众所周知，天然气是优质高效、绿色清洁，经济实惠、安全可靠的低碳能源。2021 年，中国生产天然气 2053 亿立方米，而消费量达到 3726 亿立方米，我国每年需要进口大量的天然气来满足国内市场需求。

图1 2021年中国天然气生产进口比例

为解决能源短缺问题，我国花费大量资源开发海上钻探技术，以在南海等领海内寻找海底油田等珍贵资源。不久之前，南海传来了一个重磅消息，该消息称南海成功探测到并打下了一口产量超百万立方的天然气井。该天然气井的创建不仅打破了现有的世界纪录，也克服了在超深海域（1500 米以上）开采水下油气田的世界性难题，海上天然气井成就的获得离不开大型海洋先进设备的支持，如：海上石油平台、海洋钻井平台、深潜潜水器等。

图2 大型海洋设备

然而，海洋并不像我们平日所见到的那般风平浪静，海洋之中隐藏着一只能“吞噬金属的老虎”——腐蚀。上面提到的大多数海洋工程设施的主要成分为钢铁，它们在海上难以躲避“腐蚀”这只凶猛的老虎。

腐蚀给我国每年带来的成本损失约为2.1 万亿元，占我们国家国民经济总产值的3.34% ，也就是说，每年每个国人平均要承担 1500 余元的腐蚀成本，这是一个极其庞大的数字。

因此，正确认识、研究和解决海洋腐蚀的相关问题，对海洋资源的开发与采集、海洋设备的保护，甚至对提升国家海上军事实力，维护国家海洋边境稳定都具有重要意义。

Cl ^- ——针对钢铁的毒药

海水中溶解的盐类以氯化钠 （NaCl） 为主。所谓的氯化钠就是日常生活中食盐的主要成分。我们通常可以把海水近似地看作质量分数为 3.5% 的 NaCl 溶液。在海水中，NaCl 并不是以一个统一的整体存在，而以 Na离子与 Cl 离子的形式存在于海水之中。我们日常饮食离不开盐，无论是香脆可口的盐焗鸡，还是平淡清甜的水白灼时蔬都离不开食用盐的调味。厨房中那口勤勤恳恳的中华大铁锅，即便每天都要面对无数的食用盐——氯化钠，它也是这么油光靓丽，不见一片铁锈，这乍一看氯化钠似乎与腐蚀并没有什么关联之处。

图3氯化钠晶体结构示意图

然而事实正是如此吗？接下来让我们来看看，氯化钠是如何瓦解钢铁的防御，侵蚀钢铁，甚至连不锈钢都不能幸免于难。

通常而言，钢铁中，特别是不锈钢中的铬 （Cr） 元素会在钢铁表面形成一层致密的氧化铬Cr2O3 保护膜，它就像一堵城墙那样，使外来入侵者的进不去，里面的居民不流失，从而起到保护钢铁的作用。

然而海水中的 Cl - 相当于是让钢铁“破防”的毒药。它会破坏氧化铬保护膜，从而使得钢铁的表面变为可以被腐蚀的状态，这时候外来的侵略者就可以长驱直入钢铁这座城池内部，对城内的居民进行压榨。侵略者的类型多种多样，譬如海水与钢铁的摩擦、海洋生物的附着与碰撞、空气中的氧气等，它们都能对“破防”的钢铁造成伤害。

点蚀——海上危险的刺客

在海洋之上，钢铁有可能发生很多种腐蚀现象，如：全面腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀、晶间腐蚀等。点蚀现象对钢铁以及钢铁器械造成的损伤具有极强的隐蔽性和破坏性。而前面提到的 Cl - 便是造成点蚀的罪魁祸首。

图4扫描电子显微镜下看到的点蚀形貌

点蚀，也称小孔腐蚀，是一种集中在金属表面很小范围内，并能深入到金属内部的小孔状腐蚀形态。严重时点蚀造成的腐蚀深度是其孔径的数十倍，就像是用一根针深深地扎进了钢铁之中。同时，点蚀的隐蔽性很强，容易被人忽视，形成安全隐患，它常常暗中使设备和管壁穿孔，从而引发突发事故，造成财产损失，危及人身安全。

那么为什么说点蚀现象的隐蔽性和破坏性极强呢？

那么小的一个腐蚀孔又是怎么比得上大面积腐蚀的危害呢？通常，对海洋工程的设备腐蚀情况检查可通过检测设备重量的减少，缺口、开裂的尺寸，亦或者是表面的锈迹观察等手段来判断设备的腐蚀程度。然而，我们之前提到点蚀的腐蚀孔径很小，它造成的重量损失也十分微小，这种细微的重量差别难以被检测设备捕捉；同时点蚀微小的腐蚀孔经常被腐蚀产物覆盖，腐蚀孔洞深入钢铁之中，也就难以被观察到。正因为如此，定量测量和比较设备中不同位置的点蚀程度非常困难，所以在日常的设备检查中，很难发现点蚀现象，也较难判断点蚀现象发生的具体时间。另外，在实际情况中点蚀的蚀孔并不像针一样笔直，而是呈现弯弯曲曲、十分复杂的形状。难被发现的点蚀现象给海洋设备留下了巨大的安全隐患。这就是点蚀的隐蔽性极强的原因。

