【綜述推薦】沿海設施環境適應性試驗和評價方法研究進展（中國人民解放軍92228部隊）

2024-11-19 14:30:11 112閱讀次數

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李亮, 殷文昌, 向永華, 等. 沿海設施環境適應性試驗和評價方法研究進展[J]. 裝備環境工程, 2023, 20(11): 107-114. LI Liang, YIN Wen-chang, XIANG Yong-hua, et al. Research Progress on Environmental Adaptability Test and Evaluation Methods of Coastal Facilities[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(11): 107-114.

沿海設施環境適應性試驗和評價方法研究進展.pdf

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李亮¹，殷文昌¹，向永華¹，劉聰²，許斌²

（1.中國人民解放軍92228部隊，北京 100072；2.西南技術工程研究所國防科技
工業自然環境試驗研究中心，重慶 400039）

摘要：概述了沿海設施所服役的腐蝕環境分類，主要分為海洋大氣、浪花飛濺區及海水浸泡區，并對其暴露于大氣和不同海洋環境位置的環境適應性試驗評估方法進行了系統的總結分析。海洋大氣環境模擬采用干濕交替加速腐蝕法，或建立戶外大氣暴露試驗臺開展試驗；海水飛濺區試驗通過實驗室建海水沖刷試驗裝置進行模擬試驗，或在實際環境中建立腐蝕試驗中心開展試驗；海水浸泡環境模擬通過海洋工程深水試驗池開展試驗。本研究對于開展海洋環境鋼結構設施的防護性能考核評估具有重要意義，對沿海設施的環境適應評估方法發展具有指導意義。

關鍵詞：沿海設施；腐蝕；服役環境；評價方法

21世紀是海洋的世紀，為推進實施國家海洋戰略，維護國家海洋權益，必須大力發展海洋工程裝備，建設可靠耐用的海洋裝備設施。雖然我國目前在海洋設施建造領域取得長足進步，但依然存在裝備設施結構材料腐蝕老化的嚴重問題，成為影響海洋裝備和海洋工程服役安全、壽命、可靠性的最重要因素，每年給國家造成近萬億元的經濟損失，已成為制約我們海洋工程發展的重要難題，引起國家的高度重視^[1]。

某海域是我國極為重要的海上戰略要地，不僅是亞洲與歐洲、非洲及美洲的航運要道，而且是保衛我國國土安全的重要軍力投送基地，對于國家安全具有重要意義。目前，我國已經在某些島礁開展了大規模建設活動，修建了機場、遙感器/通訊與雷達設備、大型燈塔、船舶起重機、行政中心及必要防御設施^[2-3^]。某海域屬于熱帶海洋性季風氣候（即高濕熱海洋大氣環境），其典型氣候特征為：終年高溫、雨量充沛、季風明顯，是我國典型的高溫、高濕、高鹽霧及強太陽輻照地區。其海域環境就像一個天然腐蝕加速試驗場，對在該類環境中部署的軍事裝備及鋼結構設施的服役壽命產生巨大的影響。嚴酷的服役環境條件對鋼結構及設施的防護性能要求很高，必須開展海洋鋼結構設施環境適應性試驗和評價方法設計研究^[4-9]。

1 設施服役環境特點

1.1 溫度高、濕度大

某海域雨量充沛，終年高溫高濕，長夏無冬，季節變化很小。年平均溫度在26 ℃左右，月平均最低溫度為為25 ℃（1月）。在該海域的大氣高溫高濕環境下，鋼結構設施表面易形成薄液膜，而鋼結構設施中存在的密閉不通風空間甚至會發生結露凝水現象，薄液膜或結露凝水會在設施表面形成腐蝕電解液。金屬材料表面的有機涂層逐漸吸濕，絕緣阻隔作用逐漸下降，最終引發金屬材料腐蝕；非金屬材料受潮吸濕后，極易滋生霉菌，造成非金屬材料結構損壞、性能的降低或喪失。高濕因素是影響各類電子設備穩定性和可靠性最重要的因素，容易引起電子元器件上金屬件的腐蝕，使電子設備發生短路、斷路現象，造成電子設備的損壞。高溫高濕因素會極大地影響海上設施及軍事裝備的可靠性。

