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1. 背景

隨(sui)著地(di)球變暖(nuan)的發展(zhan)，北(bei)極(ji)海(hai)的接近性有所提高，北(bei)極(ji)地(di)區(qu)內埋(mai)藏(zang)的奧家投資持續增(zeng)加(jia)。因此，在北(bei)極(ji)地(di)區(qu)的殘(can)酷環(huan)境(jing)中(zhong)，要(yao)求長期維持和(he)運用極(ji)地(di)海(hai)洋平臺的正確設(she)計技(ji)術。在材料(liao)角度(du)上最(zui)優先考(kao)慮的是，在低溫環(huan)境(jing)中(zhong)的鋼材的脆性，該鋼材需要(yao)在設(she)計溫度(du)下滿足充分的韌(ren)性。

因此，國(guo)內(nei)外許多(duo)研(yan)究機(ji)構評估了在(zai)極(ji)地(di)環境條件下(xia)鋼(gang)材的(de)機(ji)械特(te)性，但目前(qian)還缺乏低(di)溫鋼(gang)材腐(fu)(fu)蝕特(te)性的(de)相關信息。特(te)別(bie)是，在(zai)考慮(lv)到海(hai)洋平臺(tai)在(zai)運用期間很(hen)難進行更換或(huo)加固，初期要制定(ding)正確的(de)防止腐(fu)(fu)蝕的(de)設計。

通(tong)常在低(di)溫(wen)(wen)環境中的腐蝕現象(xiang)，雖(sui)然溶解氧(yang)量(liang)在低(di)溫(wen)(wen)中會(hui)增加，但在海水或大氣層(ceng)都(dou)會(hui)減少(shao)。

另外，極地海洋平臺中，由低的(de)大氣(qi)溫度(du)(du)和高風速形成(cheng)的(de)表(biao)(biao)面(mian)著冰現(xian)象，會阻礙(ai)金屬(shu)表(biao)(biao)面(mian)的(de)氧(yang)氣(qi)及水分(fen)的(de)傳達，從而降(jiang)低腐(fu)蝕(shi)速度(du)(du)。但是(shi)部(bu)分(fen)研(yan)究(jiu)表(biao)(biao)明，表(biao)(biao)面(mian)內鹽分(fen)層(ceng)的(de)吸附，導致結冰延遲，在-5℃條件下也(ye)會出現(xian)腐(fu)蝕(shi)。部(bu)分(fen)研(yan)究(jiu)表(biao)(biao)明，在著冰層(ceng)內也(ye)存在電化學(xue)腐(fu)蝕(shi)的(de)現(xian)象。

另外(wai)，在(zai)極(ji)地(di)地(di)區平均降(jiang)水量(liang)低，不(bu)能(neng)實現(xian)鹽分的(de)自(zi)然洗滌，具(ju)有(you)持續腐蝕的(de)特性。而且，在(zai)飛沫帶區域中，由于(yu)波浪和冬(dong)夏季(ji)之(zhi)間著冰-海冰循環形成(cheng)反復干濕，會造成(cheng)嚴重的(de)腐蝕現(xian)象。另外(wai)，由于(yu)極(ji)地(di)地(di)區頻繁的(de)移動性低氣壓，會對(dui)氣象不(bu)規律性，海洋結構(gou)的(de)鋼材造成(cheng)很(hen)大的(de)負(fu)擔。

因此，要為極地海洋結(jie)構(gou)(gou)的(de)(de)安全設計，制定(ding)有(you)關(guan)安裝、運用環境的(de)(de)調查，制定(ding)適當的(de)(de)腐蝕管理方案。但是(shi)(shi)應(ying)對東夏季反復的(de)(de)結(jie)冰—解凍(dong)，設計正確(que)的(de)(de)電氣系(xi)統(tong)是(shi)(shi)很(hen)難的(de)(de)技(ji)術，保護圖章是(shi)(shi)低溫(wen)的(de)(de)取成化(hua)、冰沖擊的(de)(de)磨損和淘汰、溫(wen)度變化(hua)的(de)(de)熱(re)膨脹(zhang)等，很(hen)難維(wei)持(chi)長期內構(gou)(gou)成。

因此(ci)，在(zai)進行極地海(hai)洋(yang)平臺的腐蝕設計時，需要事先了解鋼材本(ben)身的腐蝕性。本(ben)研究中，要在(zai)低溫(wen)環境中確認極地海(hai)洋(yang)平臺鋼材的腐蝕特性，分(fen)析(xi)主(zhu)要腐蝕因素。

