碳鋼在上海土壤中的腐蝕行為研究

邵玉佩, 張 兵, 穆苗苗, 金 雨, 廖強(qiáng)強(qiáng)

(1.上海電力學(xué)院 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院, 上海 200090; 2.陜西電力科學(xué)研究院 國(guó)家電網(wǎng)公司接地工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710054)

碳鋼在上海土壤中的腐蝕行為研究

邵玉佩1, 張 兵2, 穆苗苗1, 金 雨1, 廖強(qiáng)強(qiáng)1

(1.上海電力學(xué)院 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院, 上海 200090; 2.陜西電力科學(xué)研究院 國(guó)家電網(wǎng)公司接地工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710054)

采用電化學(xué)阻抗技術(shù)、極化曲線、光學(xué)顯微鏡、能譜儀和X射線衍射等技術(shù),對(duì)接地極碳鋼材料在上海土壤中的腐蝕電化學(xué)行為進(jìn)行了研究.結(jié)果表明:在上海土壤環(huán)境中,碳鋼的阻抗值隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)出現(xiàn)先升高再平穩(wěn)后上升的趨勢(shì),腐蝕電流密度降低;碳鋼表面形成的腐蝕產(chǎn)物膜,以及陰極氧擴(kuò)散過(guò)程控制的共同作用降低了腐蝕速率;碳鋼腐蝕主要以全面腐蝕為主,還伴有微生物腐蝕現(xiàn)象,腐蝕產(chǎn)物膜主要由Fe2O3組成;接地極碳鋼材料在上海土壤環(huán)境中的耐腐蝕性能為良.

碳鋼; 上海土壤; 接地網(wǎng); 腐蝕行為

發(fā)、變電站的接地網(wǎng)起著防雷電、工作接地、泄流均壓等作用,是維護(hù)電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行、保障運(yùn)行人員和電氣設(shè)備安全的重要措施.接地網(wǎng)腐蝕是導(dǎo)致變電站事故發(fā)生的重要因素[1-2],由于接地裝置的主要部分埋藏于地下,土壤腐蝕是造成接地網(wǎng)腐蝕的主要因素之一[3].因此,研究土壤對(duì)接地極材料的腐蝕行為和防止接地網(wǎng)腐蝕,已成為確保電網(wǎng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵.鄭敏聰?shù)热薣4]研究了接地網(wǎng)材料碳鋼、銅、新材料在安徽各變電站土壤中的耐蝕性和腐蝕規(guī)律,并綜合土壤特性、材料特性和雜散電流等多種因素,提出了接地網(wǎng)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)方法.馬光等人[5]對(duì)接地用銅覆鋼材料在典型土壤和中性鹽霧條件下進(jìn)行了耐腐蝕性試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)銅覆鋼材料有較好的耐蝕性,在堿性土壤中的耐蝕性優(yōu)于酸性土壤.朱敏等人[6]研究了純銅和銅包鋼在大港土壤環(huán)境中的腐蝕行為,發(fā)現(xiàn)純銅的腐蝕速率略小于電鍍銅包鋼和連鑄銅包鋼.張?zhí)m河等人[7]對(duì)吉林市船營(yíng)區(qū)土壤進(jìn)行評(píng)價(jià),研究了含水率、電阻率、pH值等因素對(duì)變電站接地網(wǎng)的腐蝕性.王永紅等人[8]通過(guò)自然浸泡對(duì)碳鋼、鋁、銅、鉛在草甸土、紅壤和荒漠土的腐蝕特性進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)草甸土中的碳鋼、紅壤中的鉛及荒漠土中的銅腐蝕較重.許進(jìn)等人[9]研究了酸雨對(duì)不銹鋼在酸性土壤中的腐蝕電化學(xué)行為,發(fā)現(xiàn)酸雨對(duì)不銹鋼腐蝕性較強(qiáng).LIU S等人[10]測(cè)試了在模擬銹層(SRL)溶液中pH值和氯離子對(duì)鍍鋅鋼電化學(xué)腐蝕行為,結(jié)果表明:在中性SRL溶液中,鍍鋅鋼易發(fā)生點(diǎn)蝕;在堿性溶液中,鍍鋅鋼易發(fā)生鈍化.DE FREITAS CUNHA LINS V等人[11]研究了API X52碳鋼在土壤溶液中的電化學(xué)腐蝕行為,發(fā)現(xiàn)其在巴西土壤中的耐腐性較強(qiáng).PADILLA V等人[12]研究了X52管線鋼在硫酸鹽污染土壤中的耐腐蝕行為,結(jié)果表明其具有較好的耐腐蝕性能.YAN M C等人[13]研究了紅壤中氧化鐵的存在對(duì)鋼的腐蝕行為的影響,發(fā)現(xiàn)氧化鐵對(duì)鋼的腐蝕具有加速作用.我國(guó)擁有30多個(gè)沿海城市,因此研究沿海地區(qū)對(duì)接地極材料的腐蝕行為是具有重要意義的.

