海洋平台桩腿材料的腐蚀特性分析开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1研究目的及意义

海洋拥有丰富的石油和天然气资源，是解决人口剧增、资源匮乏、环境恶化三大问题的希望。自上世纪开始，随着各国对可持续发展道路的重视，沿海国家纷纷把目光投向了海洋资源的开发与利用，加紧制定海洋发展规划，大力发展海洋相关科技。目前，世界上许多沿海国家把海洋资源开发作为一项基本国策，把发展海洋科技作为海洋开发的第一要务。我国作为一个海洋大国，海岸线绵长，海疆面积辽阔，其中蕴含着丰富的石油和天然气资源。2017年1月，我国印发了《石油发展“十三五”规划》和《天然气发展“十三五”规划》，从石油天然气的储量、供应、基础设施三大方面制定了目标，明确将海洋工程装备和高技术船舶列为国家重点发展领域^[1]。

海洋平台的工作环境恶劣、负重大，其在水下长期受到海水及海生物的侵蚀。海洋环境又具有高低温交叉、深海高压和高氯盐腐蚀等特点。此外，海洋平台除受自身重力载荷外，还时常经受风浪、海流、海底地震等自然灾害的破坏。且其服役期长，受力强度高，易发生应力腐蚀开裂等问题^[2]。海洋平台桩腿在设计时要求耐用20-30年，但海洋环境腐蚀严酷，特别是浪花飞溅区，由于周而复始地受海水的冲击和浸泡以及干湿交替，桩腿飞溅区的腐蚀冲击最为严重，飞溅区的破坏往往会导致平台钢结构由于安全性降低而提前报废，缩短了整个平台的使用寿命^[3]。我国于1966年12月底成功地在渤海湾安装了第一座导管架平台。虽然从那时算起，我国海洋平台发展史仅50多年，然而事故也不少。如1969年我国渤海2号平台被海冰推倒，并使一号平台严重受损，造成直接经济损失2000多万元；1974年海冰推倒了渤海四号平台的烽火台，等等。这些惨痛的教训告诉我们，对这些平台来说，工作中经常会伴随安全问题的产生。因此，海洋平台桩腿材料的腐蚀特性分析研究，能够为进一步改善其耐腐蚀性能，完善其腐蚀防护方法提供重要参考依据，对于保障海洋平台施工人员的生命安全具有重要意义。

1.2国内外研究现状分析

海洋平台装备的发展离不开海洋工程用高强钢的研发。日本、美国、欧洲一些国家因为海洋工程领域发展早，积累经验丰富，目前在海洋工程用钢标准制定、生产研发等方面处于领先地位。目前国际上海洋平台用钢主要遵循BS7191、EN10225、NORSOK和API标准，所用钢板最薄5mm（一般用于生活楼以降低质量），最大厚度可达210mm（用于高应力水平部位，如关键构件的连接区域等）^[4]。黄维等^[5]调查了日本相关企业在海洋平台用高强钢的发展情况，其海洋平台用钢品种都可成系列供货，形成了自己的标准。我国在高强钢板、大线能量焊接钢板、低温及耐海水腐蚀钢板等系列钢板上需要加大发展力度，依托先进设备，进一步开发和优化生产工艺。张翔等^[6]对国内外主要海洋工程用钢性能指标进行对比，如表1，指出高强度、厚规格及耐腐蚀性能好的海洋平台用高强钢的研发和应用是我国今后的主要研究方向之一。王任甫等^[7]从化学成分、力学性能、检验验收三个方面分析了美国舰船用钢规范的演变特点，发现新规范对S等杂质元素的控制更加严格，C含量下限放宽。我国海洋平台用钢发展起步较晚，直到20世纪80年代才制造出了自己的海洋平台，开始试制用于海洋平台的可焊接高强度结构用钢。杜伟等^[8-11]对宝钢、鞍钢、湘钢等国内主要海洋平台用钢生产厂家的产品强度、厚度等性能指标进行分析，指出随着我国海洋工程的发展，对海洋平台用钢的性能要求逐渐向高强度、大厚度、高的低温韧性、良好的抗层状撕裂能力、高耐腐蚀性能等方向发展。

