Q355海工钢广泛应用于各类海工装备结构件，通常其表面采用涂层防护处理，以保证力学性能的同时提升装备的耐腐蚀性能。然而，海洋环境严苛，紫外暴晒、高盐高湿、干湿交替的腐蚀环境将造成涂层老化失效，导致裸露的Q355钢材加速腐蚀损伤，使海洋资源开发装置出现结构性破坏，甚至出现不可估量的生命财产损失。国内外已有大量文献研究不同海洋环境腐蚀影响因素对碳钢腐蚀行为的影响及作用机制[1~8]。不同环境因子诱导碳钢大气腐蚀，通过改变锈层组成成分、结构，进而影响大气腐蚀速率。如Song和Chen[9]研究紫外辐射对Q235碳钢在大气腐蚀过程中腐蚀机制的影响，研究表明紫外光照通过光电效应促进碳钢中阳极金属溶解反应进而加速碳钢的大气腐蚀，并且伴随着促进锈层中稳定产物α-FeOOH转变；Ma等[10]研究不同氯化物浓度下低碳钢腐蚀变化，结果表明，高氯环境下Cl-能快速在碳钢基体上造成点蚀等局部腐蚀，促进阳极反应，加速大气腐蚀过程，促进大量锈层不稳定组分β-FeOOH的生成；Chu等[11]模拟沿海环境下Q420B钢的腐蚀行为时证实，干湿交替过程促进碳钢阴极反应，加快大气腐蚀，并且锈层γ-FeOOH含量增多。
相比单一环境因素，多环境因素可协同促进碳钢的腐蚀阴/阳极反应和锈层成分结构变化。如Liu等[12]研究温度和紫外线辐射对碳钢在海洋大气环境下的腐蚀行为，研究表明升高温度促使碳钢在紫外光照作用下的阴极反应加速，同时能加速水分子布朗运动，加快液滴和水膜在碳钢表面和锈层扩散，加大碳钢润湿时间，加速腐蚀。万晔等[13]研究海洋大气环境因素影响下碳钢腐蚀特征变化，结果表明，高盐环境下Cl-能轻易击穿碳钢表面因紫外光照形成的氧化膜，从而进入基体促进阳极反应，减缓大气腐蚀速率。刘广鑫[14]研究不同Cl-浓度下干湿交替对X100碳钢腐蚀行为的影响，结果表明，高浓度Cl-使干湿环境下的X100碳钢腐蚀反应从阴极反应为主导变为阴阳极交替为主导，同时促进锈层稳定组分α-FeOOH转变成不稳定组分β-FeOOH，并且锈层空隙变大。
然而海洋洋流是一种不可忽略的海洋环境因素，海水流动促进腐蚀进程且海水冲击和氯盐沙粒形成的冲刷载荷会对碳钢表面造成腐蚀损伤，改变阴极阳区的腐蚀反应倾向，同时影响锈层生长和分布。大量学者[15~17]研究Q235碳钢在静止和流动条件下的腐蚀不均匀性程度，结果证实流动海水能使碳钢上的锈层分布不均匀程度提高，存在明显的局部腐蚀。Wu等[18]研究Q235碳钢在含砂溶液中的腐蚀行为，结果表明，冲刷腐蚀主要增加阳极区腐蚀电流密度，进而加速腐蚀反应，经海水冲刷后碳钢表面会出现明显的压痕缺陷；Xu和Tan[19]通过丝束电极(WBE)技术和电化学设备联动研究碳钢在模拟湍流环境下冲刷腐蚀机理，研究表明，海水湍流冲击和颗粒的不断碰撞会加速试样表面腐蚀产物的去除，使更多金属表面暴露在腐蚀性流体中，这可能导致材料的阴阳级区腐蚀反应过程加速；其他学者的研究[20,21]也支持上述结论。综上所述，冲刷载荷主要通过劣化锈层表面状态，甚至造成点蚀以及压痕等局部腐蚀形貌，并且影响锈层分布甚至阻碍锈层生长。
海工装备实际服役过程中必然会同时受到海水沙砾的冲刷与紫外盐雾的侵蚀，研究冲刷和多元环境协同作用下碳钢腐蚀行为更符合实际服役工况。因此，本研究基于国内海工装备腐蚀防护标准和近海环境参数，结合广东省近海海水运动参数选择冲刷实验条件，构建紫外-冲刷盐雾循环室内加速实验，以探究在海洋大气环境下冲刷载荷对碳钢腐蚀的加速规律，计算冲刷作用加速因子。通过碳钢锈层结构与成分变化，揭示冲刷载荷对碳钢腐蚀的影响机理。
1 实验方法
实验材料为Q355低合金高强度结构钢，其化学成分(质量分数，%)为：C 0.16，Mn 0.5，P 0.015，S 0.008，Si 0.09，Fe余量。实验样品规格分为两种：30 mm × 40 mm × 3 mm和20 mm × 20 mm × 3 mm。两个规格尺寸样品均开展相同的室内循环加速实验但用于不同的表征实验，30 mm × 40 mm × 3 mm用于宏观形貌分析、腐蚀速率测定以及成分分析，20 mm × 20 mm × 3 mm用于截面形貌观察和电化学测试。所有样品均采用SiC砂纸在磨抛机上依次打磨至2000#，大规格尺寸样品在实验前需进行称重测试，称重精度精确到1 mg，称重完毕后采用塑料硬胶纸包裹碳钢的背面和边缘，仅露出测试面。小规格尺寸样品在实验前则需在背面开槽，金属导线连接碳钢，后采用单组分室内固化剂包裹背面和边缘，仅露出测试面。
