0 引言

我國(guó)已經(jīng)明確提出“建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”的戰(zhàn)略目標(biāo)，以海洋資源開(kāi)發(fā)為目的的海洋工程產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，相應(yīng)的海洋工程裝備研制日益發(fā)展壯大。相對(duì)于陸用裝備，在海洋環(huán)境下服役的裝備（包括船舶、海洋平臺(tái)、管道等等）面臨著嚴(yán)酷的海洋環(huán)境腐蝕，材料的腐蝕損傷是制約海洋工程裝備服役安全性的關(guān)鍵因素[1]。

腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)是指利用在線檢測(cè)儀器及腐蝕分析方法，對(duì)裝備的腐蝕狀態(tài)、腐蝕速率及某些腐蝕相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)裝備的實(shí)時(shí)腐蝕狀態(tài)及腐蝕安全性進(jìn)行評(píng)估。為保障海洋工程裝備的服役安全，除了充分的防腐蝕設(shè)計(jì)外，還需要在必要的部位（如不易檢修的部位、關(guān)鍵壓力邊界部位等）應(yīng)用腐蝕狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)時(shí)掌握材料或結(jié)構(gòu)部件的腐蝕狀態(tài)，杜絕突發(fā)腐蝕泄漏故障，確保裝備服役期間的腐蝕安全性[2-6]。隨著海洋資源的開(kāi)發(fā)，海洋工程裝備的腐蝕問(wèn)題將越來(lái)越凸顯，腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)在海洋工程裝備的腐蝕安全保障方面的應(yīng)用也將越來(lái)越多?；诖?，本文對(duì)海洋工程裝備腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述，對(duì)其未來(lái)的研究方向進(jìn)行展望。

1 腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)體系

根據(jù)腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)特征，可以分為直接監(jiān)測(cè)技術(shù)和間接監(jiān)測(cè)技術(shù)，直接監(jiān)測(cè)技術(shù)測(cè)量的是因腐蝕或沖蝕而出現(xiàn)直接變化的參數(shù)；而間接監(jiān)測(cè)技術(shù)測(cè)量的是那些影響腐蝕或沖蝕，或受腐蝕或沖蝕影響而出現(xiàn)變化的參數(shù)。其中直接監(jiān)測(cè)技術(shù)又分為侵入式技術(shù)和非侵入式技術(shù)兩類(lèi)，間接監(jiān)測(cè)技術(shù)分為在線技術(shù)和離線技術(shù)兩類(lèi)。侵入式技術(shù)是指需要穿過(guò)管線或容器外壁，直接接觸到內(nèi)部介質(zhì)進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)，一般來(lái)說(shuō)，侵入式技術(shù)需要特定形式的探針或測(cè)試片；間接監(jiān)測(cè)技術(shù)可以是在線或離線的，對(duì)于在線技術(shù)而言，不需要將設(shè)備從工藝過(guò)程中移除，而離線技術(shù)則需要從工藝過(guò)程中采集樣品或試片進(jìn)行分析。根據(jù)以上分類(lèi)，對(duì)目前存在的腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行分類(lèi)劃分，形成技術(shù)體系，分別如圖1、2所示[7-12]。

圖1 腐蝕直接監(jiān)測(cè)技術(shù)體系

圖2 腐蝕間接監(jiān)測(cè)技術(shù)體系

根據(jù)圖1、圖2所列的腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，對(duì)適用于海洋環(huán)境下工程裝備的腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。

1.1 腐蝕失重掛片

失重掛片是將小的金屬掛片，暴露于特定的環(huán)境中一段時(shí)間，來(lái)確定金屬在環(huán)境中的反應(yīng)。測(cè)試結(jié)束后將掛片從環(huán)境中取出，表面的腐蝕產(chǎn)物采用物理或化學(xué)的方式清除。掛片可以直接安裝在有代表性的海洋腐蝕環(huán)境中（如不同深度、不同海域等），也可以將掛片安裝在裝備內(nèi)部流道或部件中。試片的設(shè)計(jì)一般根據(jù)測(cè)試的目的進(jìn)行，如扁平試片用于均勻腐蝕或點(diǎn)蝕，焊接試片用于焊縫局部腐蝕，應(yīng)力試片用于應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。通過(guò)計(jì)算金屬損失，可以確定試片在特定時(shí)間段內(nèi)的平均腐蝕速率。

腐蝕掛片技術(shù)原則簡(jiǎn)單易懂，可以在很小的空間對(duì)多種金屬進(jìn)行對(duì)比，掛片本身成本較低。但是，該技術(shù)有以下局限性：

（1）所獲得的腐蝕速率數(shù)據(jù)是掛片時(shí)間內(nèi)的平均腐蝕速率，局部腐蝕需通過(guò)光學(xué)顯微鏡等技術(shù)進(jìn)行測(cè)量；

（2）掛片時(shí)間過(guò)短可能導(dǎo)致結(jié)果不具有代表性，一般來(lái)說(shuō)，由于腐蝕其階段腐蝕速率較高，那么可能掛片數(shù)據(jù)高出現(xiàn)場(chǎng)材料正常腐蝕速率；

