曹 健，黃慧媛，毛 燕，宋神友，韓子陽

(1.南昌工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院,江西 南昌 330099； 2.交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088；3.深中通道管理中心，廣東 廣州 510600)

0 引言

深中通道沉管隧道是國內(nèi)首個鋼殼式沉管隧道，耐久性要求100 a。由于沉管隧道一般置于以碎石包塊包裹為特征的特殊海水環(huán)境，其受蝕性能在后期不易檢查和維護，導(dǎo)致鋼殼力學(xué)性能與耐久性能無法滿足要求。針對深中通道鋼殼混凝土沉管的服役環(huán)境及超高的耐久性要求等諸多特征，國內(nèi)外可借鑒的工程實例和研究成果均很少[1-2]，實際工程采用有機涂層和陰極保護相結(jié)合的經(jīng)驗處理方式，以滿足鋼殼的腐蝕裕量，但流動海水對材料沖刷腐蝕機理尚缺乏深入探討。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對海水環(huán)境下鋼構(gòu)件腐蝕行為及機理開展了一定的研究，主要考慮海水流動特性[3]、涂層防護性能[4]、海水傳輸行為[5]、鋼材性能[6]、涂層與金屬界面電化學(xué)反應(yīng)[7]等因素的影響。Nesic等[8]研究表明，碳鋼在流動海水中腐蝕產(chǎn)物由于致密性變差，導(dǎo)致碳鋼的耐蝕性能減低。Li 等[9]通過拉曼光譜和紅外光譜技術(shù)分析了浸泡在靜止和流動海水中的Q235 碳鋼的腐蝕產(chǎn)物成分，發(fā)現(xiàn)2種流動條件下碳鋼的腐蝕產(chǎn)物均包括β-FeOOH，而 β-FeOOH 具有很強的還原性，極易在碳鋼的腐蝕過程中發(fā)生陰極還原反應(yīng)，生成黑色的 Fe3O4[10-11]。劉福國等[12]研究了 Q235 鋼在流動海水中外加電流陰極保護的影響，流速為 0～1.5 m/s，利用失重法、電化學(xué)方法和表面分析技術(shù)研究得出隨著流速的加大，材料的腐蝕速度逐漸變大，從 0 m/s 到 1.5 m/s 腐蝕速度增大10 倍以上，在-0.950 V 保護 20 d 之后，腐蝕速度明顯降低。夏江敏等[13]研究了鋼在流動人造海水中的沖刷腐蝕行為，并研制出一種新型環(huán)氧涂層用于提高材料表面耐沖刷腐蝕性能。彭文山等[14]采用旋轉(zhuǎn)沖刷腐蝕試驗裝置，利用電化學(xué)測試手段、表面顯微分析及失重測量等方法分析流速及含砂量對沖刷腐蝕行為的影響，結(jié)果表明Q235 鋼的腐蝕速率及腐蝕坑深對沖刷流速較為敏感，而對含砂量變化敏感性較小。Zheng等[15]針對低合金鋼在含砂海水中的沖刷腐蝕問題，分析了流速及泥沙對不同材料沖刷腐蝕機理，獲得了不同材料的沖刷腐蝕規(guī)律。Yang等[16]研發(fā)了一種金屬表面涂覆涂層材料，以增強其抗沖刷腐蝕性能。

目前，國內(nèi)外學(xué)者已針對不同海水環(huán)境下鋼構(gòu)件腐蝕特性開展了一定的研究，通?？紤]實際海水環(huán)境多因素耦合作用腐蝕的影響，且大多研究者在微觀層次關(guān)注鋼材腐蝕特性，其研究結(jié)論還難以在實際工程中推廣應(yīng)用。因此，合理構(gòu)建微觀與宏觀相結(jié)合的沉管外壁腐蝕規(guī)律計算模型十分必要。

隨著跨海通道等一批重大交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和運營，準確把握其在海洋環(huán)境中的長期服役性能具有重要意義。深中通道沉管隧道橫穿伶仃洋入?？?，所處海域環(huán)境含有多種腐蝕介質(zhì)，鋼殼外壁要經(jīng)受流動海水沖刷加速腐蝕作用，其腐蝕程度比靜止海水環(huán)境更嚴重。本研究以深中通道沉管隧道外壁Q390C鋼為對象，針對流動海水環(huán)境，開展涂層防護、陰極保護及流動海水環(huán)境等因素下的鋼殼腐蝕試驗，分析不同因素對腐蝕行為的影響，并提出相應(yīng)的計算公式，以揭示流動海水環(huán)境下沉管隧道鋼殼外壁沖刷腐蝕規(guī)律。