采用HS-UV-340型紫外线加速耐候实验箱开展紫外辐射实验，实验参数结合近海环境参数[22]和标准ISO 16474-3:2021方法A确定。搭建简易冲刷装置开展冲刷腐蚀实验，如图1所示。中国海洋潮汐平台显示，广东省近海海域的海水潮汐运动为不规则半日潮，结合海浪的流动特征频率可获取冲刷加速比[23]。水文观测站统计风浪载荷确定海水运动为风浪流。根据标准JTS 145-2015《港口与航道水文规范》附录M风海流的计算方法计算冲刷速度，其中风速以海平面可能遇到的最高风级设计，计算结果与水文观测站的最高流速相吻合[24]。南海水平面以下100m内海水砂砾成分主要由生物颗粒和非生物颗粒组成的硅铝类颗粒，水平面以下25 m内颗粒含量较少[25]，主要为细砂状夹粗粉砂(5~100 µm)[26]，5~100 µm范围内颗粒大小与腐蚀速率成正相关[27]。选用HSY-60A盐雾试验箱开展中性盐雾实验，实验参数选择依据为标准ISO 9227-2022。无冲刷实验由紫外-冷凝、盐雾实验组成，代号为N(Normal)，有冲刷实验则在无冲刷实验基础上引入冲刷载荷，代号为F(Force)，取样表征周期为单周，第一周期为N1/F1，其他如此类推。紫外、盐雾实验时间参照标准开展，冲刷实验则是根据室外海水交替运动规律和室内冲刷作用时间加速，原室外冲刷时间3 d，压缩为0.5 d，单循环实验周期安排如表1，共4周期。实验顺序及具体参数，汇总于表2。
图1
表1 单循环实验周期安排
Table 1
| Test code | Ultraviolet light exposure test | Erosion test | Salt spray test |
|---|---|---|---|
| N(Normal) | 72 h | - | 72 h |
| F(Force) | 72 h | 8 h | 72 h |
表2 循环实验参数细则
Table 2
| Test category and order | Experimental parameters |
|---|---|
| 1 Ultraviolet light exposure test | 4 h of ultraviolet irradiation ((60 ± 3) ℃) and 4 h of condensation ((50 ± 3) ℃) are alternately carried out, with an irradiance of 0.71 W/m2 |
| 2 Erosion test | Erosion velocity 1.4 m/s, erosion time 8 h, erosion angle 45°, sand content 0.1%, particle size 100 µm |
| 3 Salt spray test | The salt concentrationis 5%, test temperature (35 ± 2) ℃, sample placement angle 45°, average sedimentation rate in a horizontal area of 80 cm2 (1.5 ± 0.5) mL/h |
采用Canson m550系列摄影机拍摄Q355钢宏观形貌；采用OLS4100型扫描电子显微镜(SEM)对涂层截面进行微观形貌观察，观察形貌前需用环氧树脂试剂封样，露出待测面后采用SiC砂纸在磨抛机上依次打磨至2000#后抛光至3.5 μm粗糙度；采用D8ADVANCE型X射线衍射仪(XRD)对Q355钢金属腐蚀产物进行物相分析测试，靶材为Cu靶，测试电压为40 kV，测试参数为扫描范围：10°~120°，扫描速度：10 (°)/min。测试扫描前需采用刀片将锈层刮下至研钵研磨成细小粉粒，粉粒填满测试片需倒置不下滑，采用Jade软件进行分析；采用Chi660型上海辰华工作站测试样品的电化学特性，选用三电极体系，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极，电解质溶液为中性的3.5%NaCl盐溶液，先测试开路电位稳定400 s，电位波动范围±50 mV，然后开展电化学极化曲线测试，扫描速度为0.01 V/s。开路电化学阻抗谱(EIS)测试的扰动电压为5 mV，测量频率范围为105~10-2 Hz。
