船舶装备材料在海水环境中的腐蚀破坏受环境因素的极大影响，对不同海域海水环境因素特征差异性进行对比分析，可为装备选材设计和维护保养等提供重要的参考指导[1~4]。随着全球化利益拓展及海洋资源开发的推进，装备经历的海水环境愈发复杂，诸如亚丁湾护航、北极航运等场景下，对材料在赤道高温、极地低温等极端海域条件下的适应性提出了更高的要求[5~9]。通过目标海域实施的自然环境适应性考核试验是获取装备材料环境适应性数据的最准确方法[10~13]，但受试验条件、技术能力等的限制，在全球海域尤其是极端海域内开展相关研究存在较高的时间成本和干扰风险等。海水环境中各种理化因素是导致材料腐蚀的成因之一，已有研究表明，海水温度、盐度、溶解氧含量以及pH是与材料海水腐蚀相关性较强的典型因素[3]，通过对极端海域与我国近海海水环境因素差异性进行对比分析，可进一步明确极端海域海水环境特征，在此基础上，通过评价和描述极端海水环境的腐蚀性可对装备材料在极端海域下的环境适应性进行预判，从而支撑船舶装备设计选材和服役防护方案制定，提高其服役安全性。
目前针对海水腐蚀性评价方法尚未有通用的标准，不同研究者针对这一问题进行了探索，提出了不同的方法，主要包括标准金属腐蚀速率法和环境因素法[14]。其中标准金属腐蚀速率法是参照大气腐蚀性分级成熟标准(ISO 9223-2012)，采用海水环境中标准金属(碳钢、Al、Cu)的第1 a腐蚀速率对海水环境腐蚀性进行划分，环境因素法则是考虑材料在海水环境下腐蚀程度主要是由不同海域特定的海水环境因素决定的，以基准材料的海水环境适应性数据以及相应的海水环境因素数据为依据，结合相关关联分析算法，如灰关联等[15~17]，量化计算不同的环境因素数据对材料环境适应性的作用权重(关联程度)，再结合环境因素数据推算不同环境地区海水腐蚀性。由于从实际海洋环境中获得的腐蚀数据是对环境腐蚀信息的真实反映，因此标准金属腐蚀速率法的环境腐蚀性分类结果被视为评估其他方法准确性的标准。Zhang等[18]对比了标准金属腐蚀速率法和环境因素法对我国近海海域(青岛、舟山、三亚、南海岛礁)海水腐蚀性的分级评价，结果表明，应用两种方法获得的评价结果具有良好的一致性。因此，本文通过收集赤道和极地海域以及我国近海海域海水环境因素数据，对其环境特征差异进行对比分析，并采用环境因素法对极端海域及我国近海海水腐蚀性差异进行计算及对比分析。
1 研究方法
1.1 极端海域与我国近海海域海水环境因素对比分析
收集我国近海海域(黄海、东海、南海)试验站点(青岛、厦门、三亚海水环境试验站)观测积累的，以及通过项目协议共享收集到的极端海域(太平洋和印度洋赤道附近海域、北极及南极海域)的海水环境因素数据(国家海洋信息中心)，数据内容包括海水温度、盐度、溶解氧和pH等典型海水环境因素，对近5 a的海水环境因素数据年平均值进行统计计算，研究对比不同海区主要海水环境因素变化规律。
1.2 极端海域与我国近海海域海水腐蚀性计算
本文选择T2铜合金作为标准金属试样。对前期课题研究积累的T2铜合金在我国近海典型海域(青岛、厦门、三亚海水环境试验站点)全浸区暴露1 a后获取的腐蚀速率数据，以及各试验站点的海水环境因素数据(海水温度Δ1、盐度Δ2、溶解氧含量Δ3和pH值Δ4)进行收集整理，通过各数据与其平均值的比值对原始数据进行无量纲化处理，结果如表1所示。
表1 T2铜合金基准数据无量纲化处理结果
Table 1
| Test station | Corrosion rate / μm·a-1 | Temperature / ℃ | Salinity / ‰ | Dissolved oxygen / mg·L-1 | pH |
|---|---|---|---|---|---|
| Qingdao | 0.49 | 0.73 | 1.05 | 1.06 | 1.01 |
| Xiamen | 0.71 | 0.92 | 0.86 | 1.13 | 0.96 |
| Sanya | 1.35 | 1.35 | 1.09 | 0.81 | 1.03 |