上海位于中國(guó)南北海岸中心點(diǎn),長(zhǎng)江和黃浦江入海匯合處.北接長(zhǎng)江,東瀕東海,南臨杭州灣,是長(zhǎng)江三角洲沖積平原的一部分.處于上海自貿(mào)區(qū)的臨港重裝備區(qū)土壤的含鹽量為0.14～23.52 g/kg,平均含鹽量為2.10～3.34 g/kg[14].對(duì)上海市浦東新區(qū)、南匯、金山區(qū)、奉賢、青浦的土壤鹽漬化程度分析可知[15],土壤鹽分平均含量為1.156 g/kg,變幅為0.14～8.8 g/kg.根據(jù)鹽漬化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[16],含鹽量小于2 g/kg的為非鹽化土壤,由此可見(jiàn),上海地區(qū)大部分土壤屬于非鹽化土壤.

碳鋼作為接地極材料中常用的一種金屬材料,其在上海地區(qū)土壤中的耐蝕性能研究較少[16-17].本文通過(guò)電化學(xué)方法和表面分析技術(shù)研究了上海土壤對(duì)接地極碳鋼材料的腐蝕電化學(xué)行為,為碳鋼作為接地極材料在上海土壤中的應(yīng)用和保護(hù)提供參考依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用土壤取自于上海市,成分如表1所示[14],屬于沿海地區(qū)土壤且pH值為8.土壤經(jīng)自然干燥后進(jìn)行研磨并采用20目的篩子過(guò)篩.將過(guò)篩后土壤與去離子水以1∶1的比例配制成土壤溶液.

表1 上海市土壤含量分析 (g·kg-1)

電化學(xué)實(shí)驗(yàn)中工作電極為接地極Q235碳鋼材料.電極采用環(huán)氧樹(shù)脂密封,工作面積為1.0 cm2,表面經(jīng)800～3000#金相砂紙逐級(jí)打磨、拋光,用無(wú)水乙醇除油,經(jīng)去離子水沖洗干凈后立刻放入土壤溶液中,以防暴露在大氣中造成腐蝕.

實(shí)驗(yàn)采用經(jīng)典的三電極體系,工作電極為碳鋼電極,輔助電極為鉑電極,參比電極為飽和甘汞電極(SCE).利用PARSTAT 2273電化學(xué)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行阻抗測(cè)試和極化曲線測(cè)試.電化學(xué)阻抗譜測(cè)試頻率范圍為100～5.0×104kHz,交流激勵(lì)信號(hào)為5 mV的正弦波,測(cè)量結(jié)果用ZSimpWin軟件擬合處理;極化曲線掃描速率為5 mV/s,掃描電位為-1.0～-0.45V;本文所示電位均相對(duì)于SCE,所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下測(cè)試.采用日立公司SU-1500型能譜儀(EDS)、ZMISS CSM700白光共聚焦顯微鏡和BRURER D8 ADVANCE型X射線衍射儀對(duì)碳鋼表面腐蝕產(chǎn)物膜的形貌進(jìn)行觀察,并測(cè)試腐蝕產(chǎn)物膜的元素組成,測(cè)試結(jié)果采用Jade 6.0軟件進(jìn)行處理分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 電化學(xué)阻抗譜測(cè)試分析

圖1為碳鋼在上海土壤溶液中浸泡不同時(shí)間的交流阻抗譜圖,分別以浸泡1 d,91 d,160 d的阻抗數(shù)據(jù)代表碳鋼電極腐蝕前期、中期和后期的情況.

