不同港口海域鋁合金腐蝕行為研究

彭文山，侯健，余化龍，丁康康，范林，郭為民，藺存國

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不同港口海域鋁合金腐蝕行為研究

彭文山1，侯健1，余化龍2，丁康康1，范林1，郭為民1，藺存國1

（1. 中國船舶重工集團公司第七二五研究所 海洋腐蝕與防護重點實驗室，山東 青島 266237；2. 中國人民解放軍91922部隊，海南 三亞 572018）

獲得1060鋁合金和5083鋁合金在不同港口海域的腐蝕規律。采用實海試驗方法獲得材料表面的腐蝕形貌及腐蝕速率，并利用腐蝕圖像處理技術分析海生物覆蓋狀態。不同海域鋁合金試樣表面附著海生物種類不同，青島海域試樣表面主要附著牡蠣，舟山海域試樣主要附著藤壺和海藻，三亞海域主要附著藤壺和牡蠣。1060鋁合金和5083鋁合金在不同海域海水中以點蝕和縫隙腐蝕為主，海生物附著對鋁合金腐蝕有明顯影響，較嚴重的腐蝕點出現在牡蠣或藤壺下面及邊緣。三海域中兩種鋁合金在舟山海域的腐蝕速率最大，三亞海域次之，青島海域最小。不同海域鋁合金試樣表面海生物覆蓋面積不同，三亞海域試樣表面海生物覆蓋面積百分比最大，青島海域次之，舟山海域最小。由于海水環境不同，青島、舟山及三亞海域鋁合金試樣表面海生物種類以及海生物覆蓋面積明顯不同，海生物的附著在一定程度上減緩了鋁合金的腐蝕，另外也使得鋁合金更易產生縫隙腐蝕和點蝕。

港口；海生物；鋁合金；腐蝕

鋁合金具有密度低、耐蝕性好、比強度高、易加工等優點，可制作各種形式及截面的板材、管材，在海洋工程及船舶工業中得到廣泛應用。各國的造船行業越來越多的使用鋁合金作為船體結構材料。例如船舶的上層建筑，快艇和游艇的艇身底部，魚雷水缸、魚雷殼體等[1]。海洋是一個復雜的環境，港口海域海水腐蝕除了電化學腐蝕和海水浪潮沖擊外，污損生物及其代謝產物都對鋁合金材料腐蝕有重要影響[2]。不同海域由于海水成分、溫度、濕度等條件的差異，以及海洋附著生物種類不同，對不同材料海洋工程建筑的腐蝕程度都會存在差別。鋁合金在港口海域的腐蝕問題是制約海洋工程裝備發展的重大問題。

海生物污損是影響鋁合金海水腐蝕的重要因素，近年來海生物污損和材料表面腐蝕的關系受到學者們的廣泛關注[3-6]。Eashwar等[7]研究了不銹鋼上藤壺生命活動及腐蝕現象，得出藤壺殼上有機質的分解引起介質酸化，導致縫隙腐蝕。馬士德等[8]通過青島海域實海試驗觀察及實驗室培育研究了藤壺附著對海水中材料腐蝕的影響，提出“開花腐蝕”機制，揭示藤壺附著對局部腐蝕的影響。侯健等[9]介紹了船用鋁合金在海洋環境中的研究現狀，得出相同海洋環境下船用鋁合金的腐蝕形式主要為點蝕和應力腐蝕，其腐蝕程度和敏感性隨海水深度的增加而增加。楊海洋等[10]研究了在青島和廈門海水中暴露0.25~4 a的碳鋼表面的海生物和銹層情況，得出大型海生物污損、銹層外觀和碳鋼腐蝕形貌之間的關系，硬殼生物下腐蝕輕微，表面平整。陳珊等[11]研究了5083鉛合金在不同pH值3%NaCl溶液中的腐蝕性能，發現5083鉛合金在強酸強堿溶液中發生均勻腐蝕，而在中性或者弱酸弱堿溶液中發生局部腐蝕。

