0 引言

深海蕴藏着丰富的矿产资源，如油气、金属矿产等。深海开发可以带来巨大的经济效益，满足能源需求和工业发展的需要^[1-6]。而在常用的深海设备领域当中，铝合金材料^[7-9]由于具有较低的密度和良好的强度，以及一定的耐腐蚀性能，使其在深海设备设计中，具有可以显著减轻设备自身的重量，减少设备能耗需求以及延长设备的使用寿命的优势。但由于服役于深海水下的特种设备，需要承受极端的物理和化学条件，其不仅受到高压和低温的影响，还常常暴露于含盐海水和其他腐蚀性介质中^[10-16]。这些严苛的环境条件使得应力腐蚀成为了铝合金材质的深海特种设备面临的一项重大挑战^[17-20]。

应力腐蚀是指金属材料在腐蚀性介质和拉应力共同作用下发生的破坏现象，它通常以裂纹的形式出现，严重时会导致突发性断裂^[21-23]。应力腐蚀的危害极大，不仅会缩短设备的使用寿命，还可能引发重大安全事故，造成难以估量的经济损失和环境污染^[24-26]。

应对深海特种设备的应力腐蚀问题，传统的试验方法虽然能够提供直接的材料性能数据，但由于实际海洋环境的复杂多变，这些方法所消耗的人力、物力以及资金较大。近年来，有限元仿真技术在工程领域得到了广泛应用，尤其在预测和分析材料应力腐蚀方面展现出了显著的优势。有限元仿真通过数值模拟，可以直观地展示材料在复杂环境下的应力分布和腐蚀行为，帮助工程师在设计和优化阶段进行更为准确的评估。此外，有限元仿真的另一个重要优势在于其高效性和灵活性，通过调整模型参数，可以快速得到不同条件下的模拟结果，减少实际试验所需的时间和成本^[27]。

目前，有限元仿真技术已经在很多工程领域得到了应用，但是由于深海环境的特殊性和应力腐蚀机理的复杂性，如何建立高精度的仿真模型仍然是一个亟待解决的问题^[28]。针对应力腐蚀问题，境内外已经开展了一定的数值模拟研究。例如，朱浩云^[29]等利用有限元模拟技术，验证了实验测试中腐蚀后栓钉的力学退化模型和腐蚀后的本构关系模型，证明栓钉的弹性模量、伸长率、名义屈服强度和名义极限强度均随腐蚀时间与腐蚀率的增加而下降。此外，JASRA^[30]等人利用有限元分析技术，针对 SS304 不锈钢应力作用下，腐蚀导致的开裂问题进行了计算建模以及研究。通过该团队研究表明，随着温度和氯化物浓度的升高，裂纹萌生的数量增加，裂纹萌生所需的时间减少。此外，还发现，与测试范围内的氯化物浓度相比，温度对 SCC 期间裂纹萌生的影响更为显著。

虽然针对压力作用下应力腐蚀问题已有了一定的有限元仿真研究先例，但由于现有的研究主要集中在材料力学性能和腐蚀介质化学性质的单独模拟，对于两者耦合作用下的应力腐蚀行为研究还不够深入。故本研究旨在利用固体力学和电化学双重物理场耦合，模拟计算管状设备在不同深度的海洋环境中的腐蚀风险位置以及不同风险位置的腐蚀倾向大小。

研究通过前期 Tafel 极化曲线测试实验，获取材料在模拟海水环境中的电化学腐蚀参数，为后续有限元模型的建立提供基础数据。在实验部分，我们选择了 6A02 铝合金和 7049 铝合金两种典型的深海用金属材料，测试了样件在砂纸打磨后的表面粗糙度、表面形貌、极化曲线等电化学属性以及进行了样件表面微区电化学（SKP），并根据实验获取的电化学参数，建立了深海特种设备在腐蚀介质中和静水压力作用下的电化学腐蚀模型。同时，通过实际工况的力学分析，确定了设备在使用过程中可能受到的应力分布。接下来，我们将电化学腐蚀物理场和固体力学物理场进行耦合，构建了一个综合考虑应力和腐蚀作用的有限元仿真模型。

相较于单一物理场的模拟模型，多物理场耦合需要同时处理电场、浓度场和流体力学的相互作用，这要求精确建模多种物理机制的联动。此外，边界条件的设置变得更加复杂，必须同时考虑静水压和电化学反应的影响，这对模型的准确性提出了更高的要求。同时，由于耦合模型需要解决更复杂的非线性方程组，可能导致计算时间显著延长。

