曹 健，黃慧媛，毛 燕，宋神友，韓子陽(yáng)

(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(yùn)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(guó)內(nèi)首個(gè)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(hù)，導(dǎo)致鋼殼力學(xué)性能與耐久性能無(wú)法滿(mǎn)足要求。針對(duì)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(guó)內(nèi)外可借鑒的工程實(shí)例和研究成果均很少[1-2]，實(shí)際工程采用有機(jī)涂層和陰極保護(hù)相結(jié)合的經(jīng)驗(yàn)處理方式，以滿(mǎn)足鋼殼的腐蝕裕量，但流動(dòng)海水對(duì)材料沖刷腐蝕機(jī)理尚缺乏深入探討。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)海水環(huán)境下鋼構(gòu)件腐蝕行為及機(jī)理開(kāi)展了一定的研究，主要考慮海水流動(dòng)特性[3]、涂層防護(hù)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(dòng)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(guò)拉曼光譜和紅外光譜技術(shù)分析了浸泡在靜止和流動(dòng)海水中的Q235 碳鋼的腐蝕產(chǎn)物成分，發(fā)現(xiàn)2種流動(dòng)條件下碳鋼的腐蝕產(chǎn)物均包括β-FeOOH，而 β-FeOOH 具有很強(qiáng)的還原性，極易在碳鋼的腐蝕過(guò)程中發(fā)生陰極還原反應(yīng)，生成黑色的 Fe3O4[10-11]。劉福國(guó)等[12]研究了 Q235 鋼在流動(dòng)海水中外加電流陰極保護(hù)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(hù) 20 d 之后，腐蝕速度明顯降低。夏江敏等[13]研究了鋼在流動(dòng)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(yàn)裝置，利用電化學(xué)測(cè)試手段、表面顯微分析及失重測(cè)量等方法分析流速及含砂量對(duì)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(duì)沖刷流速較為敏感，而對(duì)含砂量變化敏感性較小。Zheng等[15]針對(duì)低合金鋼在含砂海水中的沖刷腐蝕問(wèn)題，分析了流速及泥沙對(duì)不同材料沖刷腐蝕機(jī)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(qiáng)其抗沖刷腐蝕性能。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已針對(duì)不同海水環(huán)境下鋼構(gòu)件腐蝕特性開(kāi)展了一定的研究，通?？紤]實(shí)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(guān)層次關(guān)注鋼材腐蝕特性，其研究結(jié)論還難以在實(shí)際工程中推廣應(yīng)用。因此，合理構(gòu)建微觀(guān)與宏觀(guān)相結(jié)合的沉管外壁腐蝕規(guī)律計(jì)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(yùn)營(yíng)，準(zhǔn)確把握其在海洋環(huán)境中的長(zhǎng)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(dòng)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(yán)重。本研究以深中通道沉管隧道外壁Q390C鋼為對(duì)象，針對(duì)流動(dòng)海水環(huán)境，開(kāi)展涂層防護(hù)、陰極保護(hù)及流動(dòng)海水環(huán)境等因素下的鋼殼腐蝕試驗(yàn)，分析不同因素對(duì)腐蝕行為的影響，并提出相應(yīng)的計(jì)算公式，以揭示流動(dòng)海水環(huán)境下沉管隧道鋼殼外壁沖刷腐蝕規(guī)律。

1 試驗(yàn)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(yàn)對(duì)象。

將 Q390C 鋼試件加工成 250 mm×50 mm×10 mm 大小，然后用水磨機(jī)和水磨砂紙逐級(jí)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(wú)水乙醇中進(jìn)行超聲波震蕩，最后在無(wú)水乙醇中浸泡脫水5 min。將脫水后的試樣從無(wú)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(guò)24 h后將試樣逐個(gè)稱(chēng)重。然后對(duì)試件進(jìn)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(biāo)卡尺測(cè)量控制，精度準(zhǔn)確到 0.05 mm。

