鉭精礦測試實(shí)驗(yàn)室

大橋被腐蝕的現(xiàn)狀

我們常用鋼鐵般的意志來形容一個(gè)人堅(jiān)強(qiáng)無畏、無堅(jiān)不摧。但實(shí)際上，鋼鐵也會(huì)受到“威脅”，而這種威脅就是腐蝕。在日常生活中，人們經(jīng)常可以看到被腐蝕的設(shè)施或者工具，比如生銹的管道。

然而，鮮為人知的是，在腐蝕之初，卻很難被人們察覺。“腐蝕本身從微觀而起，如果沒有得到及時(shí)糾正，就會(huì)由微觀轉(zhuǎn)向宏觀。”中國科學(xué)院金屬研究所博士譚季波告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者。

從角度講，腐蝕是材料與周圍環(huán)境（介質(zhì)）之間相互作用，而引起的材料的破壞或變質(zhì)，腐蝕讓材料回到熱力學(xué)穩(wěn)定的狀態(tài)，是金屬冶煉的逆過程。如果不及時(shí)處理，腐蝕所帶來的不僅是金屬外觀的變化，而且會(huì)形成隱患，甚至?xí)劤纱蟮湣?/p>

腐蝕無處不在

時(shí)光退回到2013年11月22日凌晨3點(diǎn)，中石化輸油儲(chǔ)運(yùn)公司濰坊分公司輸油管線由于腐蝕引起破裂泄漏，進(jìn)而在黃島區(qū)沿海河路和齋堂島路交匯處發(fā)生爆燃，共造成62人死亡、136人受傷，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)7.5億元。

除了油氣輸送管道面臨腐蝕威脅，核電站、高鐵、橋梁等設(shè)施上也都曾經(jīng)因?yàn)楦g出現(xiàn)過事故。

位于美國舊金山的San Mateo-Hayward跨海大橋，處于浪濺區(qū)的預(yù)制橫梁因鋼筋銹蝕產(chǎn)生破壞，使用不到20年就必須耗巨資進(jìn)行修補(bǔ)。“我國在役的許多海洋橋梁、碼頭在建設(shè)初期未能進(jìn)行腐蝕全面控制，投運(yùn)3～15年之后，一般都會(huì)發(fā)生鋼筋銹蝕、混凝土沿筋開裂，有的甚至?xí)崆斑M(jìn)入劣化期，導(dǎo)致計(jì)算簡圖徹底改變，結(jié)構(gòu)的承載力喪失。”中科院金屬研究所副研究員魏英華表示，對于嚴(yán)重腐蝕的結(jié)構(gòu)，目前尚無成熟的修復(fù)技術(shù)，即使投入大量資金，其結(jié)果也只是阻止加速腐蝕進(jìn)程，但橋梁必須降級使用。

如果腐蝕發(fā)生在核電站，則更加危險(xiǎn)。位于美國俄亥俄州的戴維斯—貝斯核電站曾經(jīng)在2002年因?yàn)閲?yán)重的腐蝕而被迫關(guān)閉長達(dá)兩年之久。

除了工程中容易出現(xiàn)腐蝕，日常生活中，腐蝕也無處不在。比如金屬物品“聚會(huì)”的廚房，廚具一旦發(fā)生腐蝕，不僅折損使用壽命，而且腐蝕產(chǎn)生的重金屬離子會(huì)影響人們的健康。

在戶外，腐蝕產(chǎn)生的重金屬離子污染土壤、植物和水。例如，戶外雕塑、銅屋頂?shù)纫蚋g產(chǎn)生銅、鉛等離子，都會(huì)通過雨雪沖蝕到土壤中。有調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在瑞典的斯德哥爾摩，每年屋頂釋放的銅就有1.4g/m2。在美國、德國、日本、印度、中國等都有在水中檢測出重金屬離子的證據(jù)。

當(dāng)然，腐蝕并不完全是壞事。

2009年，一種可降解的鎂合金心血管支架問世，它與普通的金屬支架不同，后者一般會(huì)長期存留于血管壁內(nèi)，不利于病變血管的晚期重構(gòu)，但鎂合金心血管支架卻可以在體內(nèi)被腐蝕降解。科學(xué)家們還在它的外層，制備了攜帶藥物的可降解聚合物涂層，其在血管病變部位緩慢釋放抑制內(nèi)膜增生的雷帕霉素藥物，達(dá)到同步治療作用。

偷走GDP的“賊”

盡管腐蝕可以利用，但是大部分腐蝕帶給人類的都不是利好的消息，甚至當(dāng)我們振臂高呼GDP連續(xù)上升之時(shí)，腐蝕已經(jīng)從中“偷走”了我們的勞動(dòng)成果。

