建設海洋強國已成為我國重要發展戰略，未來我國將不斷加快向海洋進軍的步伐。碳鋼以工程應用成本較低、綜合性能良好等優點廣泛應用于建筑結構、大型海港碼頭設施、大型船舶、管線和濱海設施等各個領域中。然而，碳鋼如長期在海水全浸區工作會發生腐蝕，造成自身性能退化，給結構帶來安全隱患；同時，腐蝕還會導致環境污染，甚至對生產人員的生命安全造成嚴重威脅。我國每年都會因解決腐蝕帶來的各種問題而耗費大量資源，據統計，2014年我國腐蝕總成本超過2.1萬億元人民幣，約占當年GDP的3.34%。因此，腐蝕問題是我國向海洋強國進軍道路上要優先解決的重要問題之一。

從20世紀80年代起，我國就開展了常用材料在大氣、海洋和土壤環境中長期、系統的腐蝕試驗研究，并已獲取了大量有價值的腐蝕試驗數據。目前，對于碳鋼的腐蝕研究較多是在單因素影響條件下進行的，而對于碳鋼在多因素耦合條件下的腐蝕機理仍不清晰。加強碳鋼在海水全浸區的腐蝕機理研究，并對碳鋼長期腐蝕速率進行有效預測，可為建筑結構和其他海洋工程在海水全浸區的服役壽命預測提供參考，具有較強的理論價值和工程應用意義。

1碳鋼在海水全浸區的腐蝕機理

碳鋼主要由鐵和碳（質量分數為0.0218%~2.11%）組成。由于兩者的標準電極電位不同，因此可構成原電池。海水本身屬于一種腐蝕性很強的電解質溶液，從微觀角度講，當碳鋼處于海水全浸區時，由于碳鋼自身的化學組分、表面應力以及相間分布等不均勻，造成碳鋼與海水的接觸面上電極電位分布不均勻，碳鋼表面構成多個腐蝕微電池，形成對應的陽極區和陰極區。

碳鋼在海水全浸區的腐蝕一般以電化學腐蝕和生物腐蝕為主。生物腐蝕是各種海洋生物附著在碳鋼表面進行新陳代謝形成生物膜，從而對碳鋼的腐蝕速率產生影響。

MECHERS將鋼鐵在海水全浸區的均勻腐蝕劃分成5個不同階段，如下圖所示。圖中橫坐標表示鋼鐵的腐蝕時間，縱坐標表示鋼鐵的均勻腐蝕深度。針對整個腐蝕階段，大體上分為好氧細菌腐蝕（對應階段0，1，2）以及厭氧細菌腐蝕（對應階段3，4）兩個部分，并且對每個階段建立了相應的數學模型。

不同腐蝕階段腐蝕速率與時間關系

2碳鋼在海水全浸區的腐蝕研究

試驗研究

失重法和電化學法是碳鋼在海水全浸區腐蝕研究的主要試驗方法，各學者研究碳鋼在海洋環境全浸區的腐蝕試驗環境分為自然海水和模擬海水。

失重法是碳鋼在海水全浸區腐蝕研究中經常采用的研究方法，通過該方法獲得的腐蝕數據能夠真實有效地反映碳鋼在海水全浸區的腐蝕情況。該方法具有原理簡單、結果可信度高等優點，但也存在操作繁瑣、對試驗空間要求較高等缺點，且經過處理后的試件無法繼續用于腐蝕研究。

失重法的主要研究成果如下：

提出廈門試驗站的Q235碳鋼在海水全浸區腐蝕數據滿足規律：

Vcorr=0.1986 t-0.396

（置信度R=0.993）

式中：vcorr為腐蝕速率，mm/a；t為暴露時間，a。

提出不同碳鋼掛片在海水全浸區腐蝕數據滿足Schumacher經驗公式：

D=A+k（t-1）       t≥1

擬合結果如下：

青島：D=0.190+0.110（t-1），置信度（R=0.999）

舟山：D=0.214+0.125（t-1），置信度（R=0.999）

廈門：D=0.207+0.067（t-1），置信度（R=0.994）

湛江：D=0.113+0.127（t-1），置信度（R=0.996）

榆林：D=0.136+0.050（t-1），置信度（R=0.997）

式中：D為碳鋼的平均腐蝕深度，mm；t為暴露時間，a；A為碳鋼在海水中暴露第1年的平均腐蝕深度，mm；k為碳鋼在海水中暴露的穩定腐蝕速率，mm/a。

利用數學方法對Schumacher經驗公式進行改進，得出帶有環境腐蝕系數、更符合實際腐蝕環境且預測精度更高的碳鋼腐蝕深度公式：

y=b·t+b·Ф[1-exp（-t）]

