也已成功应用。

2 海洋工程装备腐蚀监测技术应用现状

根据材料特征，海洋工程装备大致可分为金属结构和混凝土结构两类。钢结构的装备包括船舶、海底管道、钻井平台等；混凝土结构主要包括海洋岸防设施等，金属结构的腐蚀监测主要关注金属材料的腐蚀减薄、局部穿孔等信息，混凝土结构腐蚀监测主要关注混凝土内部钢筋的锈蚀。根据监测目的不同，两类海洋工程结构采取的腐蚀监测技术方法也有所差别[13]。2.1 金属结构腐蚀监测目前，金属结构在海洋中服役时，以电化学腐蚀和冲刷腐蚀为主，相应的腐蚀监测技术也与这两种腐蚀行为相匹配[14]。以船舶为例，相关资料显示，美国舰船的钢制压载水舱内部广泛应用了腐蚀电位监测装置，通过腐蚀电位的监测来判断压载舱内部涂层破损情况及阴极保护系统的工作情况。应用情况如图3所示，其中，参比电极采用Ag/AgCl电极，通过数据采集将不同部位的腐蚀电位分布情况进行系统分析，当局部涂层破损时，破损部位的腐蚀电位较完好部位的腐蚀电位会有所下降，可以通过腐蚀电位的变化定性判断涂层体系的使用情况。此外，腐蚀电位监测也可以对压载舱内部的牺牲阳极阴极保护系统的工作情况进行判别，当牺牲阳极达到消耗下限或局部布置不合理时，相应的保护电位会教标准电位有所差别，通过该差值判断阴极保护系统的工作情况。

图3 船舶压载水舱内部腐蚀电位监测系统

2.2 混凝土结构腐蚀监测海洋环境下混凝土中的钢筋腐蚀主要是电化学反应，钢筋表面在渗入的氯离子作用下发生腐蚀，因此，电化学方法是监测混凝土中钢筋腐蚀的有效方法。检测钢筋混凝土腐蚀的电化学方法主要有如下几种：半电池电位法、线性极化法、电化学阻抗谱、电阻率法、电化学噪声法等[15]。以港珠澳大桥主体混凝土结构耐久性监测为例[16]，采用了ECI-2耐久性监测传感器，设计的钢筋电极、辅助电极和参比电极体系，采用线性极化方法实时监测钢筋的腐蚀速率及腐蚀电位，另外，传感器中还集成了氯离子探针和混凝土电阻率探针，可以实时定量监测混凝土中的氯离子浓度和混凝土的电阻率，达到混凝土结构耐久性综合监测的目的。 9 f+ p9 P% E' l0 M" a

图4 港珠澳大桥混凝土结构采用的ECI-2耐久性监测传感器

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3 腐蚀监测技术研究展望

随着海洋资源的开发，材料在极端海洋环境中的腐蚀将成为制约装备走向深海、远海的关键因素。由于腐蚀监测技术在材料腐蚀安全性保障方面的独特优势，将在海洋工程装备设计中越来越受到重视，其作用也将越来越凸显。展望未来海洋工程装备腐蚀监测技术的研究，主要有以下几个方向：(1）极端海洋环境下原位腐蚀监测技术的开发。深海环境腐蚀条件苛刻，材料腐蚀安全性要求高，但常规的腐蚀监测技术在信号传输、信息提取等方面存在难点，开发适用于深海极端环境下的腐蚀监测技术，服务于深海资源开发，是未来腐蚀监测领域研究的亟需；(2）局部腐蚀损伤的监测技术。局部腐蚀危害性大，是目前导致海洋工程装备突发性腐蚀泄漏的主要原因，由于局部腐蚀（如点蚀）的发生具有随机性，可靠的腐蚀监测困难，开发能够实现局部腐蚀可靠监测的技术是工程应用亟需；(3）多方法协同的腐蚀监测技术。海洋环境腐蚀呈多因素协同作用的特点，存在力学-电化学、生物-电化学、氧化-电化学的协同腐蚀作用，单一的腐蚀监测技术难以全面反映出装备的腐蚀风险，因此，开发多方法协同的腐蚀监测技术，各技术之间相互弥补，达到可靠监测的目的；(4）基于腐蚀监测的智能寿命预测方法。开展腐蚀监测数据的智能学习和分析方法研究，从有限数据样本中提取装备未来腐蚀行为的信息提前预测评估装备腐蚀风险。

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来源:全面腐蚀控制

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