登 记 号：2007401089

研究起止 2004年01月—

年限：2007年12月

计划来源：国家计划

推荐部门：中国科学院海洋
研究所

联系单位：中国科学院海洋
研究所

地址：青岛市南海路7号

邮编：266071

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本成果由三部分组成：1. 热浸镀钢材的海水腐蚀机制研究；2. 热浸镀钢材在海洋环境中的氢渗透行为和脆性研究；3. 热浸镀钢材的缓蚀及量化构效关系研究。

该成果系统地开展了热浸镀锌、锌-5％铝-稀土、锌-55％铝-1.6％硅合金镀层在青岛海域不同海水区带的腐蚀行为对比研究，并利用实海腐蚀测试、电化学测试、显微结构分析等手段研究了镀层在海水全浸区、潮差区和飞溅区中腐蚀机制的一致性和差异性，表征了热浸镀钢材的腐蚀特性和保持一年防护性能所需的镀层最小厚度值，改变了热浸镀锌-5％铝-稀土、锌-55％铝-1.6％硅合金镀层的海水腐蚀数据长期处于空白的状况，为重大工程项目在海水环境中的合理设计、选材和可行性论证提供了宝贵的基础数据和科学依据；从牺牲阳极保护作用的角度出发，首次定量评价了九种典型热浸镀层在海水中的恒电流电化学性能；探讨了镀层组织结构与其海水腐蚀行为之间的相关性，并由此提出了热浸镀钢材腐蚀的扩散控制机理和孔蚀的闭塞腐蚀电池机理，对热浸镀层的研究和应用有重要的参考价值。根据镀层体系的固有特征，申请者有针对性地建立了一种电化学研究方法--多周期交替循环的“极化－弛豫－交流阻抗谱测量”方法，利用该方法可以研究和解析热浸镀层在海水中腐蚀不同阶段时，电化学阻抗的频谱特征和腐蚀电化学参数的变化，判断镀层腐蚀各阶段的控制步骤，进而推断镀层海水腐蚀的动力学机制和腐蚀行为。

针对镀层阴极保护引发的氢渗透和脆性问题(Sacrificial Coating Assisted Hydrogen Embrittlement，SCAHE)，该成果首先采用边界元方法进行数值计算并通过实测证实，热浸镀锌、锌-5％铝-稀土、锌-55％铝-1.6％硅合金镀层表面存在缺陷、破损时，钢材基体将因析氢反应而析出氢原子。随后，根据Devanathan- Stachurski双面电解池原理，设计、制作了一套适合研究热浸镀钢材氢渗透行为的子母配套双电解池，研究了这三种镀层钢材在海水中的氢渗透行为，发现：在同等充氢条件下，热镀锌镀层氢渗透抑制能力较弱，镀层存在缺陷时能显著提高氢渗透电流密度，源于镀层对钢材基体的阴极保护产生了额外的氢；锌-5％铝-稀土合金镀层完好时能明显抑制外部氢的进入，存在缺陷时也能产生额外的氢，造成氢渗透电流密度升高；锌-55％铝-1.6％硅合金镀层具有很强的氢渗透抑制能力，而且当其存在缺陷时基本没有自渗氢的行为。然后，在Dissociative Chemisorption Permeation模型和I-P-Z模型的基础上，建立了适合于评价缺陷镀层氢渗透行为的TANG-LI模型，并结合三种镀层在海水中的氢渗透曲线，分别计算出了控制氢渗透及相应反应过程的动力学参数，为热浸镀高强钢在敏感介质中的氢渗透和脆性研究奠定了理论基础。可以预见，该项研究成果不仅在理论上对于弄清拉应力联合氢在热浸镀钢材环境敏感断裂中所起的作用和作用机理有重要意义，而且在实践上对于指导镀层在海洋环境中的具体应用、发展海洋工程设施氢脆危险性监测技术和寿命预测也有重要作用。

开展了用于取代铬酸盐进行热浸镀钢材清洗的新型环境友好缓蚀剂研究。量子化学计算表明烟酸、吖啶和黄连素提取物等物质具有多个吸附活性中心的平面结构，可能以平面方式在镀层材料表面形成一层吸附膜；Mulliken 电荷以及HOMO/LUMO轨道分布主要几种在氧原子、氮原子以及苯环的周围；氧原子和氮原子带有大量的负电荷，会加强缓蚀剂分子在金属表面的吸附。采用失重腐蚀测试和电化学测试验证了上述量化计算结果的正确性，结果表明这类物质在盐酸介质中对GI、GF和GL镀层钢材是非常理想的缓蚀剂，且缓蚀效率（IE%）随着这类缓蚀剂浓度的提高而增加。这类缓蚀剂的缓蚀行为是通过其活性中心吸附在金属表面以阻止金属的腐蚀行为，吸附的分子通过单分子层化学吸附方式吸附在镀层材料表面，并符合Langmuir 吸附等温式。据此先后筛选出一系列环境友好型酸洗缓蚀、清洗剂，并申请了国家发明专利。这类缓蚀、清洗剂具有无毒、高效、抑菌的特点，适用于与食品加工和饮用水系统等安全要求很高的场合，也可广泛应用于目前的热浸镀彩瓦厂、钢结构厂涂装前处理生产线上。目前，已有中原油田等单位表示希望能在油田的注采系统中采用黄连提取物缓蚀剂。