Ф=（b0-b）/b

式中：y為腐蝕深度，mm；t為腐蝕時間，a；Ф為環境腐蝕系數；b0為腐蝕初期的腐蝕速率，mm/a；b為腐蝕恒定后的腐蝕速率，mm/a。

提出基于現場船用碳鋼腐蝕數據建立腐蝕劣化模型，以及對船用碳鋼長期腐蝕數據的預測方法。

Q235、Q345碳鋼在3.5%NaCl溶液模擬的海水全浸區中的腐蝕速率隨溶液攪拌速率的提高明顯增大，較溶液溫度變化影響更加顯著。

A3碳鋼在模擬海水全浸區中的腐蝕速率受流體流動影響，表現為先降低后升高：

在4天時達到最低，16天時基本達到穩定。

表面覆蓋銹層的Q235碳鋼在3%NaCl溶液模擬的海水全浸區中的腐蝕速率會進一步增大，且受限于溶液中氧的極限擴散速率。

在25℃，3.5%NaCl溶液模擬的海水全浸區中：

腐蝕初期Q235碳鋼的腐蝕速率為0.135mm/a，穩定后的腐蝕速率為0.04mm/a。

在海水全浸區碳鋼4年內的平均腐蝕率逐年下降，隨著生物附著和銹層的穩定，變化幅度逐漸降低。

電化學法無需破壞試件表面的腐蝕積累，并且可實現原位檢測和實時采集碳鋼在海水全浸區連續動態的腐蝕數據，但是對于表面存在較為嚴重銹層的試件，電化學測試結果會產生一定測量誤差，因此在應用電化學技術時應當充分考慮銹層影響。

電化學法的主要研究成果如下：

通過在試驗站進行腐蝕試驗，在海水全浸區Q235碳鋼4年內的平均腐蝕速率為0.14mm/a。 

在模擬全浸區中溫度升高30℃，A3碳鋼的腐蝕速率約增大一倍，在淡水中其受溫度的影響較小。

碳鋼在模擬全浸區中的腐蝕電流與模擬海水流動速率和溫度呈正相關。

基于試驗測得腐蝕數據的分析，提出在5~35℃、氧平衡態以及非平衡態情況下，A3碳鋼在海水全浸區腐蝕速率的測量模型，模型預測數據與實測數據對比精度較好，可快速評價不同區域海水的腐蝕性。

在海水全浸區不同種類碳鋼的腐蝕電位隨腐蝕時間推移不斷減小，并且均在10天內下降到最負電位，隨后逐漸趨向穩定。

Q235碳鋼在海水全浸區中受表面銹層的影響，極化電阻發生變化，進而影響腐蝕速率。

數值分析

神經網絡算法和灰關聯分析算法等是基于計算機的數值分析方法，對建立碳鋼長期腐蝕速率模型并進行腐蝕速率預測具有獨特的優越性。通過數值分析，能夠對輸入數據與輸出數據之間存在的某種復雜關系進行學習，并且可以在無特定方程的情況下對問題進行分析，準確建立碳鋼腐蝕速率、化學組分和多個環境影響因素之間的非線性模型，從而更有效解決腐蝕問題，這些方法已廣泛應用于不同工程領域。