1 試驗概況

1.1 原材料

深中通道主體結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)面板分別采用 Q420C鋼和Q390C鋼，本研究主要探討鋼殼迎水面的腐蝕行為，因此選擇 Q390C 鋼為試驗對象。

將 Q390C 鋼試件加工成 250 mm×50 mm×10 mm 大小，然后用水磨機和水磨砂紙逐級打磨。將打磨好的試樣先用石油醚除油，在去離子水中清洗，然后在無水乙醇中進行超聲波震蕩，最后在無水乙醇中浸泡脫水5 min。將脫水后的試樣從無水乙醇中取出，立即用2層濾紙將其吸干，然后放在60 ℃的烘箱中干燥。最后將干燥好的試樣用干凈的濾紙包好，放入干燥器內(nèi)干燥，過24 h后將試樣逐個稱重。然后對試件進行表面涂層處理，涂層為2遍涂刷玻璃鱗片漆，總厚度為0.7 mm，涂層厚度用游標卡尺測量控制，精度準確到 0.05 mm。

1.2 流動海水環(huán)境模擬

選用質(zhì)量分數(shù)為 3.5%NaCl 溶液作為腐蝕環(huán)境，考慮到在實際海洋環(huán)境中海水會有流動性擾動，根據(jù)調(diào)研，本試驗設(shè)定流動海水的流速為1 m/s。為比較實驗室環(huán)境和真實海水環(huán)境下腐蝕的特征和區(qū)別，在試驗箱底部布置了4道長60 cm、寬8 cm、高3 cm的碎石墊塊，每道墊塊凈距5 cm，用于模擬鋼殼混凝土沉管底部狀態(tài)。

1.3 陰極保護方法

采用犧牲陽極的陰極保護方法，陽極塊為鋁鋅銦合金。

1.4 試驗方法

將所有樣品浸泡在室內(nèi)海水環(huán)境試驗箱中，試驗箱內(nèi)海水的體積與試樣的總面積的比值大于25，試樣的上端與液面距離超過5 cm，試樣之間的間距大于2 cm。流動溶液的試驗箱中安置了循環(huán)泵，控制流速為1 m/s。室內(nèi)的平均溫度為20 ℃，試驗所用的海泥環(huán)境每個月更換1次。

待試樣達到腐蝕齡期后，采用國家標準《金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除》(GB/T 16545—2015)[17]，將試樣從試驗箱中取出，用硬毛刷刷掉涂層和碳鋼表面疏松的腐蝕產(chǎn)物，再用刀片小心剝?nèi)?nèi)銹層，然后浸入酸洗液中清洗剩余的腐蝕產(chǎn)物，酸洗液的配比為鹽酸500 mL、六次甲基四胺20 g、純水1 L。在室溫下將銹蝕物清除干凈為止，同時用1塊空白片做校正。涂層和腐蝕物清除后，將試樣取出并用自來水沖洗干凈，然后利用無水乙醇超聲波脫水。放入60 ℃烘箱中烘干，最后放入干燥器中，24 h后稱重。每組為3個試樣，試驗結(jié)果取平均值。

1.5 試件數(shù)量

試驗中，考慮的試驗因素包括涂層情況、溶液流速大小、是否加陰極保護及取樣周期。根據(jù)正交試驗設(shè)計方法，本試驗中的試樣編號及數(shù)量如表1所示。

表1 試樣編號及數(shù)量

2 試驗結(jié)果

2.1 靜止海水環(huán)境下鋼殼混凝土沉管外壁腐蝕試驗結(jié)果

在試驗中觀察發(fā)現(xiàn)，放置在靜止海水環(huán)境下無涂層無陰極保護的鋼板，在腐蝕前1個月，試件表面仍處于完好狀態(tài)；腐蝕2個月后，鋼板表面出現(xiàn)明顯銹跡，銹斑呈鐵紅色，表明鋼板表面已有銹蝕產(chǎn)物出現(xiàn)；隨著腐蝕進程的發(fā)展，當腐蝕發(fā)生3個月時，鋼板表面出現(xiàn)較淺的銹坑，試件表面的鐵銹非常明顯；腐蝕4個月后，鋼板表面脫落出鱗片狀鐵銹，腐蝕速率加快，且腐蝕程度較為嚴重；腐蝕發(fā)生至5個月時，鋼板表面有大塊銹蝕物脫落，最大尺寸可達20 mm×50 mm，腐蝕程度嚴重，與4個月相比，鋼板質(zhì)量損失較為明顯。