2 结果与讨论
2.1 腐蚀形貌观察
图2和3分别是无冲刷和有冲刷下Q355钢的宏观腐蚀形貌图，首个周期(N1/F1)加速实验对比发现，虽然腐蚀产物均为疏松多孔易脱落的橘黄色锈层，但F1的锈层(图3a)覆盖率显然高于N1(图2a)。这是由于流体冲击和砂砾碰撞会对Q355钢基材腐蚀的同时引入剪切力，从而导致局部缺陷，如点蚀、犁削沟槽[28]，电化学腐蚀则会优先在缺陷处发生。此外，流动的海水不断补充溶解氧、Cl-等各种腐蚀介质，加快腐蚀进程，扩大腐蚀区域。随着实验的开展(N/F2-3)，腐蚀产物逐渐积累，Q355钢表面整体被锈层覆盖，经F2(图3b)已出现流锈现象(无冲刷试样该现象却出现在腐蚀后期N4(图2d))，流锈主要是内锈层的锈液渗透漏出[29]，可见经冲刷后的锈层更快构建成内外锈层结构。此外，流水的冲刷作用将不稳定的锈层冲脱，Q355钢表面留下更为稳定的致密黑褐色锈层。实验后期，F4的橘黄色锈层明显多于N4，说明冲刷后期锈层保护性下降，腐蚀碳钢样品被冲刷完后，生成新的疏松多孔易脱落的橘黄色锈层。
图2
图2
无冲刷下Q355钢宏观腐蚀形貌
Fig.2
Macroscopic corrosion morphologies of Q355 steel under stagnant conditions of N1 (a), N2 (b), N3 (c) and N4 (d)
图3
图3
冲刷下Q355钢宏观腐蚀形貌
Fig.3
Macroscopic corrosion morphologies of Q355 steel under flowing conditions of F1 (a), F2 (b), F3 (c) and F4 (d)
图4和5分别为无冲刷和有冲刷下Q355钢的锈层微观截面图。实验前期，F1(图5a)表面出现较多的小点蚀坑。海水流动提高传质速率导致锈层生长速度较快，锈层较N1(图4a)偏厚且平整度高，但纵向裂纹更多。实验中期(N/F2-3)，有无冲刷的锈层均出现明显的裂纹、分层，此时未被锈层覆盖的基体与腐蚀介质直接反应[30]。紫外光照-盐雾循环实验温度变化引起的热胀冷缩、干湿交替产生收缩应力等都会导致锈层出现微裂纹和分层甚至脱离基体[31]，当锈层存在以上缺陷，可能会导致锈层保护性下降。但对比图4c与图5c，N3的锈层因裂纹存在出现外锈层的脱落，而F3的锈层平整度较高，分层(横向裂纹)和脱落现象减弱，这表明冲刷锈层较未冲刷锈层更早表现自修补过程[32]。实验后期(N4/F4)，由于新的不稳定锈层继续生成，冲刷对锈层的劣化作用显著，形成大量纵向裂纹，并不断扩展，以致锈层的自修补能力减弱。对比锈层厚度变化可知，冲刷对锈层生长有促进作用。根据全周期锈层结构变化来看，冲刷锈层的重复脱落-生成有利于锈层的快速生长。
图4
图4
无冲刷下Q355钢的锈层截面形貌
Fig.4
Cross-sectional morphologies of the rust layer on Q355 steel under stagnant conditions of N1 (a), N2 (b), N3 (c) and N4 (d)
图5
图5
有冲刷下Q355钢的锈层截面形貌
Fig.5
Cross-sectional morphologies of the rust layer on Q355 steel under flowing conditions of F1 (a), F2 (b), F3 (c) and F4 (d)
综上，冲刷载荷在实验前期能促进锈层生长，提升锈层表面的平整性，后期将显著劣化锈层结构。冲刷载荷的引入使锈层结构从初步形成-疏松脱落-致密增厚的一般步骤转化为快速形成-劣化分层-增厚致密-劣化分层的演变历程，此结构变化是锈层生长速率加快原因之一。
2.2 锈层成分分析
图6
图6
有无冲刷腐蚀下Q355钢的 XRD图谱
Fig.6
XRD patterns of Q355 steel under stagnant condition (a) and flowing condition (b)