将海水环境因素数据设为比较数列，T2铜合金腐蚀速率设为参考数列，计算每个比较数列与参考序列对应元素的绝对差值Δ，结果如表2所示，可知Δ最大值和最小值分别为0.571和0.033。
表2 绝对差值计算结果
Table 2
| Test station | Δ1 | Δ2 | Δ3 | Δ4 |
|---|---|---|---|---|
| Qingdao | 0.214 | 0.571 | 0.483 | 0.539 |
| Xiamen | 0.203 | 0.147 | 0.385 | 0.244 |
| Sanya | 0.033 | 0.268 | 0.418 | 0.333 |
采用
根据关联度排序，取影响程度较大的2个环境因素，即温度和盐度数据，通过加权计算进行海水腐蚀性评价因子Q的计算：
式中，Yi 为影响程度较大的2个环境因素(温度、盐度)与其在全球海域均值的比值(温度均值取15 ℃，盐度均值取32‰)，γi 是2个影响程度较大的环境因素对腐蚀速率的关联度。
2 结果与讨论
2.1 高温海域海水环境特征对比分析
图1
图1
高温海域及我国近海海域海水环境因素年平均值变化规律
Fig.1
Annual average variation of seawater environmental factors in high-temperature marine regions and nearshore areas of China: (a) temperature, (b) salinity, (c) dissolved oxygen concentration, (d) pH value
由图1b可以看出，对比海域中赤道印度洋海域海水盐度最高，在35.2‰左右，赤道太平洋海域海水盐度略低，在34.8‰左右，两者都高于我国近海海域海水盐度。海水盐度主要受降水量与蒸发量、入海径流、洋流等的影响，其中降水量与蒸发量是主要影响因素。赤道印度洋海域一方面受热带海洋和季风气候影响，导致其海水蒸发量大、降水量少，同时沿岸陆地径流汇入相对较少，因而其海水盐度较高；赤道太平洋海域由于夏季受副热带高气压带控制，多晴天，降水少，蒸发旺盛，因此其盐度较高。
由图1d可以看出，对比海域中赤道太平洋和印度洋海域海水pH含量均较低，且较为稳定，这可能是由于两者海域较为开阔，海水交换混合均匀所致。我国近海海域的pH年变化波动相对较大，这是由于海水pH的主要影响因素为CO2溶解与释放，近海海域由于人类活动干预等，与开阔大洋相比海生物生长旺盛，其CO2释放及消耗等导致局部海水pH变化，pH高于赤道太平洋及印度洋海域，说明CO2溶解少，可能是由于浮游植物生长光合作用强所致。整体上各海域pH均在正常范围内。
2.2 低温海域海水环境特征对比分析
图2
图2
低温海域及我国近海海域海水环境因素年平均值变化规律
Fig.2
Annual average variation of seawater environmental factors in low-temperature marine regions and nearshore areas of China: (a) temperature, (b) salinity, (c) dissolved oxygen concentration, (d) pH value
由图2b可以看出，低温海域海水盐度总体上高于我国近海海域海水盐度。这是由于低温海域海水温度低，海水冻结成冰盖时会使盐分析出，导致海水盐度增加。北冰洋海域海水盐度略低于南大洋海水盐度，主要是由于北冰洋海域相对封闭，海水交换较慢，另外其周围被大陆环绕，海陆差异导致降雨相对较多，同时有陆地径流淡水汇入较多所致。
由图2c可以看出，低温海域海水溶解氧含量总体上高于我国近海海域海水溶解氧含量。主要是由于低温海域海水温度低，因而氧的溶解度高。南大洋溶解氧含量低于北极，可能是由于其陆地植被少，氧生产量较少，同时由于南极海拔较高，其大气稀薄导致空气中氧含量低，因而在海水中溶解量较少。