放置在靜止海水環(huán)境下有涂層無陰極保護的鋼板，在腐蝕前1個月，試件表面仍處于完好狀態(tài)；腐蝕2個月后，鋼板表面仍未出現(xiàn)明顯銹跡，表明涂層對鋼板有較好的防腐保護；腐蝕3個月后，鋼板表面出現(xiàn)個別尺寸為5 mm×5 mm 的銹跡，其余部分鋼板涂層出現(xiàn)剝落；腐蝕4個月后，鋼板表面出現(xiàn)較淺銹坑，其余部分鋼板也有銹蝕產(chǎn)物出現(xiàn)；腐蝕至5個月時，鋼板角部區(qū)域銹蝕程度較嚴重，該區(qū)域鋼板表面出現(xiàn)明顯銹坑，且鋼板銹蝕產(chǎn)物出現(xiàn)堆積，與4個月相比，其銹蝕率略有增加。

放置在靜止海水環(huán)境下有涂層有陰極保護的鋼板，在腐蝕前1個月，與有涂層無陰極保護的試件類似，試件表面仍處于完好狀態(tài)；腐蝕2個月后，鋼板表面仍未出現(xiàn)明顯銹跡，僅在接線端出現(xiàn)NaCl結(jié)晶物，表明施加陰極保護對鋼板起到較好的防腐效果；腐蝕3個月后，鋼板表面出現(xiàn)個別銹斑，涂層仍較完好；腐蝕4個月后，鋼板表面出現(xiàn)較明顯銹跡，表明鋼板上有銹蝕產(chǎn)物出現(xiàn)；腐蝕至5個月時，鋼板表面涂層幾乎全部脫落，鋼板銹蝕程度加大，與4個月相比，由于陰極保護仍在起作用，以及銹蝕產(chǎn)物堆積效應(yīng)較明顯，鋼板銹蝕率雖有少量增加，但腐蝕速率在下降。

靜止海水環(huán)境下鋼板腐蝕試驗結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 靜止海水環(huán)境下鋼板腐蝕質(zhì)量損失情況

圖2 靜止海水環(huán)境下鋼板銹蝕率

從圖1和圖2可以看出，靜止海水環(huán)境下，無涂層無陰極保護鋼板銹蝕速度最快，浸泡7 d時，鋼板銹蝕率為0.301%；浸泡30 d時，鋼板銹蝕率為0.788%；浸泡60 d時，鋼板銹蝕率為1.538%；浸泡90d時，鋼板銹蝕率為2.154%；浸泡120 d時，鋼板銹蝕率為2.558%；浸泡150 d時，鋼板銹蝕率為2.753%，且腐蝕速率呈加快跡象。對于有涂層無陰極保護的鋼板，浸泡7 d時，鋼板銹蝕率為0.163%；浸泡30 d時，鋼板銹蝕率為0.530%；浸泡60 d時，鋼板銹蝕率為0.953%；浸泡90 d時，鋼板銹蝕率為1.573%；浸泡120 d時，鋼板銹蝕率為1.885%；浸泡150 d時，鋼板銹蝕率為2.051%，此類情況對鋼板的防腐效果好于無涂層無陰極保護情況，且隨著時間的增加，鋼板腐蝕速率在降低。對于有涂層有陰極保護的鋼板，浸泡7 d時，鋼板銹蝕率為0.249%；浸泡30 d時，鋼板銹蝕率為0.561%；浸泡60 d時，鋼板銹蝕率為1.047%；浸泡90 d時，鋼板銹蝕率為1.521%；浸泡120 d時，鋼板銹蝕率為2.058%；浸泡150 d時，鋼板銹蝕率為2.165%，此類情況對鋼板的防腐效果好于無涂層無陰極保護情況，但稍低于有涂層無陰極保護的情況，出現(xiàn)此現(xiàn)象的主要原因是隨著時間的增加，加上靜水環(huán)境中銹蝕產(chǎn)物隨時間增長出現(xiàn)的堆積效應(yīng)，鋼板腐蝕速率也將減小，150 d時，腐蝕速率低于有涂層無陰極保護的情況。