表3 Q355钢的锈层成分含量
Table 3
| Name | Fe3O4 | γ-FeOOH | α-FeOOH | β-FeOOH | PAI |
|---|---|---|---|---|---|
| N1 | 43.8 | 27.2 | 27.5 | 1.5 | 2.49 |
| N2 | 60.3 | 17.7 | 17.3 | 4.7 | 3.46 |
| N3 | 71.6 | 18.1 | 9.2 | 1.1 | 4.20 |
| N4 | 70.5 | 8.7 | 12.4 | 8.4 | 4.84 |
| F1 | 47.5 | 25 | 22.6 | 4.9 | 2.34 |
| F2 | 51.2 | 20.3 | 24 | 4.5 | 3.08 |
| F3 | 62.3 | 10.7 | 20.4 | 6.6 | 4.78 |
| F4 | 69.6 | 8.1 | 17.1 | 5.2 | 6.51 |
实验前期(N1/F1)，Q355钢表面发生电化学反应生成γ-FeOOH、β-FeOOH，海水流动会不断更新溶解氧和水以及Cl-腐蚀介质，促进γ-FeOOH、β-FeOOH一部分与阳极溶解生成的Fe2+反应转化为Fe3O4，同时γ-FeOOH溶解转变为性质稳定的α-FeOOH。溶解氧的存在能促进阴极反应，加快腐蚀速率，但也会在表面生成腐蚀产物膜。海水冲刷机械力能使腐蚀产物膜破裂，因此Q355钢表面腐蚀产物膜处于一种溶解-生成循环过程[33]，而在此循环过程中，γ-FeOOH被氧化成Fe3O4进而演变成γ-Fe2O3[34]。因此F1锈层成分中Fe3O4含量较高，γ-FeOOH、α-FeOOH的含量较低。实验中期，由于紫外光照下会产生光电效应[35]，加速γ-FeOOH向Fe3O4的转变，因此Fe3O4含量会逐渐变高，γ-FeOOH的含量会变少。由于在含氧的情况下，γ-FeOOH会优先转化成α-FeOOH[36]，因此F2和F3样品Fe3O4、γ-FeOOH含量比较低，α-FeOOH含量比较高。到实验后期(N4/F4)，锈层变厚，在多次冲刷作用和紫外光照下，Q355钢表面会积累更多的Fe3O4、α-FeOOH，γ-FeOOH、β-FeOOH含量则会下降。值得注意的，腐蚀反应过程中通过颗粒针状γ-FeOOH腐蚀物质填充锈层结构出现的孔隙和裂缝[37]，以实现锈层修复保护。锈层经海水冲刷后，碳钢表面非稳定介质γ-FeOOH会被冲刷掉。可见，整个实验周期，冲刷对锈层结构的劣化与锈层成分自修复不断博弈。
2.3 腐蚀动力学分析
图7
图7
Q355钢在有无冲刷下的动电位极化曲线
Fig.7
Potential polarization curves of Q355 steel under stagnant condition (a) and flowing condition (b)
表4 Q355钢在有无冲刷下动极化电化学参数
Table 4
| Name | Ecorr vs.SCE / V | Icorr / A·cm-2 | βa / mV·dec-1 | βc / mV·dec-1 |
|---|---|---|---|---|
| N0 | -0.70 ± 0.08 | 8.5 ± 2.7 | 77.29 ± 3.22 | -62.12 ± 5.12 |
| N1 | -0.72 ± 0.11 | 525 ± 18 | 230.34 ± 4.21 | -121.32 ± 0.08 |
| N2 | -0.69 ± 0.04 | 590 ± 31 | 271.98 ± 19.06 | -121.88 ± 1.15 |
| N3 | -0.68 ± 0.03 | 456 ± 8 | 237.66 ± 10.93 | -124.45 ± 0.05 |
| N4 | -0.52 ± 0.02 | 300 ± 27 | 201.56 ± 10.24 | -147.95 ± 0.06 |
| F1 | -0.65 ± 0.02 | 612 ± 23 | 248.78 ± 12.41 | -115.50 ± 1.53 |
| F2 | -0.58 ± 0.05 | 902 ± 73 | 234.48 ± 6.59 | -123.75 ± 3.82 |