2. 試驗方法

本次研究中，利用(yong)極地海洋平臺設備(bei)用(yong)的高強度(du)結構用(yong)鋼材(cai)(cai)2種（屈服強度(du)460 MPa，厚度(du)100毫米，TMCP鋼），對母材(cai)(cai)及焊接部位（FCAW，SAW），進行了下列表格中的浸(jin)漬腐蝕(shi)試驗，電化(hua)學腐蝕(shi)試驗，中性鹽水噴霧試驗（SST），復(fu)合(he)加速腐蝕(shi)試驗（CCT），并(bing)根據材(cai)(cai)料(liao)的焊接條(tiao)件不同(tong)對腐蝕(shi)速度(du)和耐蝕(shi)性進行比較分析。

有關腐蝕試(shi)(shi)驗(yan)條件是以國際試(shi)(shi)驗(yan)標準為(wei)基礎，根據極地海洋設備(bei)的(de)(de)淹沒區（submerged zone）及飛濺區（splash zone）的(de)(de)環境條件進行決定。對于(yu)焊接試(shi)(shi)板，包含FZ-HAZ-PM，在厚度方向(xiang)1/4點處進行試(shi)(shi)板的(de)(de)取樣及加(jia)工。

表(biao)1. 腐(fu)蝕(shi)試驗項目，實驗條件及適用標準

3. 試(shi)驗結果

圖1. 2種極地海洋平臺設備用的鋼材（Sample A, B）進行(xing)浸漬腐(fu)蝕試(shi)驗，電化(hua)學腐(fu)蝕試(shi)驗的結果數據

為了在極(ji)地(di)海洋設備的(de)淹沒(mei)區環境下(xia)評價鋼材腐(fu)蝕(shi)影響性，進(jin)行了浸漬試驗和電化學腐(fu)蝕(shi)試驗。特別(bie)是與母材及焊(han)接材料之間的(de)腐(fu)蝕(shi)差距相比較，隨著海水溫度的(de)降低，想觀察(cha)鋼材的(de)腐(fu)蝕(shi)變(bian)化。

圖1顯示了利用2種鋼材(cai)(cai)及焊(han)接材(cai)(cai)料的(de)浸漬和(he)電化(hua)學腐蝕(shi)試(shi)驗結(jie)果。在(zai)浸漬試(shi)驗（封(feng)閉條件）中(zhong)，腐蝕(shi)速度(du)都在(zai)0.035mm/yr以(yi)下，還算良(liang)好，母材(cai)(cai)和(he)焊(han)接材(cai)(cai)料之間腐蝕(shi)速度(du)的(de)差距較少。

試(shi)驗結果顯示，海(hai)(hai)水溫度(du)(du)越低，腐(fu)蝕(shi)(shi)速(su)度(du)(du)就(jiu)會下降。但是(shi)電化學(xue)分極試(shi)驗中沒有出現因(yin)海(hai)(hai)水溫度(du)(du)而腐(fu)蝕(shi)(shi)速(su)度(du)(du)減少的傾向性。這是(shi)溶解氧量的影響。據推測，海(hai)(hai)水溫度(du)(du)較低的條件下，溶解氧量較高，可(ke)(ke)維(wei)持(chi)腐(fu)蝕(shi)(shi)速(su)度(du)(du)。這與流(liu)(liu)速(su)也(ye)有關，如果流(liu)(liu)速(su)高的話，可(ke)(ke)以迅速(su)供(gong)應海(hai)(hai)水能反應的氧氣，腐(fu)蝕(shi)(shi)速(su)度(du)(du)就(jiu)會提高。因(yin)此，在存在一定流(liu)(liu)速(su)的實際極地(di)(di)海(hai)(hai)水環境中，應考(kao)慮到極地(di)(di)水中結構(gou)物(wu)的腐(fu)蝕(shi)(shi)性與溫帶(dai)(dai)及亞(ya)熱帶(dai)(dai)地(di)(di)區海(hai)(hai)洋結構(gou)相比(bi)，腐(fu)蝕(shi)(shi)速(su)度(du)(du)不會特別下降。

圖1. 2種極地海洋(yang)平臺設備用(yong)的鋼材(cai)（Sample A, B）進(jin)行(xing)中性鹽(yan)水噴霧(wu)試驗，復合加速腐蝕試驗的結果數據

圖2中顯示了對兩(liang)種(zhong)鋼材(cai)的(de)SST及CCT的(de)試驗結果。該實驗是模擬海洋結構(gou)物內的(de)飛濺區，確認鋼材(cai)暴(bao)露(lu)在鹽(yan)水中，重復干濕現象條件(jian)下的(de)腐蝕變(bian)化。