海生物污損影響鋁合金海水腐蝕的研究較多，但不同海域海生物對鋁合金腐蝕影響的對比研究較少。另外采用腐蝕圖像處理方法準確計算海生物覆蓋面積，并揭示其與試樣腐蝕形貌之間的關系鮮有研究。近年來，隨著電化學技術、表面分析、生物技術及圖象處理技術的應用，生物附著與金屬腐蝕關系方面基礎研究不斷深入。文中通過三個不同港口實海腐蝕試驗以及圖像處理技術相結合的方法研究生物污損對鋁合金海水腐蝕的影響及作用機制，對深入了解海生物污損引起的腐蝕，揭示生物影響鋁合金海水腐蝕的機制有重要意義。

1 試驗方法

試驗材料為1060鋁合金和5083鋁合金。樣品尺寸為200 mm×100 mm，厚度約為4 mm，試樣的長邊垂直于板材軋制方向。投放前進行去油處理，并對試樣尺寸和質量進行精確測量和記錄。試驗港口為青島港口、舟山港口和三亞港口，根據試驗港口實際條件選擇布放方式，進行海水全浸區暴露試驗，試驗周期為0.5 a，回收樣品獲取3個港口的材料腐蝕數據。

暴露試驗結束后，將試樣取回，配制除銹液去除腐蝕產物，稱量。采用GB/T 18590—2001中的顯微法測量點蝕深度，借助于數碼相機記錄試樣除銹前后形貌，采用三維視頻顯微鏡選取代表性區域進行微觀形貌觀察等分析手段，研究其腐蝕行為規律。

2 腐蝕形貌

2.1 1060鋁合金

1060鋁合金清洗前后試樣表面的宏觀形貌如圖1所示。1060鋁合金在港口環境下具備較好的耐蝕性，實海暴露0.5 a后，青島海域試樣表面附著有少量牡蠣，舟山海域試樣表面附著有少量藤壺和草苔蟲，三亞海域試樣表面附著藤壺、牡蠣、盤管蟲等海生物。海生物與試樣表面結合處有綠色銹斑，而且附著最大厚度處可達1~2 cm。去除腐蝕產物后，三片海域試樣均在海生物附著部位出現了不同程度的腐蝕，在海生物覆蓋區域有明顯的腐蝕痕跡。特別是對于三亞海域試樣，海生物死亡后，在其附著中心位置上出現腐蝕產物堆積和坑蝕，是明顯的“中心開花”腐蝕形貌。

港口環境暴露0.5 a后，1060鋁合金試樣除銹后的微觀形貌如圖2所示?？梢园l現，不同海域下試樣腐蝕形貌差別較大。海生物附著對鋁合金腐蝕有明顯影響，較嚴重的腐蝕點都在牡蠣或藤壺下方及邊緣。青島海域試樣，白點狀腐蝕產物下分布有個別較深的點蝕坑，但其周邊區域表面仍保持金屬光澤。舟山海域試樣表面有明顯的點蝕痕跡。三亞海域試樣，在海生物附著處邊緣出現縫隙腐蝕?？p隙腐蝕一般出現在金屬表面的附著物、沉積物下面。當鋁合金與周圍溶液相屏蔽的區域缺氧時，就在被屏蔽和未被屏蔽的區域產生氧的濃度差，氧濃差產生縫隙腐蝕[12]。由于藤壺、草苔蟲等海生物附著，在其下方及邊緣產生較深的縫隙腐蝕。

2.2 5083鋁合

港口環境不同地點暴露0.5 a后，5083鋁合金試樣除銹前后的宏觀形貌如圖3所示。由圖3可見，青島試樣表面附著有少量牡蠣，舟山試樣表面附著有少量藤壺、草苔蟲，三亞試樣表面附著有大量海生物，包括藤壺、牡蠣、盤管蟲等。除銹后，試樣表面在海生物附著部位下方出現明顯的腐蝕形貌。去除腐蝕產物后，試樣表面局部仍保留金屬光澤，青島試樣保存最為完整。隨試驗海域緯度的降低，腐蝕區域有所增大。特別的是，在三亞海域試樣表面，海生物下方出現了較深的點蝕坑，海生物周圍出現了縫隙腐蝕，形成典型的腐蝕形貌，如圖4所示。