通过该模型，模拟不同材料在不同深度海域的应力受力情况以及其在该应力作用下的腐蚀情况，以进一步推断实际管状样件在深海环境条件下的应力腐蚀行为，以及具体的腐蚀风险位置并预测其使用寿命和服役安全性。

1 实验部分

1.1 实验材料及设备

氯化钠、无水乙醇，购自国药集团化学试剂有限公司。6A02、7049 铝合金材质金属片，150 目、 320 目砂纸，购自中国青岛欧特金属加工厂（尺寸为 50 mm×100 mm×1 mm）。

实验设备包括 VK-X250K 激光扫描共聚焦显微镜（CLSM），基恩士（中国）有限公司。JD360 表面粗糙度测试仪，北京吉泰科仪检测设备（中国） 有限公司。AutoLab PGSTAT302N 电化学工作站，瑞士万通（中国）有限公司。VersaSCAN 微区扫描电化学工作站，美国阿美特克有限公司。DHDAS 动态信号采集与分析仪，江苏东华测试（中国）有限公司。

1.2 表面形貌及粗糙度测试

测试前分别利用 320 目砂纸以及 150 目先后对样件表面进行打磨，以去除铝合金样品表面的氧化物覆盖层，并用无水乙醇擦拭。

首先进行激光共聚焦显微镜测试，观察样件表面是否具有明显缺陷，对样件进行筛选。然后将筛选合格的样件进行表面粗糙度测试，为保证电化学测试时，样品具有较好的平整性以减少由于表面粗糙度引起的局部电化学反应的不均匀性，要求金属样件表面粗糙度应低于 1.5 μm 以下。

1.3 电化学测试

加载应力作用下的极化曲线借助拉伸机以及同时使用 Metro AUTOLAB PGSTAT302N电化学工作站和 DHDAS 动态信号采集与分析仪进行测试。测试三电极模型，参比电极为 Ag/AgCl 电极，对位电极为石墨棒，工作电极分别为打磨后的 6A02、 7049 铝合金材质金属片（实际测试面积为 10 mm × 10 mm）。为在实验室环境中模拟深海环境中低氧浓度，高压力等极端环境特征，在使用 3.5 wt%NaCl 溶液作为电解液的基础上，设置 3.5 wt%NaCl 的电解液的温度为 2℃，氧溶解度为 1 mg/L。此外利用拉伸机设置的外加应力大小包括 1 MPa，3 MPa以及 5 MPa。本次实验选择对样件施加拉应力以代替模拟深海环境中的压力，具体实验设备如图1 所示。

其中应力应变片连接 DHDAS动态信号采集与分析仪，电解池上三电极均连接 Metro AUTOLAB PGSTAT302N 电化学工作站。

微区电化学测试则利用微区电化学测试装置完成。下表为测试基本参数表，其中，“测试前平衡电位”即探针悬停在待测区域起点处电位波动的大致平衡点，确保测试稳定的同时可以初步判断该区域的电位信号范围，测试时初始电位即开始测试样品时记录的第一个电位信号，有助于初步分析测试区的电位具体水平。微区电化学测试范围为样件表面 5 mm×5 mm 的正方形面积范围内。

1.4 有限元模拟

本文中使用的有限元计算模块是一款通用的工程仿真平台，可以实现建模工作流程中涉及的所有步骤，即从几何建模、定义材料属性、设置物理场来描述物理现象，到求解模型，以及为提供准确可信的结果对模型的后处理。

建立的几何模型为长度 400 mm，直径 40 mm，厚度为 5 mm 的空心管状模型。管状模型外带有加强筋，加强筋宽度为 2 mm，高度为 7 mm，加强筋之间间距为 32 mm。加强筋仅位于壳体外部位置处。

本研究使用的有限元模拟包括 2 个物理场，即固体力学和二次电化学物理场。固体力学研究中， 6A02 和 7049 铝合金的力学参数（泊松比、弹性模量以及密度）分别设置为 0.33、74 GPa、2.7 g/cm³ 以及 0.33、73 GPa、2.8 g/cm³，边界条件中，边界载荷和刚体运动抑制均为全表面。二次电化学研究中，设置电解质电导率为 4 S/m，边界条件中将加强筋部分和管状壳体部分分为两个电极表面计算，但默认 2 种位置均为同一种铝合金材料。设置静水压力参数包括 1 MPa，3 MPa 以及 5 MPa。并以此参数进行参数化扫描。