表1 国内外主要海工用钢性能指标对比

海洋腐蚀环境非常复杂，海水是一种腐蚀性很强的天然电解质，含有多种盐分，电阻性阻滞很小，当异种金属接触时能造成显著的腐蚀效应。同一种金属在不同的海洋腐蚀环境中其腐蚀形态也不同^[12]。一般来说，按材料的破坏程度及形式可分为全面腐蚀和局部腐蚀，其中局部腐蚀又分为点腐蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀等。按腐蚀机理又可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。国内外研究学者针对不同种类的海洋平台用钢做了大量腐蚀特性分析实验。其主要技术有表面分析技术和电化学分析技术。前者主要是通过光学显微镜、电子显微镜等观察样钢表面微观形貌；后者主要是通过测量极化曲线、阻抗谱等判断腐蚀类型，分析腐蚀过程和机理。侯宝荣^[13]提出通过光照、离子种类及含量、湿度、温度、风速、氧含量、pH值和流速等因素沿垂直方向可将海洋环境分为5个腐蚀区域，即海洋大气区、浪花飞溅区、海水潮差区、海水全浸区和海水泥沙区。其中腐蚀速率：浪花飞溅区＞海水潮差区＞海水全浸区＞海底泥沙区＞海洋大气区。刘建国等^[14]研究了D32海洋平台用钢在模拟浪溅区和模拟全浸区的腐蚀规律，极化实验和阻抗试验表明腐蚀产物的形貌成分和覆盖度的不同导致了模拟全浸区腐蚀速率稍大于钢样在海水中的腐蚀速率，模拟浪溅区腐蚀速率远大于模拟全浸区钢样腐蚀速率。这与海水飞溅区的腐蚀速率最大结论相符。