由图2d可以看出，低温海域海水pH总体上低于我国近海海域海水pH，这可能是由于低温海域较冷的海水会吸收更多的CO2，其溶于海水后影响海水中碳酸盐平衡体系偏移，导致海水pH较低。
2.3 海水腐蚀性对比分析
结合近5年海水环境试验站环境因素数据年平均值进行计算，得到我国近海海域海水腐蚀性评价因子，绘制T2铜合金腐蚀速率与海水腐蚀性评价因子随海域的变化规律，如图3所示，可以看出，近海海域海水腐蚀性由北到南依次增大，与T2铜合金腐蚀速率的变化规律相一致，可以认为计算结果可以较好反映不同海域的海水腐蚀性。
图3
图3
T2铜合金腐蚀速率及海水腐蚀性评价因子变化规律
Fig.3
Variation patterns of the T2 Cu-alloy corrosion rates and seawater corrosivity evaluation factors
对近5年高温及低温海域海水环境因素数据年平均值进行统计，结合
前期项目研究实测获得的T2铜合金在赤道太平洋、北极海域及南极海域的腐蚀速率分别为：47.48、9.53和6.89 μm/a。有关赤道印度洋海域目前尚未有明确报道，根据此前研究表明，T2铜合金腐蚀速率随纬度降低而增大[19]，赤道印度洋海域与赤道太平洋海域海水维度一致，根据前边分析结果以及Q计算结果可知，两者环境特征及海水腐蚀性相近，因此推断T2铜合金在赤道印度洋海域腐蚀速率应与赤道太平洋相近，故以赤道太平洋代表高温海域进行数据分析。绘制海水腐蚀性评价因子与腐蚀速率之间的关系，对海水腐蚀性分析结果进行验证，结果如图4所示。通过拟合计算可得两者之间的相关性系数R2 = 0.9992，海水腐蚀性评价因子与腐蚀速率之间相关性极好，可较准确反映极端海域的腐蚀性。
图4
图4
海水腐蚀性评价因子与腐蚀速率相关性
Fig.4
Correlation between seawater corrosivity evaluation factors and corrosion rates
结合腐蚀速率及Q，对极端海域以及我国近海海域的海水腐蚀性评价因子进行对比分析，结果如图5所示。由图可以看出，在对比海域中赤道高温海域海水腐蚀性最高，三亚海域海水腐蚀性次之，而低温海域海水腐蚀性最低。
图5
图5
不同海域海水腐蚀性因子对比
Fig.5
Comparison of seawater corrosivity evaluation factors in different sea areas
图6
图6
海水腐蚀性评价因子影响因素分析
Fig.6
Analysis of the influencing factors on seawater corrosion evaluation factor: (a) seatemperature, (b) seasalinity
3 结论
(1) 赤道高温海域海水温度和盐度均高于我国近海海域，溶解氧含量和pH值均低于我国近海海域；极地低温海域海水温度和pH值低于我国近海海域，海水盐度和溶解氧含量高于我国近海海域。
(2) 以T2铜合金作为基准材料，结合典型海水环境因素数据，通过灰关联算法对不同海域海水腐蚀性进行计算及对比分析，可知对T2铜合金材料来说，对比海域中赤道高温海域海水腐蚀性最高，极地低温海域海水腐蚀性最低，分析海水腐蚀性因子与环境因素之间的关系，其与海水温度之间表现出明显的正相关规律，可以推知海水温度是影响其海水腐蚀性的主要因素。
(3) 在全球海域装备材料腐蚀数据获取不足的现状下，应用海水环境因素数据进行海水腐蚀性评价可增强对装备材料在重点及极端海域海水环境下应用的适应性认知，为装备选材及防护提供参考。随着环境试验观测技术的进步及腐蚀机理研究的深入，可进一步丰富用于腐蚀性计算分析的环境特征因素，同时基于不同种类材料的腐蚀机理对评价算法进行改进，从而提高腐蚀性计算评价的精确性及准确性。
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