1.2 流動(dòng)海水環(huán)境模擬

選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3.5%NaCl 溶液作為腐蝕環(huán)境，考慮到在實(shí)際海洋環(huán)境中海水會(huì)有流動(dòng)性擾動(dòng)，根據(jù)調(diào)研，本試驗(yàn)設(shè)定流動(dòng)海水的流速為1 m/s。為比較實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和真實(shí)海水環(huán)境下腐蝕的特征和區(qū)別，在試驗(yàn)箱底部布置了4道長(zhǎng)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(hù)方法

采用犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)方法，陽(yáng)極塊為鋁鋅銦合金。

1.4 試驗(yàn)方法

將所有樣品浸泡在室內(nèi)海水環(huán)境試驗(yàn)箱中，試驗(yàn)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(guò)5 cm，試樣之間的間距大于2 cm。流動(dòng)溶液的試驗(yàn)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(yàn)所用的海泥環(huán)境每個(gè)月更換1次。

待試樣達(dá)到腐蝕齡期后，采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《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(yàn)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(shí)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(lái)水沖洗干凈，然后利用無(wú)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(chēng)重。每組為3個(gè)試樣，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

1.5 試件數(shù)量

試驗(yàn)中，考慮的試驗(yàn)因素包括涂層情況、溶液流速大小、是否加陰極保護(hù)及取樣周期。根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，本試驗(yàn)中的試樣編號(hào)及數(shù)量如表1所示。

表1 試樣編號(hào)及數(shù)量

2 試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果

在試驗(yàn)中觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，放置在靜止海水環(huán)境下無(wú)涂層無(wú)陰極保護(hù)的鋼板，在腐蝕前1個(gè)月，試件表面仍處于完好狀態(tài)；腐蝕2個(gè)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(jìn)程的發(fā)展，當(dāng)腐蝕發(fā)生3個(gè)月時(shí)，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(gè)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(yán)重；腐蝕發(fā)生至5個(gè)月時(shí)，鋼板表面有大塊銹蝕物脫落，最大尺寸可達(dá)20 mm×50 mm，腐蝕程度嚴(yán)重，與4個(gè)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(wú)陰極保護(hù)的鋼板，在腐蝕前1個(gè)月，試件表面仍處于完好狀態(tài)；腐蝕2個(gè)月后，鋼板表面仍未出現(xiàn)明顯銹跡，表明涂層對(duì)鋼板有較好的防腐保護(hù)；腐蝕3個(gè)月后，鋼板表面出現(xiàn)個(gè)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(gè)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(gè)月時(shí)，鋼板角部區(qū)域銹蝕程度較嚴(yán)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(gè)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(hù)的鋼板，在腐蝕前1個(gè)月，與有涂層無(wú)陰極保護(hù)的試件類(lèi)似，試件表面仍處于完好狀態(tài)；腐蝕2個(gè)月后，鋼板表面仍未出現(xiàn)明顯銹跡，僅在接線(xiàn)端出現(xiàn)NaCl結(jié)晶物，表明施加陰極保護(hù)對(duì)鋼板起到較好的防腐效果；腐蝕3個(gè)月后，鋼板表面出現(xiàn)個(gè)別銹斑，涂層仍較完好；腐蝕4個(gè)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(gè)月時(shí)，鋼板表面涂層幾乎全部脫落，鋼板銹蝕程度加大，與4個(gè)月相比，由于陰極保護(hù)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(yàn)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(wú)涂層無(wú)陰極保護(hù)鋼板銹蝕速度最快，浸泡7 d時(shí)，鋼板銹蝕率為0.301%；浸泡30 d時(shí)，鋼板銹蝕率為0.788%；浸泡60 d時(shí)，鋼板銹蝕率為1.538%；浸泡90d時(shí)，鋼板銹蝕率為2.154%；浸泡120 d時(shí)，鋼板銹蝕率為2.558%；浸泡150 d時(shí)，鋼板銹蝕率為2.753%，且腐蝕速率呈加快跡象。對(duì)于有涂層無(wú)陰極保護(hù)的鋼板，浸泡7 d時(shí)，鋼板銹蝕率為0.163%；浸泡30 d時(shí)，鋼板銹蝕率為0.530%；浸泡60 d時(shí)，鋼板銹蝕率為0.953%；浸泡90 d時(shí)，鋼板銹蝕率為1.573%；浸泡120 d時(shí)，鋼板銹蝕率為1.885%；浸泡150 d時(shí)，鋼板銹蝕率為2.051%，此類(lèi)情況對(duì)鋼板的防腐效果好于無(wú)涂層無(wú)陰極保護(hù)情況，且隨著時(shí)間的增加，鋼板腐蝕速率在降低。對(duì)于有涂層有陰極保護(hù)的鋼板，浸泡7 d時(shí)，鋼板銹蝕率為0.249%；浸泡30 d時(shí)，鋼板銹蝕率為0.561%；浸泡60 d時(shí)，鋼板銹蝕率為1.047%；浸泡90 d時(shí)，鋼板銹蝕率為1.521%；浸泡120 d時(shí)，鋼板銹蝕率為2.058%；浸泡150 d時(shí)，鋼板銹蝕率為2.165%，此類(lèi)情況對(duì)鋼板的防腐效果好于無(wú)涂層無(wú)陰極保護(hù)情況，但稍低于有涂層無(wú)陰極保護(hù)的情況，出現(xiàn)此現(xiàn)象的主要原因是隨著時(shí)間的增加，加上靜水環(huán)境中銹蝕產(chǎn)物隨時(shí)間增長(zhǎng)出現(xiàn)的堆積效應(yīng)，鋼板腐蝕速率也將減小，150 d時(shí)，腐蝕速率低于有涂層無(wú)陰極保護(hù)的情況。