（3）在掛片期間，無(wú)法判斷腐蝕失效的時(shí)間或程度；

（4）腐蝕速率只能在掛片取出后進(jìn)行計(jì)算；

（5）掛片的清理和分析過(guò)程耗費(fèi)附加成本和時(shí)間；

（6）掛片的清理對(duì)于結(jié)果的計(jì)算影響很大（尤其是實(shí)驗(yàn)室測(cè)試）。

1.2 電阻技術(shù)

電阻技術(shù)的基本原理就是被測(cè)金屬的電阻值會(huì)因?yàn)槠浣孛鎱^(qū)域受腐蝕、沖蝕作用減小后而升高。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，一般會(huì)使用一支溫度補(bǔ)償探頭進(jìn)行對(duì)比，彌補(bǔ)因溫度造成的電阻變化。由于電阻值一般較小，因此測(cè)量時(shí)采用一些高靈敏電子元件。

電阻技術(shù)可進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，對(duì)于了解控制腐蝕過(guò)程作用較大，幾乎可用于任何環(huán)境，相應(yīng)快，可在較嚴(yán)重問(wèn)題出現(xiàn)之前采取想控制措施，不需從該系統(tǒng)中取出探頭就可以進(jìn)行測(cè)量。但是，該技術(shù)具有以下局限性：

（1）監(jiān)測(cè)結(jié)果一般代表均勻腐蝕的腐蝕速率，對(duì)于局部腐蝕敏感性較差；

（2）在電化學(xué)腐蝕環(huán)境中，相對(duì)于電化學(xué)技術(shù)，電阻探針確定腐蝕速率所需要的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)（幾小時(shí)到幾天）；

（3）在某些條件下，部分導(dǎo)電的腐蝕產(chǎn)物（如硫化鐵）沉積在探頭表面，可能導(dǎo)致腐蝕速率測(cè)量值降低；

（4）當(dāng)安裝環(huán)境出現(xiàn)較大溫度波動(dòng)時(shí)，會(huì)引起測(cè)量腐蝕速率出現(xiàn)波動(dòng)。

1.3 腐蝕電位監(jiān)測(cè)

腐蝕電位的監(jiān)測(cè)，主要是通過(guò)與極化數(shù)據(jù)結(jié)合，用來(lái)預(yù)測(cè)腐蝕行為；或是與電位pH圖及氧化還原電位結(jié)合，來(lái)確定目前的相平衡狀態(tài)。通過(guò)腐蝕電位監(jiān)測(cè)，還可以確定目前不銹鋼是處于活化還是鈍化狀態(tài)，同時(shí)對(duì)于電化學(xué)保護(hù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)也可起到良好的監(jiān)測(cè)。

腐蝕電位監(jiān)測(cè)可以簡(jiǎn)單快速地監(jiān)測(cè)金屬是否處于鈍化狀態(tài)，也可以用來(lái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)腐蝕隨時(shí)間的變化及頻率。但是，該技術(shù)具有以下局限性：

（1）不能用于腐蝕速率的測(cè)量；

（2）所采用的殘壁電極有可能在工藝介質(zhì)中發(fā)生反應(yīng)；

（3）殘壁電極可能造成污染；

（4）在高于100°C是需使用特殊的參比電極。

1.4 超聲測(cè)厚技術(shù)

使用超聲技術(shù)測(cè)量固體的厚度已有數(shù)十年的歷史，起源就是利用測(cè)量一個(gè)特定頻率的波穿過(guò)一個(gè)固體的時(shí)間來(lái)計(jì)算物體的厚度。過(guò)去，常用的超聲測(cè)厚技術(shù)只能針對(duì)一個(gè)點(diǎn)的厚度進(jìn)行測(cè)量，而現(xiàn)在，使用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人操作的面測(cè)厚系統(tǒng)，可以在0.1m2的面積上同時(shí)進(jìn)行幾千甚至上萬(wàn)個(gè)點(diǎn)的測(cè)厚。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展，自動(dòng)在線測(cè)厚技術(shù)也已成功應(yīng)用。

2 海洋工程裝備腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

根據(jù)材料特征，海洋工程裝備大致可分為金屬結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)兩類(lèi)。鋼結(jié)構(gòu)的裝備包括船舶、海底管道、鉆井平臺(tái)等；混凝土結(jié)構(gòu)主要包括海洋岸防設(shè)施等，金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕監(jiān)測(cè)主要關(guān)注金屬材料的腐蝕減薄、局部穿孔等信息，混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測(cè)主要關(guān)注混凝土內(nèi)部鋼筋的銹蝕。根據(jù)監(jiān)測(cè)目的不同，兩類(lèi)海洋工程結(jié)構(gòu)采取的腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)方法也有所差別[13]。

2.1 金屬結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測(cè)