圖2 1060鋁合金港口環境暴露0.5 a除銹后微觀形貌

圖4 5083鋁合金港口環境暴露0.5 a除銹后微觀形貌

3 腐蝕速率分析

3.1 腐蝕速率及點蝕深度分析

1060鋁合金和5083鋁合金在不同港口環境中暴露0.5 a的腐蝕速率如圖5a所示。1060鋁合金青島海域試樣腐蝕速率為8.77 μm/a，舟山海域為30.24 μm/a，三亞海域為15.86 μm/a。5083鋁合金青島海域試樣腐蝕速率為8.92 μm/a，舟山海域為29.29 μm/a，三亞海域為17.6 μm/a。兩種材料的腐蝕速率較小。港口環境下，1060鋁合金腐蝕速率略低于5083鋁合金。三種海域中，腐蝕速率由大到小順序為：舟山、三亞、青島。兩種鋁合金不同港口環境下最大點蝕深度如圖5b所示，可以看出，青島海域試樣的最大點蝕深度最小。

圖5 兩種鋁合金不同港口環境暴露0.5 a的腐蝕速率和點蝕深度

3.2 海生物覆蓋面積分析

試樣表面海生物的附著對材料腐蝕有直接的影響，為進一步研究海生物覆蓋面積與材料腐蝕速率之間的關系，采用腐蝕圖像處理方法[13-15]，根據試樣腐蝕形態提取腐蝕特征，獲得海生物覆蓋面積與腐蝕之間的關系。采用腐蝕圖像方法獲取試樣表面海生物附著面積主要包括以下幾步：腐蝕圖像收集、圖像截取、

圖像中值濾波、圖像灰度轉換、圖像增強、二元特征提取、海生物覆蓋面積計算。二元特征提取中，二值圖像只有純白色和純黑色兩種顏色，通過二值化處理，鋁合金表面腐蝕圖像的顏色分為覆蓋海生物和試樣。采用圖像處理技術處理后，兩種鋁合金表面的海生物覆蓋情況如圖6和圖7所示。

圖6 1060鋁合金腐蝕形貌識別

圖7 5083鋁合金腐蝕形貌識別

圖像處理方法獲得的不同海域鋁合金表面海生物覆蓋面積如圖8所示。由圖8可知，舟山海域的海生物覆蓋面積最小，三亞海域最大，青島海域介于二者之間。這主要是由于不同海域的氣候條件以及海洋環境決定的，三亞海域處于熱帶，一年四季溫度較高，適于海生物的生長。另外，海水中的氧含量以及鹽度等因素也是造成海生物生長的關鍵因素。海生物覆蓋面積變化規律與試樣腐蝕速率有一定對應關系，舟山海域試樣海生物覆蓋面積最小，其腐蝕速率最大。海生物的覆蓋在一定程度上隔離了鋁合金基體與海水，減緩了材料腐蝕。

圖8 不同港口海域鋁合金海生物覆蓋面積百分比

4 結論

1）不同海域鋁合金試樣表面附著海生物種類不同，青島海域試樣表面主要附著牡蠣，舟山海域試樣主要附著藤壺和海藻，三亞海域主要附著藤壺和牡蠣。

2）1060鋁合金和5083鋁合金在不同海域海水中以點蝕和縫隙腐蝕為主，三片海域中兩種鋁合金的腐蝕速率以舟山海域最大，三亞海域次之，青島海域最小。

3）不同海域鋁合金試樣表面海生物覆蓋面積不同，三亞海域試樣表面海生物覆蓋面積百分比最大，青島海域次之，舟山海域最小。

[1] 丁紅燕. 鋁合金和鈦合金在雨水/海水環境下的腐蝕與磨損交互作用研究[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2007.

[2] 聶銘, 梁永純, 黃豐, 等. 廣東地區輸變電常用金屬材料腐蝕行為研究[J]. 環境技術, 2018, 36(3): 17-20.

[3] 楊天笑, 嚴濤, 陳池, 等. 大型海洋污損生物對金屬材料腐蝕影響及研究展望[J]. 工業安全與環保, 2013, 39(11): 69-71.

[4] 鄭紀勇. 海洋生物污損與材料腐蝕[J]. 中國腐蝕與防護學報, 2010, 30(2): 171-176.

[5] 王慶飛, 宋詩哲. 金屬材料海洋環境生物污損腐蝕研究進展[J]. 中國腐蝕與防護學報, 2002, 22(3): 184-188.