2 实验结果与讨论

首先考察了经 2 种不同粗糙度砂纸打磨过后的 6A02 和 7049 铝合金的表面形貌结构，结果如图2 所示。图中观察区域面积为 1 000 μm×1 500 μm。发现 2 种铝合金表面没有明显的点蚀坑货杂质存在，仅有打磨时留下的摩擦痕迹，可以证明 2 种铝合金样品均具有较平整的表面形貌结构。

金属表面粗糙度是一个重要的参数，因为它会影响电化学测量的准确性和可重复性。通常情况下，较低的表面粗糙度有助于获得更可靠和一致的测试结果，故在测试金属样品的极化曲线前，需对金属样品进行打磨以降低金属样品表面的粗糙度。将打磨后的 6A02 铝合金和 7049 铝合金样品进行表面粗糙度测试，测试结果如图3 所示。测试结果表面，打磨后的 2 种铝合金材质氧样品表面粗糙度均在 1.3 μm 左右。对于电化学测试，如极化曲线测试，通常要求金属表面的粗糙度在 Ra1.5 µm 以下范围内。这种级别的粗糙度能够提供足够的表面平整度，减少由于表面粗糙度引起的局部电化学反应的不均匀性。

依据海水水深每增加 100 m，海水的压力增加 1 MPa，在 300 m 深度时，压力约为 3 MPa，并以此类推。故为后续模拟铝合金材质设备在不同深度海域当中的腐蚀情况，极化测试时选择对样件施加 1 MPa、3 MPa 以及 5 MPa3 种不同大小的应力，以代表模拟水下 100 m、300 m 以及 500 m 深度产生的静水压力。图4（a）为 6A02 铝合金材料样品在 1 MPa、3 MPa 以及 5 MPa3 种应力作用下的极化曲线。同时采用 Tafel 外推法并利用分析软件拟合动电位极化曲线，拟合出的电化学参数如表2 所示，其中，b_a、b_c 分别为阳极极化系数和阴极极化系数，描述阳极和阴极区域电流密度与电位变化的关系。对比分析极化曲线和表中数据可知，1 MPa 应力作用下 6A02 铝合金材质样品拥有最正的腐蚀电位，为–0.74849 V。同样，在 1 MPa 应力作用下 6A02 铝合金材质样品的腐蚀电流密度最低，为 0.110 46 A/m²，同样说明此材料的耐蚀性最高。相对来说，5 MPa 应力作用下该材料样品的腐蚀电流密度最大，耐蚀性最差，发生腐蚀的风险越大。

图4（b）为 7049 铝合金材料样品在 1 MPa、 3 MPa 以及 5 MPa3 种应力作用下的极化曲线。同样采用 Tafel 外推法并利用分析软件拟合了动电位极化曲线，拟合出的电化学参数如表2 所示，对比分析极化曲线和表中数据可知，1 MPa 应力作用下 7049 铝合金材质样品拥有最正的腐蚀电位，为–0.696 58 V。同样的，1 MPa 应力作用下 7049 铝合金材质样品的腐蚀电流密度最低，为 0.135 27 A/m²，同样说明此材料的耐蚀性最高。相对来说，5 MPa 应力作用下该材料样品的腐蚀电流密度最大，耐蚀性最差，发生腐蚀的风险越大。

此外，由电化学测试数据可以看出，金属材料在施加应力后其极化曲线测试数据更倾向于显示腐蚀的现象。主要原因如下：首先，即使本实验中对金属材料施加的应力没有超过其屈服强度，材料保持在弹性变形阶段。然而，即使在没有超过屈服强度的情况下，材料内部仍可能出现微小的位错或缺陷^[11，13]，尤其是在样件本身存在一定缺陷、晶界或杂质的情况下。尽管这些微小的位错通常不会导致永久变形，但可能会影响材料的微观结构和后续性能。而后当样品处于电化学测试中，这些微小的缺陷可能会导致局部的电化学反应，进而促进腐蚀的发生。另外，金属材料表面的应力集中区域可能导致局部电化学反应的不均匀性增加，从而在这些区域加速了腐蚀的进行。应力集中可以使电位偏移，使得金属在应力区域更容易发生阳极腐蚀或其他形式的腐蚀反应。