采用各種數值分析方法在海水全浸區碳鋼腐蝕的研究中所取得的主要研究成果如下：

神經網絡算法

建立A3碳鋼在海水全浸區腐蝕速率的神經網絡預測模型（相對誤差小于20%） 

建立碳鋼在海水全浸區腐蝕速率與環境影響因素和材料成分之間的神經網絡預測模型（平均誤差為6.91%）

建立Q235碳鋼在海水全浸區腐蝕速率的神經網絡模型（相對誤差為0.59%）

灰關聯分析

建立A3碳鋼在海水全浸區腐蝕速率的灰色GM（1,1）模型（誤差小于10%） 

建立A3碳鋼在海水全浸區腐蝕速率的灰色GM（1,5）和GM（1,6）模型（平均誤差為6.44%）

建立Q235碳鋼在海水全浸區腐蝕速率的灰色GM（1,1）模型（平均誤差為6.77%） 

組合算法

提出支持向量機（SVM）結合神經網絡算法對Q235碳鋼在海水全浸區腐蝕速率預測模型（平均誤差7.23%） 

結合灰色預測模型與神經網絡模型，建立不同碳鋼在海水全浸區的腐蝕速率預測模型（最大誤差為7%） 

提出灰關聯分析與神經網絡算法結合對A3碳鋼在海水全浸區腐蝕速率建立預測模型（平均誤差1.526%） 

交替條件期望算法

提出基于交替條件期望（ACE）算法的碳鋼腐蝕速率新預測模型，該方法較反向傳播神經網絡（BPNN）和支持向量回歸（SVR）方法更準確（平均誤差為2.4%）

3碳鋼在海水全浸區腐蝕影響因素

通過上述已有研究可以發現，碳鋼在海水全浸區的腐蝕受多種環境因素交互影響。通過對不同地理位置的海水組分進行采集研究發現：不同海域的海水組分差異較大，即便是同一海域的海水，在不同深度其各項環境指標也會發生變化。碳鋼腐蝕速率主要受海水的溫度、pH、含鹽量、溶解氧含量、流速和生物因素6個方面的影響。

1溫度變化會對海水溶解氧能力、pH以及微生物的繁殖能力等帶來影響。另外，溫度變化對碳鋼腐蝕機理影響非常復雜，腐蝕速率與溫度呈現出非線性變化關系。

2海水表面的pH穩定在8.2左右，近似中性。海水的pH反映了海水中的主要離子與大氣環境中CO2間的平衡關系，隨著海水pH的升高，碳鋼表面形成鈣沉積層的可能性也增大，從而使碳鋼的腐蝕速率降低。

3絕大多數鹽類都會參與碳鋼的腐蝕進程，準確測定海洋環境中鹽種類及其含量是預測碳鋼腐蝕速率的關鍵。另外，含鹽量的高低會影響海水中的溶解氧含量，隨著海水中含鹽量的提高，碳鋼的腐蝕速率呈現出先增大后減小的趨勢。同時，氯離子含量升高，還會進一步抑制碳鋼微生物腐蝕。

4海水中溶解氧含量是決定碳鋼腐蝕速率的重要因素，主要受海水流動速率、溫度和對應海域氧的擴散系數影響。隨著溶解氧含量的增加，碳鋼的腐蝕速率一般呈增大趨勢。傅曉蕾等研究發現，溶解氧含量升高會導致船體用碳鋼腐蝕電位升高，耐蝕性變弱，腐蝕速率呈增大趨勢。

5海水的流動會在一定程度上加速氧的溶解，并且沖刷附著在碳鋼表面的腐蝕產物和海洋生物。FERRY等通過試驗研究發現，碳鋼自身的極化電阻一般隨海水流速增大而減小，碳鋼在全浸區的腐蝕速率一般隨海水流速的增大而增大，在某一臨界流速范圍內碳鋼的腐蝕速率近似不變，當高于此臨界流速后碳鋼腐蝕速率會繼續增大。

6海洋生物會附著在碳鋼表面形成一層生物膜，膜內微生物的活性控制著碳鋼電化學腐蝕速率和類型，同時一定程度上阻止碳鋼與氧氣和海水的直接接觸，對碳鋼在海水全浸區腐蝕速率產生影響。

4結語

目前，神經網絡算法、遺傳算法、灰關聯分析等分析方法已被廣泛應用到碳鋼在海水全浸區中長期腐蝕研究中。碳鋼在海水全浸區的腐蝕是一個非常復雜的過程，其腐蝕速率受到諸多因素影響，且各因素間具有一定的相關性，需要進行更加深入的研究。

1碳鋼在模擬海水與自然海水環境中的腐蝕規律相似性和腐蝕環境相似性問題需要進一步論證和研究，從而利用碳鋼在模擬海水環境中的腐蝕規律更準確、有效地預測其在自然海水環境中的腐蝕。

2當受到生物因素與其他因素的耦合作用時，碳鋼的腐蝕非常復雜，并且在不同海洋環境中海洋生物種類一般不同，深入研究生物因素與其他因素耦合作用下碳鋼的腐蝕規律，對有效預測碳鋼在海水全浸區長期腐蝕而言意義重大。