試驗結果顯(xian)示，在(zai)反復濕潤/干燥/溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)的(de)(de)條件下(xia)(xia)，確認了(le)(le)發生很(hen)多腐(fu)蝕。尤其是(shi)樣品A鋼材(cai)的(de)(de)情(qing)況，確認了(le)(le)根(gen)據母(mu)材(cai)和焊(han)(han)接(jie)材(cai)料(liao)都(dou)在(zai)-40℃的(de)(de)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)下(xia)(xia)，發生快(kuai)速腐(fu)蝕。焊(han)(han)接(jie)材(cai)料(liao)的(de)(de)情(qing)況是(shi)，與母(mu)材(cai)相(xiang)比(bi)腐(fu)蝕進行得更好，部(bu)分試板（樣品A）觀察(cha)到了(le)(le)母(mu)材(cai)部(bu)位(wei)的(de)(de)腐(fu)蝕性(xing)發生逆(ni)轉現(xian)象。該現(xian)象是(shi)根(gen)據與母(mu)材(cai)的(de)(de)焊(han)(han)接(jie)部(bu)位(wei)相(xiang)比(bi)，具有相(xiang)對較(jiao)高的(de)(de)熱膨脹率導致的(de)(de)。

4. 考(kao)察(cha)

鋼材的(de)腐蝕性(xing)(xing)是根據暴露環境中多(duo)種(zhong)因素(su)決定的(de)，在極地海洋平臺的(de)情況下，溫(wen)度變化(hua)(hua)(hua)(hua)、干濕條件(jian)、鹽分(fen)(fen)殘留(liu)、結(jie)冰(bing)-解(jie)凍、溶(rong)解(jie)氧量(liang)等多(duo)種(zhong)形式進行腐蝕。另外(wai)，鋼材內部的(de)熱膨脹(zhang)變化(hua)(hua)(hua)(hua)、金(jin)(jin)相組織變化(hua)(hua)(hua)(hua)、化(hua)(hua)(hua)(hua)學(xue)成分(fen)(fen)等因素(su)會出現不同(tong)程度的(de)腐蝕性(xing)(xing)。因此，首先要分(fen)(fen)析(xi)有(you)關環境及鋼材的(de)化(hua)(hua)(hua)(hua)學(xue)成分(fen)(fen)、金(jin)(jin)相結(jie)構的(de)復(fu)合關系(xi)。

5. 結(jie)論(lun)

本次(ci)研究中，對兩種(zhong)極地(di)海洋平(ping)臺用鋼材(cai)，通過浸(jin)漬腐蝕(shi)試(shi)驗，電(dian)化學腐蝕(shi)試(shi)驗，中性(xing)鹽(yan)水噴霧試(shi)驗（SST），復(fu)合加速腐蝕(shi)試(shi)驗（CCT）確認了母材(cai)及(ji)焊接材(cai)料的(de)腐蝕(shi)性(xing)。主要(yao)結果如下。

（1） 極地試驗結果，在低(di)溫(wen)海(hai)水環境中腐(fu)(fu)蝕(shi)性不會明顯減少。溶(rong)解氧量充足時，低(di)溫(wen)中的腐(fu)(fu)蝕(shi)性不會特別(bie)減少。

（2）在飛濺區發生相當多的(de)腐蝕。一般與母(mu)材相比，焊接部的(de)腐蝕會(hui)進行得更好，但(dan)由于冬季(ji)夏(xia)季(ji)溫度(du)變化而存(cun)在一定的(de)熱(re)脹率差(cha)距時，母(mu)材部的(de)腐蝕性會(hui)加(jia)快。

極地海洋設備設立后，考慮到結構鋼材的更(geng)換和修理比(bi)較困(kun)難，需要(yao)進行正確(que)的腐(fu)蝕管理設計(ji)。因此，需要(yao)調查使用環境(jing)條件（溫度變化、流速、降水量、結冰(bing)/解凍(dong)程度等），準(zhun)確(que)計(ji)算出(chu)腐(fu)蝕速度。

6. 期待(dai)效果

本次研究是為了確保極地(di)海洋結(jie)構長期的(de)耐久性(xing)和(he)安全性(xing)，從腐蝕性(xing)觀點上提出重(zhong)要檢查(cha)要素，通過腐蝕試驗(yan)數據分析并(bing)制定(ding)合適的(de)KR船(chuan)級社(she)規范。

7. 參(can)考文獻

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