[6] 蔡成翔, 尹艷鎮, 焦淑菲, 等. 牡蠣附著腐蝕研究進展[J]. 廣州化工, 2012, 40(5): 28-30.

[7] EASHWAR M, SUBRAMANIAN G, BALAKR-ISHN-AN K, et al. Mechanism for Barnacle-Induced Crevice Corrosion in Stainless Steel[J]. Corrosion, 1992, 48(7): 608-612.

[8] 馬士德, 謝肖勃, 黃修明, 等. 藤壺附著對海水中金屬腐蝕的影響[J]. 中國腐蝕與防護學報, 1995, 15(1): 74-78.

[9] 侯健, 張彭輝, 郭為民. 船用鋁合金在海洋環境中的腐蝕研究[J]. 裝備環境工程, 2015(2): 59-63.

[10] 楊海洋, 黃桂橋, 王佳. 生物污損對碳鋼海水腐蝕的影響[J]. 腐蝕與防護, 2009, 30(2): 78-80.

[11] 陳珊, 李國明, 常萬順, 等. NaCl溶液pH值對5083鋁合金腐蝕的影響研究[J]. 裝備環境工程, 2011, 08(5):5-7.

[12] 黃雨舟, 董麗華, 劉伯洋. 鋁合金深海腐蝕的研究現狀及發展趨勢[J]. 材料保護, 2014, 47(1): 44-47.

[13] 陶蕾. 鋁合金大氣腐蝕形貌的圖像識別[D]. 天津: 天津大學, 2006.

[14] 陶蕾. 典型金屬材料和涂層體系自然環境腐蝕檢測技術研究[D]. 天津: 天津大學, 2009.

[15] 尹文博. 圖像處理技術在表征腐蝕鋼結構表面特征中的應用[D]. 西安: 西安建筑科技大學, 2011

Corrosion Behaviors of Aluminum Alloys in Different Harbors

PENG Wen-shan1, HOU Jian1, YU Hua-long2, DING Kang-kang1, FAN Lin1, GUO Wei-min1, LIN Cun-guo1

(1. State Key Laboratory for Marine Corrosion and Protection, Luoyang Ship Material Research Institute, Qingdao 266237, China; 2. Unit 91922, PLA, Sanya 572018, China)

To obtain corrosion regularity of 1060 aluminum alloy and 5083 aluminum alloy in different harbors.The real-sea test was carried out to obtain the corrosion morphology and corrosion rate of the material surface, and corrosion image processing techniques were used to analyze the marine organisms cover status.There are different kinds of marine organisms attached to the surface of aluminum alloy specimens in different harbors. The surfaces of the specimens at Qingdao harbor were mainly attached by oysters. The surfaces of the specimens at Zhoushan harbor were mainly attached by barnacles and seaweeds. The surfaces of the specimens at Sanya harbor were mainly attached by barnacles and oysters. The corrosion form of 1060 aluminum alloy and 5083 aluminum alloy were mainly pitting corrosion and crevice corrosion in different harbors. The adhesion of marine organisms had significant impacts on corrosion of aluminum alloys. The serious corrosion areas appeared under the oysters or barnacles, or near the edges of the sea creatures and material matrix. The sequence of the corrosion rates of the two aluminum alloys in the three harbors from the largest to the lowest was: Zhoushan Harbor, Sanya Harbor, and Qingdao Harbor. The sea creature coverage area of aluminum alloy specimens in different harbors was different. The sequence of the sea creature cover area of the two aluminum alloys in the three harbors from the largest to the lowest was: Sanya Harbor, Qingdao Harbor, and Zhoushan Harbor.The species of marine organisms and the sea creature coverage area on the surface of aluminum alloy specimens of these three harbors are significantly different due to different seawater environments. To a certain extent, the adhesion of sea creatures slows down the corrosion of aluminum alloys. However, it also makes the aluminum alloys easier to produce crevice corrosion and pitting corrosion.

harbor;marine organisms; aluminum alloy; corrosion

10.7643/ issn.1672-9242.2019.04.002

TG172.5

A

1672-9242(2019)04-0008-06

2018-10-19；

2018-12-19

彭文山（1987—），男，山東人，博士，工程師，主要研究方向為海洋腐蝕與防護及多相流管道沖蝕。