1.2 鹽霧濃度高

該海域大氣中鹽霧濃度高，這是由于海風使海水飛濺，部分海水霧化，鹽分進入空氣，形成含氯化物的氣溶膠狀體^[4]。根據相關實測數據，海洋大氣中的含鹽量是內陸地區的50~100倍。在高濕、高鹽霧含量的大氣環境中，鋼結構表面會有一層很薄的液膜，伴隨干濕交替，在侵蝕性氯離子的作用下，表面防護涂層的性能會逐漸降低，出現破損，最終使腐蝕介質接觸基材表面，然后發生電化學腐蝕。高鹽霧環境下，會形成多腐蝕環境因素影響、多侵蝕介質共同作用的嚴酷服役環境，鹽沉積會誘發不銹鋼等鈍性金屬材料局部腐蝕的產生。另外，還會增加材料表面的潤濕時間，使電化學腐蝕的時間延長等^[4,7-8]。

1.3 霉菌易生長

研究表明，溫度為5~50 ℃和相對濕度在90%~ 100%的環境有助于霉菌孢子快速生長。在濕熱大氣環境條件下，鋼結構設施部分位置不通風，為有利于霉菌生長的溫濕度環境。霉菌在這樣的環境下生長迅速，分解有機材料^[4,6]。霉菌生長過程會吸取和分解有機材料中的某些成分，破壞材料的組成和結構，引發涂層疏松、開裂或起泡^[5]，進而影響其性能，同時會分泌酶和有機酸，引發金屬的腐蝕現象。此外，霉菌堆積增長會破壞鈍性金屬表面的鈍化膜。

1.4 典型設施服役環境舉例

我國某海域鋼結構設施分為3類：雷達站，反艦及防空導彈基地等軍用設施；深水碼頭，機場及塔臺等軍民兩用設施；用于維系島上人民生存的民用設施。考慮到我國必將長期建設和經營該海域，而且由于遠海鋼結構工程具有戰備和平時保障功能，設施設備的完好率和可靠性要求高，對腐蝕防護提出了更高要求。尤其是遠海鋼結構工程設施遠離大陸，建設、維修極為不便，防腐涂裝施工應簡便易行，防腐效能應更高^[8]，鋼結構設施環境服役性能評價亟待解決。該海域鋼結構典型設施主要材料及服役環境見表1。

2 海洋鋼結構設施試驗方法

2.1 大氣環境模擬試驗

比利時腐蝕中心采用回轉滾筒式的干/濕交替方法對耐候鋼進行了腐蝕加速試驗，試驗中根據不同的大氣環境配制了相應的腐蝕溶液。例如，直接采用噴灑蒸餾水溶液模擬無污染物的鄉村大氣，采用濃度為10^–4 mol/L的NaHSO₃溶液模擬含硫化物的工業大氣，采用稀釋100倍海水（即含0.02% Cl^–）溶液模擬高鹽霧含量的海洋大氣。在該干濕交替循環試驗方法中，設計濕循環1個周期13 min，干燥循環1個周期40 min，并將干循環周期的試驗環境溫度定為20 ℃或60 ℃。20世紀90年代，中國鐵道科學研究院為模擬金屬在自然環境中日曬雨淋的干濕交替情況，參照上述試驗方法起草了TB/T 2375—93《鐵路用耐候鋼周期浸潤腐蝕試驗方法》，設計的周期浸潤試驗箱如圖1所示。夏昕鳴等^[10]按照GB/T 10125—2012《人造氣氛腐蝕試驗鹽霧試驗》中的中性鹽霧試驗方法，結合某海域環境高溫、高濕度的特點，設計了室內模擬海洋大氣環境加速腐蝕試驗方法，設定溫度為35 ℃，相對濕度為100%，試驗溶液為5%的氯化鈉溶液，pH 值為7，選用Q235B、Q355、Q500qE等3種材料進行了耐蝕性研究。韓鵬飛等^[11]設計了模擬某海域海洋大氣環境的干濕循環試驗方法，研究了Q460建筑結構用耐候鋼的耐蝕性能。

2.2 海水飛濺環境模擬試驗

國內外針對海水飛濺區環境模擬試驗主要通過采用不同種類和結構的海水噴淋、沖刷等試驗裝置實現。梁義等^[12]自主研發的用于模擬海水飛濺區腐蝕環境的RM-1型海洋加速腐蝕試驗機，采用質量分數為3.5%的NaCl溶液在30 ℃下進行周期性噴淋的試驗方法。