分析金属材料在海洋中腐蚀的方法主要有盐雾腐蚀试验、全浸腐蚀试验、湿热腐蚀试验和综合模拟腐蚀试验。盐雾实验最早起于1914年，由J.A.Capp提出^[15]，并用于腐蚀测试中，目的是为了模拟接近海洋的大气腐蚀条件。1962年美国材料实验学会（ASTM）正式制定了3种盐雾试验标准：中性盐雾试验，醋酸盐雾试验（AASS），醋酸氯化铜盐雾试验（CASS）。余秀明^[16]用干湿交替循环腐蚀试验研究了高强度钢在模拟浪花飞溅区的点蚀行为与机理。董超芳等^[17]用连续盐雾试验法，研究了7A04铝合金在海洋大气中的腐蚀规律，认为氯离子对铝合金腐蚀有显著加速作用，腐蚀形貌从初期点蚀逐渐发展连接成片。Peng等^[18]用全浸试验研究了DH36钢在模拟海水全浸区中温度对腐蚀速度的影响。查小琴等^[19]通过全浸试验和间浸实验研究了10NiCrMo钢在海水中的腐蚀行为，对比分析了模拟海水和3.5%NaCl两种溶液中的腐蚀差异。发现在全、间浸腐蚀中，腐蚀速率大小主要受氧扩散控制影响。在模拟海水和3.5%NaCl溶液中，间浸腐蚀速率比全浸低。韩德盛等^[20]通过控制实验温度和湿度，研究了LY12铝合金在海洋大气腐蚀环境中的腐蚀行为，分析了温度和湿度对腐蚀行为的影响。郝文魁等^[21]对E690高强钢模拟海洋干湿交替环境中的SCC（应力腐蚀开裂）关键影响因素、行为及机理进行研究，对比研究得出模拟海洋全浸与薄液环境下E690高强钢SCC行为及其机理的差异。发现在干湿交替和薄液环境下发生明显的SCC，并且pH值、氯离子浓度和干湿交替频率对其SCC程度有重要影响。孙世斌等^[22]研究了D36钢在海洋介质中的电化学腐蚀行为，分析了不同盐度、pH值、温度等对其腐蚀的影响规律，结果发现温度和盐度对D36钢的腐蚀影响最大。陈闽东等^[23]对海洋工程用E690低合金钢在青岛和三亚浪花飞溅区环境的腐蚀行为、锈层耐蚀行为、锈层下的阔点蚀发展等展开了研究，发现样钢在不同地区的浪花飞溅区形成不同的阳离子选择通过性锈层，干湿交替作用将腐蚀性阴离子克服阳离子选择通过性从而进入锈层，E690钢SCC敏感性受氯离子单一因素影响较小。万金剑^[24]在实验室中模拟A517Gr.Q在海水飞溅区和全浸区中的腐蚀行为，采用PARSTAT电化学工作站对带锈层试样的开路电位、极化曲线和交流阻抗进行研究，发现样钢在海水飞溅区的腐蚀速率先降低后趋于稳定，腐蚀起始于均匀点蚀。屈霞等^[25]采用慢应变速率实验研究了S355钢在模拟海水中应力腐蚀破裂行为，发现阳极溶解和氢离子的作用是样钢腐蚀破裂的主要机理。高秀华等^[26]通过干湿交替腐蚀试验研究了海洋平台用低碳中锰钢在海洋环境下飞溅区的海水腐蚀行为，探明了锈层的截面形貌及元素分布，采用X射线衍射仪对腐蚀产物进行物相分析。发现腐蚀速率先快速增加，达到峰值后下降最后趋于稳定，腐蚀产物结构由疏松多孔状逐渐转化为致密厚实状。在高浓度氯离子环境下，腐蚀产物以γ-FeOOH为主，并出现了锰的氧化物和铁锰氧化物两种物相，这促进了腐蚀过程中的电化学反应。张泽宁^[27]研究N和Ce对A517Gr.Q海洋平台用高强钢组织和性能的影响，发现在添加N和Ce后实验钢的锈层组成没有发生改变，而是通过使晶粒细化和弥散析出相来提高钢的腐蚀性能。张杰等^[28]研究了三种以贝氏体组织为特征的E690海洋平台用钢的组织和力学性能，通过失重法测得样钢不同腐蚀时间下的腐蚀速率，利用扫描电镜和X射线衍射仪对其形貌特征进行分析。结果表明，贝氏体钢相对于铁素体＋珠光体钢组织更加均匀细小，表现为均匀腐蚀，相同腐蚀环境下，热处理工艺和组织构成对材料的初期腐蚀行为有重要影响，而化学成分和锈层自身的致密性对材料后期腐蚀行为起决定作用。通过制备工艺的变化，可生成更多的亚晶界和低能CSL晶界，改善材料腐蚀初期的耐腐蚀性。武博等^[29]研究了两种E690贝氏体钢在模拟海洋大气环境中的耐腐蚀性能和拉伸性能的变化。杨英等^[30]利用电化学及周期浸渍/干燥循环腐蚀试验方法研究了E690钢在模拟工业环境大气下的腐蚀行为，发现与Q235相比，其自腐蚀电流较小，极化阻力较大，具有更优良的耐腐蚀性能。但靠近基体部位的硅酸钙类及硫化物类复合夹杂物成为了蚀坑的诱发因素。郝文魁等^[31]利用电化学测量技术及建立模拟海洋干湿交替环境下的恒载荷SCC试验方法，对E690高强钢的电化学腐蚀行为及SCC敏感性、机理及裂纹扩展方式进行研究。发现不同氯离子浓度的海洋干湿交替环境下，E690高强钢SCC机理为阳极溶解和氢脆的混合控制机制，裂纹扩展模式为典型的穿晶扩展模式。王婷^[32]在室温下采用矩形模拟缝隙腐蚀装置对Q345E钢进行设定条件下的缝隙腐蚀试验，对Q345E钢的缝隙腐蚀规律及腐蚀机理进行研究。缝底处氯离子浓度始终最大且增长幅度最大，可达实验开始时该位置氯离子浓度的2.24倍，说明缝隙越深处越容易发生严重的缝隙腐蚀，并且缝口尺寸越小氯离子浓度越大，缝隙狭小时发生的缝隙腐蚀更严重。而在对样钢施加阴极保护后，腐蚀速率变低，腐蚀反应减缓。Qian Kun等^[33]通过电化学分析、形貌观察以及慢应变速率拉伸试验研究了E690高强钢在恒电位阳极极化下的腐蚀演变和应力腐蚀开裂行为。Da-Hai等^[34]通过电化学噪声（EN）技术监测Q235B钢的大气腐蚀，并使用统计参数和频域分析来量化腐蚀速率。HongChi等^[35]在模拟装置中进行慢应变拉伸速率试验（SSRT），发现二氧化硫可以大大增加E690钢在海洋大气中的SCC敏感性，而且在这种环境下的SCC机理是阳极溶解（AD）和氢脆（HE）的组合。

腐蚀模型是定量描述结构材料在腐蚀环境中的腐蚀速率或腐蚀损伤累积量随时间变化的数学模型。国内外早期研究采用的模型多为线性模型，即假定构件板厚的腐蚀减薄累计厚度随时间线性变化。实际上钢材腐蚀行为及其复杂，实际检测数据表明，腐蚀减薄累计厚度随时间并不是完全线性变化，因此采用非线性腐蚀模型比采用单一的线性腐蚀模型更为合理^[36]。Bekker等^[37]提出了双线性模型以及在此理论上发展成为三线性模型和指数模型。国内黄桂桥等^[38]基于实海挂片腐蚀数据，分析海洋工程用钢在我国不同海域的腐蚀行为，并建立腐蚀模型。Garbator等^[39]利用实海实验所得到的腐蚀数据拟合得到腐蚀模型，并计算板厚折减后的热力应力集中系数。Nguyen等^[40]利用相同的腐蚀模型，分别采用模型技术和谱分析法对油船进行腐蚀疲劳寿命评估。于世旭等^[41]通过研究腐蚀疲劳中力学因素与腐蚀因素的耦合机理，建立了考虑力学因素的新型腐蚀模型。