2.2 流動(dòng)海水環(huán)境下鋼殼混凝土沉管外壁腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

在試驗(yàn)中觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，放置在流動(dòng)海水環(huán)境下無(wú)涂層無(wú)陰極保護(hù)的鋼板，腐蝕前1個(gè)月后，試件表面已有明顯銹跡，鋼板已出現(xiàn)腐蝕；腐蝕2個(gè)月后，鋼板表面出現(xiàn)明顯鐵紅色的銹蝕產(chǎn)物；腐蝕3個(gè)月時(shí)，鋼板表面出現(xiàn)較大銹坑，銹蝕進(jìn)程明顯加快；腐蝕4個(gè)月后，鋼板表面有大片的鱗片狀鐵銹，腐蝕程度較嚴(yán)重；腐蝕至5個(gè)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(zhǎng)。

放置在流動(dòng)海水環(huán)境下有涂層無(wú)陰極保護(hù)的鋼板，腐蝕前1個(gè)月后，試件表面仍處于完好狀態(tài)；腐蝕2個(gè)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(dòng)海水加快了腐蝕速度；腐蝕3個(gè)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(gè)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(gè)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(dòng)海水環(huán)境下有涂層有陰極保護(hù)的鋼板，腐蝕前1個(gè)月后，與有涂層無(wú)陰極保護(hù)的試件類(lèi)似，試件表面仍處于完好狀態(tài)；腐蝕2個(gè)月后，鋼板表面出現(xiàn)點(diǎn)狀銹跡，與靜止海水環(huán)境不同，流動(dòng)海水環(huán)境下未在接線(xiàn)端發(fā)現(xiàn)NaCl結(jié)晶物；腐蝕3個(gè)月后，鋼板表面出現(xiàn)明顯銹斑，部分涂層脫落；腐蝕4個(gè)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(gè)月時(shí)，鋼板表面出現(xiàn)大片銹斑，銹蝕程度加大，雖然有陰極保護(hù)在起作用，但與靜水環(huán)境相比，流動(dòng)海水環(huán)境下銹蝕產(chǎn)物無(wú)法堆積，因此鋼板銹蝕速率和質(zhì)量損失均明顯要高。

流動(dòng)海水環(huán)境下鋼板腐蝕試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 流動(dòng)海水環(huán)境下鋼板腐蝕質(zhì)量損失情況

圖4 流動(dòng)海水環(huán)境下鋼板銹蝕率

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

靜止和流動(dòng)海水環(huán)境下鋼板腐蝕試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖5所示。