張斌等^[13]基于HHS-1恒溫水浴系統設計了旋轉式沖刷腐蝕系統，使用旋轉沖刷的方式（如圖2所示）模擬海洋環境，使用模擬人工海水作為腐蝕介質，模擬探究了304不銹鋼在人工模擬海水中的耐沖蝕性能。趙衛民等^[14]通過沖刷腐蝕試驗模擬研究了浪花飛濺區鋼鐵結構的腐蝕行為和防護涂層的防護效果。李春玲等^[15]設計了由飛濺系統、恒溫加熱系統等組成的試驗裝置，通過磁力攪拌器帶動轉子形成海水飛濺，調節轉子速度和液面高度可以調節飛濺強度，研究了電弧噴涂鋁涂層在模擬海水飛濺區的腐蝕性能。

還有一種模擬海水飛濺區的腐蝕試驗方法為直接在真實海洋環境中建造腐蝕試驗場，如我國已經建立的三亞海水站等，能夠對大批量試驗試樣同時進行符合實際情況的模擬。在我國某海域真實海洋環境下建立大型腐蝕平臺，能夠在海洋腐蝕防護的過程中，獲得長期、真實而穩定的海洋腐蝕試驗環境和試驗數據，有利于推動該領域的研究進展。

2.3 海水浸泡環境模擬試驗

海水浸泡區腐蝕環境相對較為單一，服役于該環境的鋼結構設施只面臨海水的浸泡腐蝕，因此可以在電化學腐蝕理論基礎上使用理論模擬方法進行研究。但是我國領海遼闊，鋼結構設施的服役環境因氣候條件不同而種類較多，且理論計算方法存在缺陷，不能替代實際試驗研究。

船舶與海洋工程深水試驗水池可用于研究海洋結構物的尺度、功能、使用性能，評價安全可靠性能，成為研究相關基礎科學與開發驗證必不可少的重要設施，是海洋環境腐蝕研究過程中的重要試驗方法。自20世紀90年代以來，國外船舶與海洋工程技術研究相關機構開展了模擬海洋環境試驗深水池的研究，通過設計建造的深水池開展了一系列相關研究，并取得了眾多研究成果，對海洋環境領域的研究發展作出了重要貢獻^[16]。如1999年荷蘭設計的170 m×40 m×5 m（長×寬×水深）的耐波與操縱水池，配備搖板式分段造波機，可根據試驗需求生成短峰波。世界主要海洋工程試驗水池相關參數情況見表2。

美國作為傳統的海洋霸權國家，很早就設計制造了自己的海洋工程深水試驗水池。如美國海洋技術研究中心（OTRC）研發建造的模擬海洋環境的試驗深水池，長45 m，寬30 m，水深5.8 m。該試驗水池可通過造波機生成各種類型的波浪，風扇在任意方向產生陣風，并可通過相關造流裝置在任意方向造水流。依托此深水試驗水池，開展了海洋裝置、設施在風、浪、流環境條件下的模擬試驗。

我國上海交通大學海洋工程國家重點試驗室設計建造了一座可開展模擬深水海洋環境裝備試驗的深水試驗池，該水池長50 m，寬30 m，深6 m，能在0~5 m內任意調節水深，通過在深水池中生成風、浪、流等模擬復雜的各種海洋環境。大連理工大學國家重點試驗室海岸與近海工程試驗室開展了淺水海洋裝備的試驗研究。目前，通過研發建造模擬海洋環境的深水池在模擬復雜海洋環境條件方面依然存在一定的局限性，并不能替代裝備在真實海洋環境下的服役性能考核評價，需要繼續深入開展相關技術的攻關研發。

2.4 環境戶外暴露試驗

考核沿海設施環境適應性最直接且常用的試驗方法是直接開展戶外暴露試驗。目前，大氣暴露試驗標準常用的有GB/T 14165—2008、JISZ 2381—2001、ASTM G50-10(2015)，海水試驗常用標準有GJB 8893—2017、GB/T 5576—2005。

段體崗等^[17]開展了 304 不銹鋼在某島礁大氣、飛濺、潮差和全浸區海洋環境下的腐蝕行為研究，分析了其腐蝕行為規律和特征，為該島礁環境下不銹鋼材料的選用與壽命評估提供了數據支持與依據。彭文山等^[18]在某島礁進行了現場腐蝕試驗，研究分析了304、316L、2205不銹鋼在浪花飛濺區中的腐蝕行為與規律。宋積文等^[19]研究了2205雙相不銹鋼在某海域水下170 m環境中的腐蝕行為，研究了2205雙相不銹鋼在深海環境中的腐蝕規律與腐蝕機理。李慧心等^[20]利用自主設計的試驗裝置，研究了316L不銹鋼在某海域170 m水深環境中的腐蝕行為。