| F3 | -0.49 ± 0.04 | 501 ± 27 | 201.04 ± 4.30 | -157.19 ± 2.89 |
| F4 | -0.47 ± 0.03 | 337 ± 22 | 189.41 ± 10.12 | -153.33 ± 7.08 |
Q355钢基材腐蚀动力学数据如表4中N0所示。阳极极化斜率βa和阴极极化斜率βc数值相近，均小于100 mV/dec。仅一个周期循环实验后因锈层的生成，βa和βc分别翻了近3倍和2倍。冲刷试样前期，F1的βc和中后期βa均比N1小，表明冲刷同时提高了阴阳极区的反应速率。且F1的βc远小于βa，腐蚀产物膜形成破裂和锈层形成均抑制了阳极区金属溶解。实验中期，F2的βa突然变小，βc变大，此时带锈的Q355钢被海水冲刷后形成孔洞裂纹，腐蚀介质更易到达基体且Cl-比溶解氧对锈层更有渗透性，基体-锈层中Cl-含量多，会导致溶解氧含量下降[40]，因此阳极区反应速率上升、阴极区反应速率下降。随着腐蚀反应加快，阳极区反应速率上升，βa减小。此时锈层变厚且更密集，同时在实验中后期，冲刷载荷仅能作用至外部锈层，因此溶解氧含量持续减小，以致F3的βc突然变大，且变化幅度大[41]。此时腐蚀电位小于0.5 V，阴极区的主要反应已从溶解氧的氧化还原转变成锈层中少量还原性成分的氧化还原[42]，因此阴极区反应速率减缓。随着腐蚀产物积累更多，锈层变厚，但锈层变厚并不会改变阳极区的腐蚀反应[43]。因此实验后期，阴阳极斜率均变化不大。为了进一步验证冲刷对腐蚀界面反应的影响，采用电化学阻抗测试对有无冲刷的4个周期实验电极进行动力学分析。
图8
图8
无冲刷下Q355钢的EIS谱图
Fig.8
Nyquist (a) and Bode (b) plots of electrochemical impedance spectra of Q355 steel under stagnant conditions
图9
图9
有冲刷下Q355钢的EIS测试结果
Fig.9
Nyquist (a) and Bode (b) plots of electrochemical impedance spectra of Q355 steel under flowing conditions
图10
图10
Q355钢等效电路图
Fig.10
Equivalent circuit diagram under stagnant condition and flowing condition: (a) N/F1, (b) N/F2-4
表5 Q355钢的等效电路拟合参数值
Table 5
| Name | Rs / Ω·cm2 | Cf / Ω·cm-2·S-n | Rf / Ω·cm2 | Qct / Ω·cm-2·S-n | Rct / Ω·cm2 | W / Ω·cm2 | RP / Ω·cm2 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| N1 | 26.61 | - | - | 0.01398 | 85.38 | 0.00543 | 85.38 |
| N2 | 14.62 | 5.12 × 10-5 | 2.144 | 0.03268 | 70.72 | 0.01341 | 72.86 |
| N3 | 25.89 | 3.45 × 10-5 | 5.051 | 0.01866 | 91.23 | 0.01482 | 96.25 |
| N4 | 42.05 | 3.89 × 10-7 | 6.813 | 0.00897 | 133.82 | 0.01245 | 140.61 |
| F1 | 24.89 | - | - | 0.02532 | 65.54 | 0.01379 | 65.54 |
| F2 | 15.08 | 2.76 × 10-5 | 1.225 | 0.03873 | 39.75 | 0.00356 | 40.98 |
| F3 | 24.36 | 3.91 × 10-6 | 4.199 | 0.01714 | 82.84 | 0.00578 | 86.99 |
| F4 | 29.31 | 1.70 × 10-6 | 3.389 | 0.01442 | 109.00 | 0.00167 | 112.38 |