圖5 靜止和流動(dòng)海水環(huán)境下鋼板銹蝕率對(duì)比

由圖5可以看出，對(duì)于無(wú)涂層無(wú)陰極保護(hù)、有涂層無(wú)陰極保護(hù)和有涂層有陰極保護(hù)3類(lèi)防腐情況，流動(dòng)海水環(huán)境下鋼板銹蝕率均高于靜止海水環(huán)境。對(duì)于無(wú)涂層無(wú)陰極保護(hù)情況，當(dāng)腐蝕時(shí)間分別是7 d、1，2，3，4，5個(gè)月時(shí)，流動(dòng)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(dòng)海水腐蝕程度更高、腐蝕速率更快，但隨著腐蝕時(shí)間的增加，到2個(gè)月時(shí)，腐蝕程度減緩并趨于穩(wěn)定。對(duì)于有涂層無(wú)陰極保護(hù)情況，當(dāng)腐蝕時(shí)間分別是7 d和1，2，3，4，5個(gè)月時(shí)，流動(dòng)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(dòng)海水腐蝕程度更高、腐蝕速率更快，與無(wú)涂層無(wú)陰極保護(hù)情況腐蝕速率出現(xiàn)明顯下降不同，本工況下隨著腐蝕時(shí)間的增加，腐蝕程度逐漸減緩，并趨于穩(wěn)定。對(duì)于有涂層有陰極保護(hù)情況，當(dāng)腐蝕時(shí)間分別是7 d和1，2，3，4，5個(gè)月時(shí)，流動(dòng)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(hù)在流動(dòng)海水中的防腐措施具有較明顯的效果，腐蝕初期的速率遠(yuǎn)小于無(wú)涂層無(wú)陰極保護(hù)及有涂層無(wú)陰極保護(hù)的情況，且隨著腐蝕時(shí)間的增長(zhǎng)，腐蝕速率下降。

對(duì)比靜止和流動(dòng)海水2類(lèi)環(huán)境，鋼殼混凝土沉管外壁在流動(dòng)海水中的腐蝕情況要比靜水中更加嚴(yán)重。隨著腐蝕進(jìn)程的發(fā)展，2類(lèi)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(zhǎng)的規(guī)律；海水流動(dòng)對(duì)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(lèi)似的劃痕，進(jìn)一步加劇腐蝕鋼板銹蝕速率。

3 流動(dòng)海水環(huán)境下鋼板腐蝕率計(jì)算公式

3.1 流動(dòng)海水環(huán)境下鋼板腐蝕機(jī)理分析

復(fù)雜海水環(huán)境中，沉管鋼殼外壁將經(jīng)受流動(dòng)海水的沖刷作用，在流動(dòng)海水不斷沖刷及鋼板腐蝕進(jìn)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(yán)重[18]。在微觀(guān)上，沖刷與腐蝕相互協(xié)同作用，沖刷對(duì)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(jìn)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(jìn)程；三是沖刷物顆粒沖擊會(huì)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(guò)2個(gè)方面影響沖刷進(jìn)程：一是腐蝕會(huì)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(huì)變得疏松、多孔，粗糙度增加，而粗糙表面對(duì)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(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同防腐工況條件下，流動(dòng)海水中的鋼板腐蝕程度要高于靜止海水環(huán)境，這是因?yàn)榭紤]到流動(dòng)海水中的沖刷腐蝕耦合效應(yīng)影響，即流動(dòng)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(jìn)一步加劇了沖刷作用影響。

3.2 流動(dòng)海水環(huán)境下鋼板腐蝕率計(jì)算公式

文獻(xiàn)[20]認(rèn)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(guò)程控制。假設(shè)陽(yáng)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(dòng)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(dòng)增加了濃度梯度，所以鋼板在流速為1 m/s 時(shí)比流速0 m/s 時(shí)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(dòng)也會(huì)增加鐵陽(yáng)極反應(yīng)的反應(yīng)速率。

文獻(xiàn)[21]采用下式對(duì)鋼板腐蝕速率進(jìn)行計(jì)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(shí)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(jì)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(shí)間影響系數(shù)；m為涂層厚度影響系數(shù)，當(dāng)無(wú)涂層時(shí)，m=1.0；n表示為陰極保護(hù)對(duì)鋼板腐蝕影響系數(shù)，當(dāng)無(wú)陰極保護(hù)時(shí)，n=1.0；k為溶液流速的影響系數(shù)，當(dāng)為靜止環(huán)境時(shí)，k=1.0；S為鋼板與腐蝕溶液的接觸面積。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，以靜止海水環(huán)境下鋼板銹蝕率為基準(zhǔn)，計(jì)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(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比