戶外暴露試驗是目前較為常用的考核與評價試驗方法，通過該方法能比較真實準確地獲得相應海洋環境下材料的腐蝕特征與數據，但存在試驗周期較長，難以單獨分析評估單因素的影響作用等不足^[21]。目前，已有研究機構開展了戶外暴露加速試驗技術與方法研究，該技術綜合試驗室快速試驗與戶外暴露試驗的優點，會成為某海域沿海設施環境適應性試驗與評價的重要手段。

3 鋼結構設施的腐蝕評價方法

在對鋼結構設施進行腐蝕防護領域研究過程中，首先應對材料的服役環境進行評估，以確定對材料服役產生主要影響的環境因素，再進行加速模擬試驗的設計。同時，還應根據環境復雜程度確定模擬試驗進行的場所是位于試驗室，還是在相關的真實環境中搭建模擬試驗平臺。在加速模擬試驗環境搭建完成后，隨即需要確定采用哪些試驗方法來對材料的腐蝕狀態進行評估，應針對不同材料采取有針對性的腐蝕評價方法，以得到較為有效的數據。

3.1 鋼筋結構的服役性評價

鋼筋作為鋼結構設施中的混凝土結構的重要原材料，其腐蝕已被確定為導致鋼結構設施發生腐蝕失效的重要因素。作為鋼結構設施的混凝土結構，整體構造尺寸較大，且在海洋環境中使用場景復雜，因此常采用試驗室加速模擬環境結合電化學腐蝕的方法對混凝土材料或金屬構件進行試驗研究。腐蝕狀況直接觀察法沒有清晰的衡量標準，且不易實測，而顯微方法則需要比較復雜的設備。因此，目前對于混凝土中鋼筋及鋼鐵材料主要采用電化學非破壞性技術手段，如開路電位測量、表面電位測量、混凝土電阻率測量等方法^[22]。

3.1.1 開路電位

金屬材料在服役環境中會發生鈍化或產生腐蝕現象，可通過測量開路電位變化分析表征其性能退化情況。測量開路電位時，不施加額外電壓，僅檢測自然腐蝕電位。在鋼筋混凝土結構中，混凝土起電解質的作用，鋼筋在混凝土環境發生電化學腐蝕，電位因腐蝕環境不同而變化。混凝土中鋼筋開路電位測量如圖3所示。

通過高阻抗電壓表測量混凝土結構中鋼鐵材料相對于標準參比電極（飽和甘汞電極、銅/硫酸銅電極、銀/氯化銀電極等）的腐蝕電位，在ASTM C 876和文獻[22]中進行了較為詳細的研究。開路電位測量作為一種非破壞性測量方法，可以從較大的結構區域收集大量數據，能夠快速找到腐蝕發生的大概區域，并且對腐蝕狀態進行大致評價，但難以對腐蝕效應進行定量分析，也難以找到開路電位與腐蝕速率的可靠關系。由于氧氣的擴散而產生的極化現象，混凝土孔隙率和混凝土中高電阻層的存在等影響，因此通過腐蝕電位評價鋼結構設施時，須采用其他方法進行數據補充。

3.1.2 表面電位

在腐蝕過程中，混凝土陰極和陽極之間會流過電流，該電流可以通過測量混凝土中的電位降來進行檢測。因此，表面電位測量可以作為一種無損檢測手段，來識別混凝土結構中的陽極和陰極區域，并間接檢測混凝土中鋼筋腐蝕的可能性。如圖4所示，2個參比電極用于表面電位測量。在該技術中，無需與鋼筋進行電氣連接。在該測量中，一個電極在對稱點結構上保持固定，另一個為移動電極，沿網格節點上的結構移動。當將可移動電極的電位置于節點時，使用高阻抗電壓表對固定電極進行測量。較正的電位讀數表示可能腐蝕的陽極區域。陽極和陰極區域之間的電位差越大，腐蝕的可能性就越大。

3.1.3 混凝土電阻率

混凝土的電阻率是確定引發腐蝕過程強度的重要參數。與具有低電阻率的混凝土相比，在具有高電阻率的混凝土材料中，腐蝕過程將變慢。在低電阻率的混凝土中，電流很容易在陽極和陰極區域之間通過。交流和直流測量可用于確定電阻率，使用表面探針和嵌入式探針，在2個嵌入式電極之間施加恒定的電場，并通過小電阻上的電壓降測量所得電流，即可完成直流測量。交流測量可以通過2種和4種引腳方法進行。最常見的表面安裝探頭稱為Wenner陣列^[22-24]。交流電在外部電極之間通過，并測量內部電極之間的電勢。混凝土電阻率通常通過使用Wenner四探針法測量，如圖5所示。已知的電流I施加在外部探針上，并且測量內部探針之間的電位降V，電阻R由V/I計算得出。混凝土的電阻率ρ=2ΠaR，其中a為內部電極距離，R為測量電阻。