2.2 流動海水環(huán)境下鋼殼混凝土沉管外壁腐蝕試驗結(jié)果

在試驗中觀察發(fā)現(xiàn)，放置在流動海水環(huán)境下無涂層無陰極保護的鋼板，腐蝕前1個月后，試件表面已有明顯銹跡，鋼板已出現(xiàn)腐蝕；腐蝕2個月后，鋼板表面出現(xiàn)明顯鐵紅色的銹蝕產(chǎn)物；腐蝕3個月時，鋼板表面出現(xiàn)較大銹坑，銹蝕進程明顯加快；腐蝕4個月后，鋼板表面有大片的鱗片狀鐵銹，腐蝕程度較嚴重；腐蝕至5個月后，鋼板表面銹坑深度較大，腐蝕程度加劇，鋼板銹蝕率出現(xiàn)較明顯的增長。

放置在流動海水環(huán)境下有涂層無陰極保護的鋼板，腐蝕前1個月后，試件表面仍處于完好狀態(tài)；腐蝕2個月后，鋼板表面出現(xiàn)較明顯的銹跡，與同參數(shù)靜止海水環(huán)境相比，表明流動海水加快了腐蝕速度；腐蝕3個月后，鋼板表面沿試件周邊出現(xiàn)銹蝕產(chǎn)物，且角部銹蝕程度較為明顯，表明該部位涂層已失效；腐蝕4個月后，鋼板表面銹蝕產(chǎn)物產(chǎn)生累積，并有銹坑出現(xiàn)；腐蝕發(fā)生5個月后，鋼板表面涂層幾乎完全失效，角部區(qū)域銹蝕程度非常明顯，且該部位銹坑深度較大。

放置在流動海水環(huán)境下有涂層有陰極保護的鋼板，腐蝕前1個月后，與有涂層無陰極保護的試件類似，試件表面仍處于完好狀態(tài)；腐蝕2個月后，鋼板表面出現(xiàn)點狀銹跡，與靜止海水環(huán)境不同，流動海水環(huán)境下未在接線端發(fā)現(xiàn)NaCl結(jié)晶物；腐蝕3個月后，鋼板表面出現(xiàn)明顯銹斑，部分涂層脫落；腐蝕4個月后，鋼板表面出現(xiàn)較明顯銹跡，試件周邊區(qū)域涂層失效并出現(xiàn)銹蝕產(chǎn)物；腐蝕至5個月時，鋼板表面出現(xiàn)大片銹斑，銹蝕程度加大，雖然有陰極保護在起作用，但與靜水環(huán)境相比，流動海水環(huán)境下銹蝕產(chǎn)物無法堆積，因此鋼板銹蝕速率和質(zhì)量損失均明顯要高。

流動海水環(huán)境下鋼板腐蝕試驗結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 流動海水環(huán)境下鋼板腐蝕質(zhì)量損失情況

圖4 流動海水環(huán)境下鋼板銹蝕率

從圖3和圖4可以看出，流動海水環(huán)境下，無涂層無陰極保護鋼板銹蝕速度最快，浸泡7 d時，鋼板銹蝕率為0.947%；浸泡30 d時，鋼板銹蝕率為1.53%；浸泡60 d時，鋼板銹蝕率為2.826%；浸泡90 d時，鋼板銹蝕率為4.218%；浸泡120 d時，鋼板銹蝕率為5.032%；浸泡150 d時，鋼板銹蝕率為5.506%，且腐蝕速率呈加快跡象。對于有涂層無陰極保護的鋼板，浸泡7 d時，鋼板銹蝕率為0.5%；浸泡30 d時，鋼板銹蝕率為1.496%；浸泡60 d時，鋼板銹蝕率為2.249%；浸泡90 d時，鋼板銹蝕率為3.175%；浸泡120 d時，鋼板銹蝕率為3.763%；浸泡150 d時，鋼板銹蝕率為4.093%，此類情況對鋼板的防腐效果好于無涂層無陰極保護情況，且隨著時間的增加，鋼板腐蝕速率略有下降。對于有涂層有陰極保護的鋼板，浸泡7 d時，鋼板銹蝕率為0.574%；浸泡30 d時，鋼板銹蝕率為1.349%；浸泡60 d時，鋼板銹蝕率為2.182%；浸泡90 d時，鋼板銹蝕率為3.218%；浸泡120 d時，鋼板銹蝕率為3.616%；浸泡150 d時，鋼板銹蝕率為3.945%，此類情況對鋼板的防腐效果均好于無涂層無陰極保護和有涂層無陰極保護情況，且隨著時間的增加，鋼板腐蝕速率也將降低。