由圖6(a)可知，對(duì)于靜止海水環(huán)境下，采用不同防腐措施的鋼板銹蝕率計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好。對(duì)于無(wú)涂層無(wú)陰極保護(hù)的鋼板，m，n，k的值均為1.0；對(duì)于有涂層無(wú)陰極保護(hù)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(jìn)程；對(duì)于有涂層有陰極保護(hù)的鋼板，m=0.723，n=1.053，k=1.0，在腐蝕的前4個(gè)月，有涂層有陰極保護(hù)的鋼板的腐蝕程度與有涂層無(wú)陰極保護(hù)的鋼板幾乎一致，表明在靜止海水環(huán)境下，陰極保護(hù)在腐蝕時(shí)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(duì)于流動(dòng)海水環(huán)境下，采用不同防腐措施的鋼板銹蝕率計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好。對(duì)于無(wú)涂層無(wú)陰極保護(hù)的鋼板，m和n的值均為1.0，k=1.968，表明海水流動(dòng)對(duì)鋼板銹蝕程度有較明顯的影響，這與試驗(yàn)結(jié)果一致。對(duì)于有涂層無(wú)陰極保護(hù)的鋼板，m=0.757，n=1.0，k=1.968，表明涂層防腐在流動(dòng)海水中是有效的措施。對(duì)于有涂層有陰極保護(hù)的鋼板，m=0.757，n=0.973，k=1.968，表明在流動(dòng)海水中，隨著腐蝕程度的加劇，陰極保護(hù)在腐蝕早期即可發(fā)揮作用，能有效延緩鋼板的腐蝕進(jìn)程，這與靜止海水環(huán)境有明顯區(qū)別。

3.3 公式驗(yàn)證

采用文獻(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)[22-23]及ASTM規(guī)范公式結(jié)果[24]，與本研究提出計(jì)算公式結(jié)果對(duì)比，如圖7所示。

圖7 本研究公式及ASTM規(guī)范公式計(jì)算值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖7可以看出，當(dāng)鋼板銹蝕率在0～8%范圍內(nèi)時(shí)，通過(guò)本研究公式計(jì)算得到的鋼板銹蝕率與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，而ASTM規(guī)范公式計(jì)算值要低于試驗(yàn)結(jié)果，尤其當(dāng)鋼板銹蝕率在4%～8%之間時(shí)，ASTM規(guī)范公式計(jì)算值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差將大于50%，預(yù)測(cè)效果不佳，主要原因在于A(yíng)STM規(guī)范公式中未考慮涂層、陰極保護(hù)及流水環(huán)境等因素的影響，導(dǎo)致其計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)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(duì)象，考慮流動(dòng)海水腐蝕環(huán)境的影響，開(kāi)展了不同涂層防護(hù)、不同陰極保護(hù)方式下的鋼殼腐蝕試驗(yàn)和理論研究，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

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

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

(3)對(duì)于無(wú)涂層無(wú)陰極保護(hù)、有涂層無(wú)陰極保護(hù)和有涂層有陰極保護(hù)3類(lèi)防腐情況，流動(dòng)海水環(huán)境下鋼板銹蝕率均高于靜止海水環(huán)境。當(dāng)腐蝕時(shí)間從7 d到5個(gè)月時(shí)，對(duì)于無(wú)涂層無(wú)陰極保護(hù)情況，流動(dòng)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(duì)于有涂層無(wú)陰極保護(hù)情況，流動(dòng)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(duì)于有涂層有陰極保護(hù)情況，流動(dòng)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(zhǔn)，本研究建立的不同因素組合下鋼板銹蝕率計(jì)算公式反映了涂層防護(hù)、陰極保護(hù)及流動(dòng)海水等因素的影響規(guī)律，且通過(guò)與ASTM規(guī)范公式結(jié)果及文獻(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表明，本研究所建鋼板銹蝕率計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，可用于鋼板長(zhǎng)期腐蝕行為的預(yù)測(cè)。