通過對混凝土材料電阻率的測量，可以分析混凝土中氯離子擴散率等因素對腐蝕狀態的影響。如宋家茂等^[25]使用直流階躍法評估了混凝土電阻率與抗氯離子滲透性的相關性，研究結果表明，電阻率法與傳統電通量法、快速氯離子擴散系數等方法具有十分接近的評價效力。

3.1.4 嵌入式腐蝕監測傳感器（ECI）

嵌入式腐蝕儀監測傳感器是一種新提出的電子腐蝕傳感器，主要應用于對服役過程中導致混凝土結構開裂、剝落和其他劣化的情況進行預警。通過監測腐蝕中的5個關鍵因素，并通過數字網絡進行通信，ECI可提供有關結構狀況的全面、實時信息。嵌入式腐蝕儀監測傳感器是將傳統的多種混凝土腐蝕檢測評價方法集成到一個小型的傳感器中，再將這一傳感器在混凝土澆筑過程中放入混凝土，就可以在材料服役過程中便捷地獲得開路電位、電阻率、氯離子濃度和溫度等混凝土腐蝕評價過程中的關鍵數據。由Vriginia技術公司開發的ECI-2腐蝕監測傳感器已經在港珠澳大橋中的混凝土結構中得到廣泛使用^[22]，如圖6所示。

3.2 混凝土基體的服役性評價

混凝土基體是一種復雜的多孔材料，具有較強的滲透性，尤其是作為鋼結構設施使用的混凝土結構，對混凝土基體主要的腐蝕防護手段是添加防銹劑等對其進行改性^[26]。因此，對鋼結構設施的混凝土基材進行腐蝕評價時，最重要的就是對改性處理的混凝土進行服役性能的檢測評價，其方法有以下幾種^[26-28]。

1）抗蝕系數。在對添加防銹劑的混凝土基體進行抗腐蝕性能評價的過程通常會使用抗蝕系數，通常采用被檢測試樣在海水中浸泡侵蝕一定時間后測試其抗壓強度與標準試樣抗壓強度之間的比值來進行表示。

2）膨脹率以及膨脹系數。通過在水泥中添加防腐阻銹劑，并在其養護成型后測定試樣的膨脹變化率，將混凝土的膨脹率及膨脹系數作為性能評價指標，最終確定防腐阻銹劑對膨脹性能的實際影響程度。

3）硫酸鹽侵蝕系數比。按照混凝土性能試驗考核方法標準規定，制備標準混凝土。然后對標準混凝土與被檢驗混凝土試樣進行90次干濕循環試驗。干濕循環試驗結束后，將防腐阻銹劑滲入標準混凝土與檢驗混凝土試樣，分別測定其抗壓強度。硫酸鹽侵蝕系數為該抗壓強度與標準養護條件下緩凝土試樣的抗壓強度比值。標準混凝土試樣與被檢測混凝土試樣的硫酸鹽侵蝕系數的比值可以作為服役性能的評價指標。

4 結論

1）對沿海設施進行環境腐蝕評價需要對大氣環境區、海水飛濺區、海水浸泡區等不同的海洋環境做出模擬。其中，大氣環境模擬可以采用干濕交替法加速腐蝕或在大氣環境中建立戶外大氣暴露試驗臺的方法；海水飛濺區環境模擬可以在試驗室中建立海水沖刷試驗裝置或在真實環境中建立腐蝕試驗中心；海水浸泡環境模擬主要使用海洋工程深水試驗池進行。

2）針對沿海設施中的鋼筋混凝土結構的腐蝕評價，目前主要采用非破壞的腐蝕電化學技術，無需對其進行破壞。同時，為了提高評價準確可靠性，應結合多種腐蝕評價方法。部署由傳感器組成的腐蝕監測系統，對服役中的鋼結構設施進行腐蝕評價，已經在很多海洋設施中得到了廣泛應用。

3）對沿海設施用混凝土基體進行服役性能評價最重要的就是評價過改性混凝土的抗蝕系數、膨脹率和硫酸鹽侵蝕系數比等參數。

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編輯 | 鄧李旸

審核 | 廖菁

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