处于不同海洋环境中的金属及其合金材料的腐蚀行为和腐蚀机理差别很大，对材料的耐腐蚀性要求也不同。目前海洋平台的常用防腐方法为余量保护、涂层保护、包覆保护和阴极保护。而合金钢自身的材料力学性能是防腐蚀的第一道关卡，国内外众多学者对此进行了研究。苏泳波等^[42]以某公司300ft自升式海洋平台桩腿为研究对象，采用Airy波理论和PM双参数谱计算平台桩腿不同工况下所受的波浪力谱，提出并建立在环境载荷与腐蚀耦合作用下的桩腿时变可靠性模型。在平台服役时间超过5年后，应对桩腿浪溅区的管件进行维护保养，以保障平台的服役周期。武博等^[29]在对不同合金元素E690贝氏体钢的耐腐蚀性能进行研究时发现，Cu元素可以有效地提高耐大气腐蚀能力，晶粒大小影响前期腐蚀效率，而锈层的致密性在腐蚀后期起决定作用。张泽宁^[27]发现对A517Gr.Q海洋平台用钢通过晶粒细化和弥散析出可以提高钢的腐蚀性能。王海杰等^[43]对E690高强钢回火工艺的最新研究表明，随着回火温度的升高，E690钢的屈服强度、硬度逐渐下降，600℃回火时钢的冲击功最高。冯小明等^[44]采用热膨胀法测定了E690海洋平台用钢的相变临界点，绘制了静态CCT曲线，并结合金相-显微硬度法，分析了不同冷却速度对E690海洋平台用钢组织性能的影响 。发现冷却速度0.05-0.5℃/s时，冷却产物为粒状贝氏体，超过5℃/s后，冷却产物为板条贝氏体和板条马氏体。刘敏等^[45-46]利用热模拟试验机对E690海洋平台用钢进行了单道次压缩实验，发现变形温度是影响奥氏体晶粒度的主要因素，随变形温度的增加、变形速率的减小，奥氏体晶粒更细小均匀。结合热力学析出计算结果、奥氏体动态再结晶规律对E690钢的成分、连铸、控冷控轧及热处理工艺提出优化方案。万金剑^[24]发现A517Gr.Q钢在海水飞溅区的腐蚀速率先降低后趋于稳定，腐蚀起始于均匀点蚀，Cr元素能阻碍腐蚀介质氯离子向基体渗透，对基体保护有益。Evandro等^[47]进行了为期三年的室外腐蚀测试，验证了工业涂层电镀锌（GE）对钢材的保护作用。孙腾腾^[48]采用双阴极等离子溅射沉积技术和离子氧化技术在316L不锈钢材料表面制备出MoO₃-SiO₂复合纳米涂层，并测试了其耐电化学腐蚀性能和抗菌性能。发现该复合涂层有良好的疏水性能、更高的腐蚀电位、更低的腐蚀电流和更高的极化电阻，对不锈钢基体表现出良好的保护作用。这一研究验证了对于海洋平台材料采用涂层防腐的可行性。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究内容

（1）海洋平台装备的高速发展离不开高强钢的研发。针对目前国内外海洋平台用高强钢的发展现状及趋势，总结我国在研发、制造、生产高强钢的优缺点，对海洋平台用钢今后的发展趋势加以展望。

3. 研究计划与安排

（1）查阅相关文献资料和书籍，明确研究内容、所需要的技术方案及措施。完成外文翻译和开题报告。（3月25号前）

（2）阅读并整理文献资料，总结国内外海洋平台用高强钢的研究现状和发展趋势、腐蚀特性分析方法以及常见的腐蚀模型。（4月8号前）

（3）对典型海洋平台用桩腿材料的腐蚀特性和腐蚀规律进行分析，建立合适的腐蚀模型，探讨腐蚀机理。（4月30号前）

4. 参考文献（12篇以上）

[1]. 朱伟林,张功成,钟锴.中国海洋石油总公司“十二五”油气勘探进展及“十三五”展望[j].中国石油勘探,2016,21(04):1-12.

[2]. 郝文魁,刘智勇,王显宗,李晓刚.海洋平台用高强钢强度及其耐蚀性现状及发展趋势[j].装备环境工程,2014,11(02):50-58 76.

[3]. 张彦军,韩文礼,张贻刚,杨耀辉,解蓓蓓,徐忠苹.海洋平台桩腿防腐层修复三层包覆防护结构研究与应用[j].表面技术,2016,45(11):123-128.