由SKP测试数据可以看出，6A02铝合金和7049 铝合金在表面微区电化学测试结果中显示出接近的表面电位和相似的耐腐蚀性能，其表面电位均在 –0.9 V 范围内波动。二者 SKP 测试结果相近的主要原因是由于尽管 6A02 和 7049 铝合金的主要合金元素不同（6A02 主要含镁和硅，而 7049 主要含锌），但它们在微观尺度上的局部化学成分和相结构可能有相似之处。例如，二者都可能形成类似的氧化层或者有相似的晶粒结构，这些都可以影响微区电化学行为。此外，铝合金表面通常会形成一层天然氧化层，这层氧化层对于铝合金的耐腐蚀性能有很大影响。如果 2 种合金的表面氧化层在厚度、组成和结构上非常相似，则它们的表面电位和耐腐蚀性能也会显得相近。任何表面处理过程（如阳极氧化、电镀等）也可以使得不同合金的表面特性趋于一致。

3 模拟结果与讨论

本研究使用有限元计算中的腐蚀模块进行仿真，该模块专门用来对水（电解质水溶液）中的金属结构腐蚀和防护进行建模和模拟^[31]。

求解电化学腐蚀过程模型时，电极表面的边界条件为求解腐蚀速率的关键，要求通过数值方法描述电极材料工作时电流密度与电位之间的极化关系作为电极表面的边界条件，常用的方法包括通过 Tafel 或 Bulter-Volmer 方程描述这一关系，或者基于材料的动电位极化数据建立分段线性模型和分段非线性模型^[32]。综合考虑计算精度和计算量等因素，本文采用 Tafel 方程描述这一关系。其中如阴阳极反应速率等反应动力学参数均基于由 Tafel 方程拟合的极化数据确定。

通过对几何模型的优化，最终完成了设备舱框架的网格划分，如图6 所示。为了保证计算结果的可靠性，对腐蚀敏感区域进行加密处理，其余部分使用常规网格划分。网格划分参数如表3 所示。

本研究利用二次电化学及固体力学 2 个物理场进行深海环境还原。所涉及的计算参数如表4 所示。

此外，6A02 铝合金的杨氏模量、泊松比以及密度分别为 74 GPa、0.33、2.7 g/cm³。7049 铝合金的杨氏模量、泊松比以及密度分别为 73 GPa、0.33、 2.8 g/cm³。而 2 种材质设备在模拟计算时所设置的平衡电位、交换电流密度以及阴阳极 Tafel 斜率分别对应于表2 中的腐蚀电位、腐蚀电流密度以及 b_a和 b_c。

图7 为 2 种材质设备的腐蚀电位有限元仿真结果，可见设备的腐蚀电位分布具有一定规律性，即设备两端和筋骨位置腐蚀电位明显较负。故可由此推断设备两端位置以及筋骨位置处相较于壳体其余位置具有更明显的腐蚀倾向。

比较 2 种铝合金材质设备的腐蚀电位差距可以发现，7049 铝合金材质的设备在不同静水压力之下，其表面平均腐蚀电位明显略正于 6A02 铝合金材质的设备，而通常来讲，金属表面腐蚀电位越负，金属的耐腐蚀性能往往越差。这证明 2 种铝合金之间，7049 铝合金的耐应力腐蚀能力略高于 6A02 铝合金。由图7（a）–（c）可知 6A02 铝合金材质的设备在 1 MPa、3 MPa、5 MPa 的静水压力之下的最负腐蚀电位分别可以达到–0.749 89 V，–0.753 07 V，–0.757 31 V。由图7（d）–（f）可知， 7049 铝合金材质的设备分别可达到–0.692 96 V， –0.696 75 V，–0.699 61 V。

相比设备的腐蚀电位分布，腐蚀电流密度分布相对来说较为复杂。首先，处于水下 100 m 的 6A02 铝合金材质设备，即施加 1 MPa 外加应力时，6A02 铝合金材质设备的外层架筋位置的腐蚀电流密度为 0.7 A/m² 左右。而设备外壁位置中，设备两端的腐蚀电流密度较高，在 1.16 A/m² 左右，而每段架筋相隔的中间部分则较低，约在 0.3 A/m² 左右。与之结果类似，处于水下 100 m 的 7049 铝合金设备外层架筋位置的腐蚀电流密度为 0.65 A/m² 左右。而设备两端的腐蚀电流密度较高，在 0.9 A/m² 左右，而每段架筋相隔的中间部分则较低，在 0.15 A/m² 左右。