锈层电阻Rf逐渐增大，表明锈层逐渐变厚。有冲刷样品较无冲刷样品的Rf更小，说明锈层保护性偏弱。随着腐蚀周期增加，电容电量先增大后减小，表面其腐蚀反应面积先增大后减小，锈层与基体附着力先减小后增大。冲刷样品的电容电量值除了(F3)均比无冲刷样品大，结合图5c截面形貌图可知，经冲刷后锈层结构劣化，导致腐蚀介质可直接到达基体界面反应，腐蚀反应面积增加，电容值变大。W值在反应过程中较小，表明腐蚀反应强烈。Rp为金属-锈层整体的阻抗值，等于锈层电阻Rf、电荷转移电阻Rct之和，其值可作为整体的耐蚀性[44]。表5数值表明Rp主要由电荷转移电阻Rct决定，而腐蚀时间越长，锈层越厚，其值越大，但冲刷样品数值均小于无冲刷样品，表明冲刷降低其耐蚀性，与动电位极化测试结果一致(图7)。
2.4 冲刷加速腐蚀机制分析
Q355钢的腐蚀速率以及耐蚀性主要由锈层的性质所决定，包括锈层的成分稳定性与结构完整性。从定性的角度分析，腐蚀前期(F1)，冲刷载荷直接作用在经紫外光照后碳钢表面基体上，海流和砂砾冲击基体表面造成表面损伤，冲刷腐蚀导致出现点蚀坑，Cl-聚集在坑内，与金属元素结合产生可溶性化合物腐蚀基体[45]，因此阳极区开始金属溶解反应，非点蚀区则为阴极开始溶解氧的氧化还原反应，如式(
图11
图11
冲刷-环境耦合腐蚀机理
Fig.11
Erosion-environment coupled corrosion mechanism for different corrosion periods: (a) F1, (b) F2, (c) F3 and (d) F4
腐蚀中期(F2)，紫外线照射Q355钢锈层表面后，锈层稳定性提高，但由于此刻腐蚀反应速率不高，锈层较薄，保护稳定性较差，海流和砂砾的联合冲击会扩展锈层裂纹形成裂缝，而流动海水在锈层中流动会使薄弱的锈层出现分层和与基体脱离，此时腐蚀介质和溶解氧能与基体充分接触反应，促进γ-FeOOH的大量生成以及在有氧环境下向α-FeOOH的转变，如式(
腐蚀中后期(F3)，随着腐蚀速率的提高，锈层的自修补能力修复锈层结构中的缺陷，锈层变厚变致密，保护稳定性好，以致冲刷载荷劣化效果下降，仅能对由γ-FeOOH不稳定物质为主的外绣层结构进行劣化，而由Fe3O4稳定物质为主的内锈层紧贴着基体，锈层结构稳定状态较好，以致溶解氧在腐蚀反应界面含量降低，阴极区反应速率下降，而此时自腐蚀电位下降至-0.5 V，此时阴极区的还原性介质γ-FeOOH、β-FeOOH参与氧化还原反应，生成Fe3O4，如
腐蚀后期(F4)，随着阴极区的反应速率下降，整体反应速率也下降，锈层生成速率变小，自修补能力变弱，海水会对上周期被劣化但未完全修补的锈层再一次冲击、冲刷，以致内外锈层也受到机械冲击，锈层整体再次出现腐蚀中期的裂纹，此刻腐蚀介质和溶解氧经此透过锈层，到达基体，但因锈层太厚且具备一定的稳定保护性，反应界面当中的粒子扩散困难，腐蚀介质和溶解氧也难以在基体处大面积反应，阴阳极区的反应速率会减慢，斜率变化不大，Fe3O4、α-FeOOH、γ-FeOOH变化减缓。锈层结构劣化，但成分趋于稳定，耐蚀性稍微下降(图11d)。
从定量的角度分析，成分稳定性与结构完整性对腐蚀速率影响程度不同。采用SPSS数学分析软件，以及多元回归线性分析方法进行量化。每周期锈层缺陷的种类数量作为缺陷参数值，如表6所示。
表6 截面形貌缺陷参数
Table 6
| Name | Stratification | Crack | Hole | Total |
|---|---|---|---|---|
| N1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| N2 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| N3 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| N4 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| F1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| F2 | 1 | 1 | 1 | 3 |