目前，金屬結(jié)構(gòu)在海洋中服役時(shí)，以電化學(xué)腐蝕和沖刷腐蝕為主，相應(yīng)的腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)也與這兩種腐蝕行為相匹配[14]。以船舶為例，相關(guān)資料顯示，美國(guó)艦船的鋼制壓載水艙內(nèi)部廣泛應(yīng)用了腐蝕電位監(jiān)測(cè)裝置，通過(guò)腐蝕電位的監(jiān)測(cè)來(lái)判斷壓載艙內(nèi)部涂層破損情況及陰極保護(hù)系統(tǒng)的工作情況。應(yīng)用情況如圖3所示，其中，參比電極采用Ag/AgCl電極，通過(guò)數(shù)據(jù)采集將不同部位的腐蝕電位分布情況進(jìn)行系統(tǒng)分析，當(dāng)局部涂層破損時(shí)，破損部位的腐蝕電位較完好部位的腐蝕電位會(huì)有所下降，可以通過(guò)腐蝕電位的變化定性判斷涂層體系的使用情況。此外，腐蝕電位監(jiān)測(cè)也可以對(duì)壓載艙內(nèi)部的犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)的工作情況進(jìn)行判別，當(dāng)犧牲陽(yáng)極達(dá)到消耗下限或局部布置不合理時(shí)，相應(yīng)的保護(hù)電位會(huì)教標(biāo)準(zhǔn)電位有所差別，通過(guò)該差值判斷陰極保護(hù)系統(tǒng)的工作情況。

圖3 船舶壓載水艙內(nèi)部腐蝕電位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.2 混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測(cè)

海洋環(huán)境下混凝土中的鋼筋腐蝕主要是電化學(xué)反應(yīng)，鋼筋表面在滲入的氯離子作用下發(fā)生腐蝕，因此，電化學(xué)方法是監(jiān)測(cè)混凝土中鋼筋腐蝕的有效方法。檢測(cè)鋼筋混凝土腐蝕的電化學(xué)方法主要有如下幾種：半電池電位法、線性極化法、電化學(xué)阻抗譜、電阻率法、電化學(xué)噪聲法等[15]。以港珠澳大橋主體混凝土結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測(cè)為例[16]，采用了ECI-2耐久性監(jiān)測(cè)傳感器，設(shè)計(jì)的鋼筋電極、輔助電極和參比電極體系，采用線性極化方法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋼筋的腐蝕速率及腐蝕電位，另外，傳感器中還集成了氯離子探針和混凝土電阻率探針，可以實(shí)時(shí)定量監(jiān)測(cè)混凝土中的氯離子濃度和混凝土的電阻率，達(dá)到混凝土結(jié)構(gòu)耐久性綜合監(jiān)測(cè)的目的。

圖4 港珠澳大橋混凝土結(jié)構(gòu)采用的ECI-2耐久性監(jiān)測(cè)傳感器

3 腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)研究展望

隨著海洋資源的開(kāi)發(fā)，材料在極端海洋環(huán)境中的腐蝕將成為制約裝備走向深海、遠(yuǎn)海的關(guān)鍵因素。由于腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)在材料腐蝕安全性保障方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，將在海洋工程裝備設(shè)計(jì)中越來(lái)越受到重視，其作用也將越來(lái)越凸顯。展望未來(lái)海洋工程裝備腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究，主要有以下幾個(gè)方向：

（1）極端海洋環(huán)境下原位腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)。深海環(huán)境腐蝕條件苛刻，材料腐蝕安全性要求高，但常規(guī)的腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)在信號(hào)傳輸、信息提取等方面存在難點(diǎn)，開(kāi)發(fā)適用于深海極端環(huán)境下的腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)，服務(wù)于深海資源開(kāi)發(fā)，是未來(lái)腐蝕監(jiān)測(cè)領(lǐng)域研究的亟需；

（2）局部腐蝕損傷的監(jiān)測(cè)技術(shù)。局部腐蝕危害性大，是目前導(dǎo)致海洋工程裝備突發(fā)性腐蝕泄漏的主要原因，由于局部腐蝕（如點(diǎn)蝕）的發(fā)生具有隨機(jī)性，可靠的腐蝕監(jiān)測(cè)困難，開(kāi)發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)局部腐蝕可靠監(jiān)測(cè)的技術(shù)是工程應(yīng)用亟需；

（3）多方法協(xié)同的腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)。海洋環(huán)境腐蝕呈多因素協(xié)同作用的特點(diǎn)，存在力學(xué)-電化學(xué)、生物-電化學(xué)、氧化-電化學(xué)的協(xié)同腐蝕作用，單一的腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)難以全面反映出裝備的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，因此，開(kāi)發(fā)多方法協(xié)同的腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)，各技術(shù)之間相互彌補(bǔ)，達(dá)到可靠監(jiān)測(cè)的目的；

（4）基于腐蝕監(jiān)測(cè)的智能壽命預(yù)測(cè)方法。開(kāi)展腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的智能學(xué)習(xí)和分析方法研究，從有限數(shù)據(jù)樣本中提取裝備未來(lái)腐蝕行為的信息提前預(yù)測(cè)評(píng)估裝備腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

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