靜止和流動海水環(huán)境下鋼板腐蝕試驗結(jié)果對比如圖5所示。

圖5 靜止和流動海水環(huán)境下鋼板銹蝕率對比

由圖5可以看出，對于無涂層無陰極保護、有涂層無陰極保護和有涂層有陰極保護3類防腐情況，流動海水環(huán)境下鋼板銹蝕率均高于靜止海水環(huán)境。對于無涂層無陰極保護情況，當腐蝕時間分別是7 d、1，2，3，4，5個月時，流動海水環(huán)境下鋼板銹蝕率分別為靜止海水環(huán)境下的3.14倍、2.01倍、1.84倍、1.96倍、1.97倍和2.00倍，表明在腐蝕初期，流動海水腐蝕程度更高、腐蝕速率更快，但隨著腐蝕時間的增加，到2個月時，腐蝕程度減緩并趨于穩(wěn)定。對于有涂層無陰極保護情況，當腐蝕時間分別是7 d和1，2，3，4，5個月時，流動海水環(huán)境下鋼板銹蝕率分別為靜止海水環(huán)境下的3.06倍、2.82倍、2.36倍、2.02倍、2.00倍和2.00倍，表明在腐蝕初期，流動海水腐蝕程度更高、腐蝕速率更快，與無涂層無陰極保護情況腐蝕速率出現(xiàn)明顯下降不同，本工況下隨著腐蝕時間的增加，腐蝕程度逐漸減緩，并趨于穩(wěn)定。對于有涂層有陰極保護情況，當腐蝕時間分別是7 d和1，2，3，4，5個月時，流動海水環(huán)境下鋼板銹蝕率分別為靜止海水環(huán)境下的2.31倍、2.40倍、2.08倍、2.12倍、1.77倍和1.82倍，表明有涂層有陰極保護在流動海水中的防腐措施具有較明顯的效果，腐蝕初期的速率遠小于無涂層無陰極保護及有涂層無陰極保護的情況，且隨著腐蝕時間的增長，腐蝕速率下降。

對比靜止和流動海水2類環(huán)境，鋼殼混凝土沉管外壁在流動海水中的腐蝕情況要比靜水中更加嚴重。隨著腐蝕進程的發(fā)展，2類環(huán)境下鋼板腐蝕模式也將出現(xiàn)較明顯區(qū)別，即靜止海水環(huán)境下以鋼板銹蝕產(chǎn)物的堆積現(xiàn)象為主，鋼板腐蝕率呈先增大而后趨于緩慢增長的規(guī)律；海水流動對沉管表面造成一定沖刷作用，導(dǎo)致沉管表面腐蝕產(chǎn)物被不斷地從其表面剝離，并在沉管表面基體上產(chǎn)生類似的劃痕，進一步加劇腐蝕鋼板銹蝕速率。

3 流動海水環(huán)境下鋼板腐蝕率計算公式

3.1 流動海水環(huán)境下鋼板腐蝕機理分析

復(fù)雜海水環(huán)境中，沉管鋼殼外壁將經(jīng)受流動海水的沖刷作用，在流動海水不斷沖刷及鋼板腐蝕進程耦合作用下，所造成的鋼板腐蝕效應(yīng)較單一沖刷或單一腐蝕作用更為嚴重[18]。在微觀上，沖刷與腐蝕相互協(xié)同作用，沖刷對腐蝕的影響主要表現(xiàn)在：一是沖刷使鋼板表面粗糙化，沖刷物顆粒撞擊鋼板材料表面使得鋼板表面材料發(fā)生變形，增加了鋼板表面的活性，粗糙鋼板表面與腐蝕介質(zhì)接觸面積更大，促進了腐蝕；二是沖刷物顆粒撞擊使鋼板表面局部酸化，從而抑制了腐蝕產(chǎn)物膜的形成，加速腐蝕進程；三是沖刷物顆粒沖擊會帶走鋼板表面生成的腐蝕產(chǎn)物并破壞鈍化膜及涂層，使得不斷有新鮮的鋼板表面暴露在腐蝕環(huán)境中，從而加快鋼板的腐蝕。腐蝕主要通過2個方面影響沖刷進程：一是腐蝕會破壞鋼板表面結(jié)構(gòu)，溶解鋼板表面硬化層，使內(nèi)側(cè)松軟的基質(zhì)暴露在沖刷下，加快沖刷速率；二是鋼板被腐蝕后，表面會變得疏松、多孔，粗糙度增加，而粗糙表面對固體顆粒沖擊更為敏感，使得沖刷速率更為加快[19]。