| F3 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| F4 | 1 | 1 | 0 | 2 |
其中多元回归方程中函数系数表示其因变量的影响情况，显著性表明其因变量是否能显著改变自变量(p < 0.05)。因变量采用腐蚀电流密度代表碳钢的耐蚀性，自变量则是PAI指数和缺陷值，因单位不一致，因此在数学分析前需对自变量参数采取标准化处理，多元线性回归方程分析结果如表7所示。根据多元回归线性方程的标准化系数可得Q355钢腐蚀电流密度与锈层PAI、锈层缺陷关系为：
表7 成分结构多元线性回归方程分析结果
Table 7
| Unstandardized coefficient | Standardization coefficient | Significance | |
|---|---|---|---|
| Constant value | 508.500 | - | < 0.001 |
| PAI | -106.533 | 0.659 | 0.01 |
| Rust layer defect value | 102.468 | 0.634 | 0.02 |
式中，y为腐蚀电流密度值，x1为PAI值，x2为锈层缺陷值。根据其式中表明影响占比，腐蚀电流密度值51%受锈层成分影响，有49%受锈层结构影响，可知锈层结构为衡量带锈Q355钢腐蚀速率的重要因素之一。
上述实验结果表明，冲刷载荷引入可加速Q355钢腐蚀进程，故可对海洋大气环境中冲刷导致的Q355钢腐蚀加速效果进行可量化。采用截面形貌中锈层平均厚度、腐蚀电流密度和极化电阻作为关键参数，得出表8加速比例。根据平均值确定冲刷加速腐蚀的加速因子范围为1.19~1.36，均值为1.28。
表8 加速比例结果
Table 8
| Cycle 1 | Cycle 2 | Cycle 3 | Cycle 4 | Average | |
|---|---|---|---|---|---|
| Average thickness ratio of the rust layer | 1.35 | 1.25 | 1.21 | 1.25 | 1.26 |
| Corrosion current density ratio | 1.21 | 1.38 | 1.06 | 1.12 | 1.19 |
| Polarization resistance ratio | 1.30 | 1.78 | 1.11 | 1.25 | 1.36 |
式中，y为腐蚀电流密度值，x1为冲刷实验，x2为紫外盐雾实验。根据其式中表明影响占比，腐蚀电流值有28%由冲刷实验贡献，有82%受紫外盐雾实验贡献。
表9 实验类别多元线性回归方程分析结果
Table 9
| Unstandardized coefficient | Standardization coefficient | Significance | |
|---|---|---|---|
| Constant value | 7.940 | - | 0.962 |
| Environmental Test | 440.810 | 0.659 | 0.050 |
| Erosion Test | 109.750 | 0.259 | 0.372 |
3 结论
(1) 冲刷载荷能加速Q355钢在多元环境下的腐蚀进程，其原因在于多相流提高电解质传质效率，损伤基体表面造成腐蚀缺陷，劣化锈层结构并减弱其自修复能力，以致锈层稳定性下降，腐蚀速率提高，带锈Q355钢耐蚀性下降。
(2) 冲刷和多元环境耦合影响锈层结构与成分，进而影响带锈Q355钢的腐蚀速率。多元线性回归方程分析表明，两者对腐蚀速率影响占比分别为49%和51%。紫外盐雾多元环境下温度变化、干湿交替产生的收缩力和生成不稳定组分时产生的膨胀力能劣化锈层结构，冲刷载荷可此基础上进一步劣化锈层结构，也可促进锈层中稳定组分演变，提高锈层耐蚀性。
(3) 电化学结果表明，冲刷动态调控阴阳极反应，其中28%的腐蚀电流密度受控于冲刷，82%受控于多元环境。实际工况下，锈层结构劣化和耐蚀成分的博弈决定Q355钢耐蚀性的演化。综合锈层结构特征、成分和电化学指标得出冲刷对Q355钢腐蚀的加速因子为1.28。
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