去年6月1日，中國腐蝕狀況及控制戰(zhàn)略研究重大咨詢項(xiàng)目組在北京發(fā)布階段性研究成果：2014年中國腐蝕總成本超過2萬億元，約占當(dāng)年國內(nèi)生產(chǎn)總值的3.34%，相當(dāng)于每個(gè)中國人當(dāng)年承擔(dān)1555元的腐蝕成本。

中科院沈陽分院院長、中科院金屬所研究員韓恩厚曾經(jīng)在一次報(bào)告中提到，我國的腐蝕問題，44%集中在高速公路、橋梁、建筑等基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，石油化工領(lǐng)域則占22%，其他則是交通運(yùn)輸、能源和機(jī)械行業(yè)。

然而，長期以來人們對腐蝕的重視程度不夠。“對于腐蝕，我們做到事前防控，才能限度地減少損失。”譚季波說道。

防腐才是重中之重

為了讓人們重視腐蝕帶來的危害，腐蝕組織（WCO）于2009年確定每年的4月24日為“腐蝕日”。在今年腐蝕日，韓恩厚特意強(qiáng)調(diào)，腐蝕造成環(huán)境污染，直接威脅人們的生活質(zhì)量；腐蝕導(dǎo)致災(zāi)難性事故，直接威脅人們的安全；腐蝕不斷損害和威脅著中華民族留下的無數(shù)文物瑰寶。他表示，期望通過科普、研究與技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)降低損失、降低資源消耗、降低污染30%的目標(biāo)，同時(shí)腐蝕也可以有效利用，服務(wù)于人類。

中科院金屬研究所在腐蝕與防護(hù)工作上就作出了自己的成績，針對我國具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)百萬千瓦級壓水堆（PWR）核電技術(shù)“華龍一號”“CAP1400”，開展了相應(yīng)結(jié)構(gòu)材料的高溫高壓水腐蝕基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累；探索了通過改善核電站一回路水化學(xué)條件，控制核電結(jié)構(gòu)材料腐蝕的方法。

“現(xiàn)在的核電站關(guān)鍵部件幾乎都在使用以鎳基合金、不銹鋼、低合金鋼、鋯合金為主要的結(jié)構(gòu)材料。”譚季波介紹說，較之前使用的蒸汽發(fā)生器用600合金傳熱管、目前使用的690合金傳熱管在高溫高壓水環(huán)境中更能保持穩(wěn)定狀態(tài)，具有應(yīng)用前景的800合金傳熱管的高溫高壓水腐蝕性能也正在評價(jià)中。

一般來說，腐蝕包括均勻腐蝕、點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞等。均勻腐蝕也叫全面腐蝕，腐蝕分布整個(gè)金屬材料表面；點(diǎn)蝕則是指在金屬表面局部出現(xiàn)縱深發(fā)展的腐蝕小坑，其余區(qū)域不腐蝕或發(fā)生輕微腐蝕。

“點(diǎn)蝕坑的形成，會(huì)導(dǎo)致材料表面發(fā)生應(yīng)力集中，一般點(diǎn)蝕是應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞裂紋的優(yōu)先萌生位置，可能對核電關(guān)鍵設(shè)備造成嚴(yán)重的腐蝕損傷。”譚季波解釋道，應(yīng)力腐蝕是指敏感材料在腐蝕環(huán)境中，在恒定應(yīng)力的作用下發(fā)生失效的現(xiàn)象。由于應(yīng)力腐蝕萌生一直難以預(yù)測、應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率快，可能導(dǎo)致核電關(guān)鍵設(shè)備瞬間失效斷裂，產(chǎn)生災(zāi)難性后果。

那么，如何預(yù)測材料應(yīng)力腐蝕裂紋萌生壽命呢？面對這個(gè)全的難題，譚季波表示，無法預(yù)測核電站關(guān)鍵設(shè)備、部件何時(shí)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂，因此無法建議核電站針對此進(jìn)行保養(yǎng)。

“一般來說，核電站會(huì)遵循相關(guān)規(guī)定，定期停堆進(jìn)行維修、保養(yǎng)；但也可能在正常運(yùn)行過程中，由于核電結(jié)構(gòu)材料腐蝕開裂而被迫停堆；停堆，對核電站造成的經(jīng)濟(jì)損失大約為1000萬元。”譚季波說。

鑒于此，研究人員建議，要做到事前防控，才能限度地減少損失。技術(shù)人員要診斷出腐蝕發(fā)生的“病因”。企業(yè)要在生產(chǎn)過程中規(guī)范防腐蝕設(shè)計(jì)、合理選擇耐蝕材料和防腐蝕方法，才能程度地減少腐蝕帶來的損失或腐蝕事故。當(dāng)然，在日常生活中，如果人們要是具備腐蝕相關(guān)知識(shí)，就能顯著降低腐蝕帶來的損失，同時(shí)也會(huì)明顯減少重金屬離子的攝入，對健康有利。

《中國科學(xué)報(bào)》 (2017-05-12 第3版 科普)

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