基于上述分析，結(jié)合試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同防腐工況條件下，流動海水中的鋼板腐蝕程度要高于靜止海水環(huán)境，這是因為考慮到流動海水中的沖刷腐蝕耦合效應(yīng)影響，即流動海水中沖刷物顆粒沖擊鋼板表面，導(dǎo)致其涂層受損甚至基體去鈍化速度加快，且腐蝕鋼板表面粗糙度增加進一步加劇了沖刷作用影響。

3.2 流動海水環(huán)境下鋼板腐蝕率計算公式

文獻[20]認為，鋼板腐蝕速率是由鐵離子在金屬表面和溶液間的傳質(zhì)過程控制。假設(shè)陽極反應(yīng)的速率很高，形成腐蝕產(chǎn)物在溶液中的溶解度很低，則腐蝕速率受金屬表面和溶液中的鐵離子濃度梯度決定：

Cr=k(Cw-Cb)，

(1)

式中，Cr為鋼板腐蝕速率；k為鐵離子在界面的傳質(zhì)系數(shù)或反應(yīng)速率，取決于流動條件；Cw和Cb分別為金屬與腐蝕產(chǎn)物界面和整體溶液中鐵離子的濃度。由于流動增加了濃度梯度，所以鋼板在流速為1 m/s 時比流速0 m/s 時具有更高的腐蝕電流密度和更高的腐蝕速率，另一方面，流動也會增加鐵陽極反應(yīng)的反應(yīng)速率。

文獻[21]采用下式對鋼板腐蝕速率進行計算：

kw=24×ΔW×S×t/10 000，

(2)

式中，Kw為腐蝕速率；ΔW為試樣的失重；t為腐蝕時間；S為試樣表面積。

結(jié)合式(1)和式(2)，本研究提出鋼板銹蝕率φ的計算公式為：

φ=ΔW(t)/W×100%=α(t)·m·n·k·S，

(3)

式中，ΔW(t)為鋼板的銹蝕質(zhì)量；W為鋼板初始質(zhì)量；α(t) 為銹蝕率隨時間影響系數(shù)；m為涂層厚度影響系數(shù)，當無涂層時，m=1.0；n表示為陰極保護對鋼板腐蝕影響系數(shù)，當無陰極保護時，n=1.0；k為溶液流速的影響系數(shù)，當為靜止環(huán)境時，k=1.0；S為鋼板與腐蝕溶液的接觸面積。

根據(jù)試驗結(jié)果，以靜止海水環(huán)境下鋼板銹蝕率為基準，計算得到α(t)：

α(t)=1.381+2.452t-0.652×10-3t2。

(4)

不同防腐措施下的m，n，k的值如圖6所示。

圖6 不同防腐措施鋼板銹蝕率試驗值與計算值對比

由圖6(a)可知，對于靜止海水環(huán)境下，采用不同防腐措施的鋼板銹蝕率計算值與試驗值吻合較好。對于無涂層無陰極保護的鋼板，m，n，k的值均為1.0；對于有涂層無陰極保護的鋼板，m=0.723，n和k的值均為1.0，表明涂層能有效延緩鋼板的銹蝕進程；對于有涂層有陰極保護的鋼板，m=0.723，n=1.053，k=1.0，在腐蝕的前4個月，有涂層有陰極保護的鋼板的腐蝕程度與有涂層無陰極保護的鋼板幾乎一致，表明在靜止海水環(huán)境下，陰極保護在腐蝕時間較短的情況下，不能有效地發(fā)揮其效果。