与之类似，处于水下 300 m 和 500 m 的 6A02 铝合金设备腐蚀电流密度最高位置依然为设备两端处，分别能够达到 1.4 A/m² 以及 1.7 A/m²。其次腐蚀电流密度较高的位置为外壳上的筋骨处，该位置的腐蚀电流密度仅次于设备两端处，可以达到 1 A/m² 以及 0.8 A/m²。

而这 2 种深度下的 7049 铝合金设备表面的腐蚀电流分布也同样呈现这一规律。其中设备两端位置的腐蚀电流密度最高可达到 1.2 A/m² 以及 1.4 A/m²。其次腐蚀电流密度较高的位置为外壳上的筋骨处，该位置的腐蚀电流密度仅次于设备两端处，可以达到 0.8 A/m² 以及 0.9 A/m² 。

综上所述，所有环境中，2 种材质设备整体电流密度最大位置均为顶端位置。6A02 铝合金材质设备的该位置最大的腐蚀电流密度分别可以达到 1.16 A/m²、1.4 A/m²、1.7 A/m²。而 7049 材质设备在该位置最大的腐蚀电流密度分别可以达到 0.9 A/m² 、1.2 A/m²、1.4 A/m²。

从图8 中的计算结果可以总结出，设备顶端位置的腐蚀电流密度最大，则该位置的腐蚀倾向最大，其次易腐蚀位置为外壁上的筋骨处。此外，在不同的深度海域中，7049 铝合金材质设备的耐腐蚀性能要明显由于 6A02 铝合金材质设备。这归结于 7049 铝合金具有更高的强度和硬度，这意味着它相较于 6A02 铝合金具有更好的力学性能。而深海环境具有的高压特点，使得 7049 铝合金在深海极端条件下可能表现出更好的化学稳定性和耐应力腐蚀性能，而 6A02 铝合金在这些条件下则可能更容易受到腐蚀。

为进一步探究处在深度海洋环境的铝合金材质设备的应力腐蚀行为，对不同环境下的不同材质设备的腐蚀速率进行了研究，具体结果如图9 所示。

由图9 及图10，对不同铝合金材质的设备进行腐蚀速率分布的模拟计算结果与腐蚀电流密度分布情况相符合，腐蚀最严重的位置依然为顶端筋骨与半圆形封顶接触位置。此外，筋骨与外壁接触的焊缝位置也是腐蚀倾向很大的位置图10。

不同水深下，6A02 铝合金设备的最大腐蚀速率分别为 0.011 mm/a，0.013 mm/a，0.016 mm/a。 7049 铝合金设备的最大腐蚀速率分别为 0.009 mm/a， 0.012 mm/a，0.013 mm/a。而根据 2 种材质设备在深海环境中的腐蚀速率与其表面腐蚀电位之间关系的计算结果，可大致推出铝合金材质设备在深海环境中，腐蚀电位（E）与腐蚀速率（A）的关系公式如下。

70 49 铝合金的表面腐蚀电位（E）与腐蚀速率 （A）的关系公式为

6 A02 铝合金的表面腐蚀电位（E）与腐蚀速率 （A）的关系公式为

计算结果同样表明 7049 铝合金相较于 6A02 铝合金在深海环境中具有更好的耐腐蚀能力。

4 结束语

本研究针对深海环境中两种铝合金材质设备发生的腐蚀问题，建立了仿真模型，并通过数值模拟和实验手段研究了深海当中环境因素以及力学因素对深海特种设备腐蚀的影响，通过对不同服役环境的设备腐蚀风险虚拟预测及评估，有效识别该设备腐蚀高风险部位。实验结果表明，由于 7049 铝合金自身更好的耐压性能，使得其在深海高压、高盐分、低温等特点的极端环境中相较于 6A02 铝合金具有更好的耐腐蚀性能，在 500 m 深度的海域，7049 铝合金材质设备表面最大腐蚀速率仅为 0.013 mm/a，这一数值略低于 6A02 铝合金材质设备表面 0.016 mm/a 的最大腐蚀速率。

参考文献