圖1 碳鋼在上海土壤溶液中的交流阻抗譜示意

利用ZSimpWin軟件,采用如圖2所示的等效電路對(duì)阻抗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合.其中Rs為介質(zhì)電阻,R1為電極表面腐蝕產(chǎn)物和土粒組成的結(jié)合層電阻,Rct為電荷轉(zhuǎn)移電阻,C1為電極表面結(jié)合層電容,C2為雙電層電容.

圖2 電化學(xué)阻抗譜擬合電路

根據(jù)碳鋼的EIS等效電路擬合結(jié)果作出阻抗譜擬合數(shù)據(jù)中的R1和Rct值隨浸泡時(shí)間變化關(guān)系曲線,具體如圖3所示.由圖3可以看出,隨著浸泡時(shí)間的增加,在上海土壤溶液中的碳鋼R1值升高到最大值后降低并趨于平穩(wěn),Rct值呈現(xiàn)先升高再平穩(wěn)后上升的趨勢(shì).在腐蝕初期,R1值隨著浸泡時(shí)間增加而升高,主要是由于碳鋼表面形成的腐蝕產(chǎn)物逐漸與周圍土粒結(jié)合并在試樣表面沉積形成腐蝕產(chǎn)物結(jié)合層,結(jié)合層的覆蓋面積增加,對(duì)電化學(xué)過(guò)程中的傳質(zhì)過(guò)程起一定的阻礙作用.由于土壤中具有侵蝕性的陰離子的不斷侵蝕,吸附在碳鋼表面并不致密的結(jié)合層被破壞,導(dǎo)致R1值上升到最大值后降低.隨著反應(yīng)進(jìn)行到腐蝕中期,腐蝕產(chǎn)物結(jié)合層的生成速度和被破壞速度達(dá)到平衡,R1值逐漸平穩(wěn).由于腐蝕產(chǎn)物結(jié)合層并不致密,同時(shí)土壤溶液中電極表面附近氧濃度不高,陰極反應(yīng)中氧擴(kuò)散較慢,因此腐蝕過(guò)程主要受氧擴(kuò)散過(guò)程控制.

Rct值越大,其基體發(fā)生腐蝕反應(yīng)的阻力就越大.因此,在腐蝕后期的碳鋼腐蝕電極反應(yīng)受阻力較之前大,反應(yīng)速率變慢.

圖3 碳鋼在上海土壤溶液中R1和Rct隨時(shí)間變化關(guān)系

2.2 Tafel曲線分析

圖4為碳鋼在上海土壤溶液中浸泡不同時(shí)間后的極化曲線圖.由圖4可以看出,碳鋼的陽(yáng)極極化曲線過(guò)了弱極化區(qū)后,極化電流i隨極化電位E的升高變化很小,表現(xiàn)出自鈍化行為,這主要是由于長(zhǎng)時(shí)間浸泡,碳鋼表面被腐蝕產(chǎn)物層覆蓋導(dǎo)致的.

采用PowerSuite軟件對(duì)極化曲線進(jìn)行擬合處理,得到相應(yīng)的腐蝕電位與腐蝕電流密度見(jiàn)表2.

由法拉第定律推知腐蝕電流密度與腐蝕速率的關(guān)系并得出碳鋼的腐蝕速率為:

式中:v-——腐蝕速率;icorr——腐蝕電流密度;n——發(fā)生 1 mol 電極反應(yīng)得失電子的物質(zhì)的量,取n=2;

A——被腐蝕金屬的摩爾質(zhì)量,取Fe的摩爾質(zhì)量,近似為56 g/mol.