而大面积的全面腐蚀一般停留在钢铁的表面，表现为在钢铁的表面形成一层暗红色的氧化物，俗称铁锈。锈蚀可以直接利用肉眼观察到，不仅如此，也有很多简单的设备可以实时监控全面腐蚀的发生。所以其造成的危害要小于点蚀。

图5 全面腐蚀示意图，其中(a)：均匀全面腐蚀示意图，（b）：不均匀全面腐蚀示意图，(c)、(d)：全面腐蚀表面实际图片

点蚀这种隐蔽性极强的腐蚀常常伴随的破坏性会更大，举个例子：若是承重用的钢铁发生严重的点蚀现象时，我们又无法及时地检测到它的发生，钢铁逐渐被深入侵蚀，等到过了临界值之后，承重钢就会发生意料之外的断裂。这对于在场的设备、工作人员，以及已经采集存储起来的资源来说，都是一场无妄之灾。

其实点蚀一开始的形成速度并不快，但是经过一段时间的积累后，它会呈现出爆发式发展。点蚀的过程可以分为两个阶段——蚀孔成核阶段和蚀孔生长阶段，简单来说就是“发生”与“发展”两大阶段。

一方面，从微观的角度看，钢铁是许多个晶粒所组成的，而在这些晶粒与晶粒间的界面称为“晶界”，而在钢铁的铸造过程中，会在晶界产生一些与钢铁不同的沉淀物，导致钢铁成分的不均匀，进一步影响到钢铁表面的氧化保护膜。另一方面，从宏观的角度看，钢铁之中存在着一些夹杂物，而这些夹杂物很容易溶解，而且它的溶解产物能起到活化作用，进一步促进了蚀孔的形成。夹杂物就像是一个城池里面出现的叛徒，它不仅大开城门，而且还替敌人带路。总的来说，因为钢铁出现了“防御脆弱”的位置，这些脆弱的位置容易受到 Cl - 的攻击，从而变为了形成点蚀的“核心”。

而“核心”一旦形成，蚀孔的发展便十分迅速。我们知道，催化反应可以极大地加速化学反应的速度。而点蚀发展的过程相当于是一个自我催化的过程，换言之，点蚀的产物会进一步促进点蚀的发展，而点蚀发展又进一步产生点蚀产物，形成一个正向反馈的过程。这就是点蚀的危害性极强的原因。

图6 正向反馈的自催化反应

防护——降低伤害的措施

“那点蚀这么强大，那它岂不是无解啦？”或许有人会这么问。其实不然，正如闯关游戏那样，通过不断的打怪升级，积蓄经验，我们都能打败最终boss 。而无论多难的问题，总会有相应的解决办法。经过众多科研工作者多年的不懈研究，我们也拥有了足够的装备、经验以及手段来防御点蚀这只boss：

①选用耐点蚀的合金材料：近年来发展了很多含有高含量Cr、Ni、Mo，以及含N、低碳的奥氏体不锈钢。还有双相钢和高纯铁素体不锈钢的耐点蚀性能都比较优秀。

图7 镍基合金

②钝化材料表面：刚才提到的氧化铬保护膜其实也是钝化表面的一种体现，而进一步钝化材料表面、提高其钝态的稳定性，则有利于避免 Cl - 的侵蚀。

③涂镀层保护：涂层对海洋工程材料有良好的防污、防蚀、防冲刷得功能，能有效地提高钢铁的使用寿命。

钝化膜与涂层就像城墙一般保护着里面的金属设备。

图8 保护钢铁的城墙：“钝化表面”与“涂镀层”

④阴极保护：当钢铁作为阳极参与反应的时候，就会使得金属原子失去电子变为金属离子，表现为钢铁被腐蚀。而我们可以通过通电，或者找一种更容易被腐蚀的金属，将我们需要保护的钢铁变为阴极，起到防止腐蚀的作用。前者被称为外加电流的阴极保护法，后者被称为牺牲阳极的阴极保护法。

图9 使用外加电流阴极保护法保护钢闸门示意图

图10 使用牺牲阳极阴极保护法保护钢闸门示意图

科研——改变命运的关键

中国工程院柯伟院士指出：“腐蚀防护业的蓬勃发展，需要一批年轻有为、青出于蓝而胜于蓝的开拓者，拥有了这样的新生力量，相信我们国家的腐蚀防护行业将会迎来更为辉煌的明天！”

图11 柯伟院士

当今国际时势瞬息万变，我国在一些重大领域遇到了技术“卡脖子”的情况。因此我们要坚持研发自己的技术，发展自己的方法，走上自己的道路，将一个个的科学难关攻破，将我国的命运掌握在自己手上。如今我国腐蚀研究处于国际一流水平，有多个世界知名腐蚀研究中心以及一大批老-中-青腐蚀学科工作者，取得了一批代表性的基础研究和工程应用成果。相信随着科技的进步，腐蚀问题可以得到进一步缓解，甚至化腐朽为神奇。

致谢

感谢中山大学刘仁杰、农靖，华南农业大学梁嘉炜等同学在撰写本文中提供的帮助