由圖6(b)可知，對于流動海水環(huán)境下，采用不同防腐措施的鋼板銹蝕率計算值與試驗值吻合較好。對于無涂層無陰極保護的鋼板，m和n的值均為1.0，k=1.968，表明海水流動對鋼板銹蝕程度有較明顯的影響，這與試驗結(jié)果一致。對于有涂層無陰極保護的鋼板，m=0.757，n=1.0，k=1.968，表明涂層防腐在流動海水中是有效的措施。對于有涂層有陰極保護的鋼板，m=0.757，n=0.973，k=1.968，表明在流動海水中，隨著腐蝕程度的加劇，陰極保護在腐蝕早期即可發(fā)揮作用，能有效延緩鋼板的腐蝕進程，這與靜止海水環(huán)境有明顯區(qū)別。

3.3 公式驗證

采用文獻試驗數(shù)據(jù)[22-23]及ASTM規(guī)范公式結(jié)果[24]，與本研究提出計算公式結(jié)果對比，如圖7所示。

圖7 本研究公式及ASTM規(guī)范公式計算值與試驗數(shù)據(jù)對比

由圖7可以看出，當鋼板銹蝕率在0～8%范圍內(nèi)時，通過本研究公式計算得到的鋼板銹蝕率與試驗數(shù)據(jù)吻合較好，而ASTM規(guī)范公式計算值要低于試驗結(jié)果，尤其當鋼板銹蝕率在4%～8%之間時，ASTM規(guī)范公式計算值與試驗數(shù)據(jù)誤差將大于50%，預(yù)測效果不佳，主要原因在于ASTM規(guī)范公式中未考慮涂層、陰極保護及流水環(huán)境等因素的影響，導(dǎo)致其計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)存在較大偏差。

4 結(jié)論

本研究以深中通道沉管隧道外殼Q390C鋼板為對象，考慮流動海水腐蝕環(huán)境的影響，開展了不同涂層防護、不同陰極保護方式下的鋼殼腐蝕試驗和理論研究，得到以下幾點結(jié)論：

(1)靜止海水環(huán)境下，無涂層無陰極保護鋼板銹蝕速度最快，鋼板銹蝕率隨浸泡時間增長而增大，且腐蝕速率呈加快跡象。對于有涂層無陰極保護的情況，其對鋼板的防腐效果要好于無涂層無陰極保護情況，且隨著時間的增加，鋼板腐蝕速率在降低。對于有涂層有陰極保護的情況，對鋼板的防腐效果好于無涂層無陰極保護情況，但稍低于有涂層無陰極保護的情況，且隨著時間的增加，加上靜水環(huán)境中銹蝕產(chǎn)物隨時間增長出現(xiàn)的堆積效應(yīng)，鋼板腐蝕速率也將減小。

(2)流動海水環(huán)境下，無涂層無陰極保護鋼板銹蝕速度最快，鋼板銹蝕率隨浸泡時間增長而增大，浸泡150 d時，鋼板銹蝕率為5.506%，且腐蝕速率呈加快跡象。對于有涂層無陰極保護的情況，對鋼板的防腐效果好于無涂層無陰極保護情況，且隨著時間的增加，鋼板腐蝕速率略有下降。對于有涂層有陰極保護的情況，對鋼板的防腐效果均好于無涂層無陰極保護和有涂層無陰極保護情況，且隨著時間的增加，鋼板腐蝕速率也將降低。

(3)對于無涂層無陰極保護、有涂層無陰極保護和有涂層有陰極保護3類防腐情況，流動海水環(huán)境下鋼板銹蝕率均高于靜止海水環(huán)境。當腐蝕時間從7 d到5個月時，對于無涂層無陰極保護情況，流動海水環(huán)境下鋼板銹蝕率為靜止海水環(huán)境下的3.14倍到2.00倍。對于有涂層無陰極保護情況，流動海水環(huán)境下鋼板銹蝕率為靜止海水環(huán)境下的3.06倍到2.00倍。對于有涂層有陰極保護情況，流動海水環(huán)境下鋼板銹蝕率為靜止海水環(huán)境下的2.31倍到1.82倍。

(4)以靜止海水環(huán)境下鋼板銹蝕率為基準，本研究建立的不同因素組合下鋼板銹蝕率計算公式反映了涂層防護、陰極保護及流動海水等因素的影響規(guī)律，且通過與ASTM規(guī)范公式結(jié)果及文獻試驗數(shù)據(jù)對比表明，本研究所建鋼板銹蝕率計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合較好，可用于鋼板長期腐蝕行為的預(yù)測。