結(jié)合圖4和表2可知,隨著浸泡時(shí)間的增加,腐蝕后期的腐蝕速率小于腐蝕中期,與交流阻抗譜分析結(jié)果一致.根據(jù)腐蝕等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[18],浸泡91天與160天后的碳鋼電極腐蝕程度均為第二等級(jí)(3

圖4 碳鋼在上海土壤溶液中浸泡不同時(shí)間后的極化曲線

表2 碳鋼在上海土壤溶液中浸泡不同時(shí)間后的電化學(xué)參數(shù)

注:Ecorr—腐蝕電位.

2.3 腐蝕產(chǎn)物分析

將浸泡后的碳鋼電極從土壤中取出,立刻采用去離子水洗凈,發(fā)現(xiàn)碳鋼表面呈現(xiàn)灰綠色,之后轉(zhuǎn)變?yōu)榧t棕色.圖5為碳鋼在上海土壤溶液中浸泡160天后的腐蝕產(chǎn)物能譜圖.從能譜儀(EDS)分析可知,碳鋼表面腐蝕產(chǎn)物中存在較高含量的碳、鐵和氧,表明該腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物.碳鋼表面在上海土壤中被腐蝕,且表面部分覆蓋棕黃色腐蝕產(chǎn)物.

采用X射線衍射(XRD)對(duì)腐蝕產(chǎn)物膜進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)圖6.采用Jade 6.0軟件進(jìn)行分析,結(jié)果表明,腐蝕產(chǎn)物膜主要為Fe2O3,說(shuō)明進(jìn)行的陰、陽(yáng)極反應(yīng)主要為氧的去極化和鐵原子的氧化.碳鋼表面腐蝕產(chǎn)物EDS和XRD分析都表明腐蝕產(chǎn)物中存在FeS,說(shuō)明碳鋼還發(fā)生了硫酸鹽還原菌的腐蝕.由此可知,碳鋼在上海土壤腐蝕過(guò)程中,陰極除了氧的去極化外,還有微生物參與反應(yīng).

注:C,O,Fe,S,Mn,Cr元素的含量分別為14.83%,38.85%,45.43%,0.37%,0.33%,0.89%.

圖6 在上海土壤溶液中浸泡后的碳鋼腐蝕產(chǎn)物XRD分析

3 結(jié) 論

(1) 在上海土壤條件下,碳鋼表面形成的腐蝕產(chǎn)物膜,以及陰極氧擴(kuò)散過(guò)程控制的共同作用降低了腐蝕速率;

(2) 碳鋼腐蝕主要以全面腐蝕為主,還伴有微生物腐蝕現(xiàn)象,腐蝕產(chǎn)物膜主要由Fe2O3組成;

(3) 接地極碳鋼材料在上海土壤中的腐蝕速率隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大,耐腐蝕性能為良,表現(xiàn)出較好的抗土壤腐蝕能力.

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(編輯 桂金星)

Study on Corrosion Behaviors of Carbon Steel in Shanghai Soil

SHAO Yupei1, ZHANG Bing2, MU Miaomiao1, JIN Yu1, LIAO Qiangqiang1

(1.SchoolofEnvironmentalandChemicalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China; 2.LabofGroundingEngineeringandTechnologyofStateGrid,ShaanxiElectricPowerResearchInstitute,Xi′an710054,China)

The corrosion behaviors of carbon steel for grounding grids in Shanghai soil is analyzed using electrochemical impedance spectroscopy (EIS),polarization curve measurement,energy dispersive spectrometer,optical microscopy and X-ray diffraction.The results show that with the bury duration,the resistance of carbon steel increases and then tends to be stable after rising in Shanghai soil,the corrosion current density decreases,the corrosion rate decreases,which may be due to a combination of the corrosion products forming on the surface of carbon steel and the oxygen diffusion control.Corrosion of carbon steel is mainly of general corrosion,accompanied by microbial corrosion phenomena,corrosion products forming consisting mainly of Fe2O3.According to the corrosion resistance evaluation criteria,the corrosion resistance of carbon steel for grounding grids in Shanghai soil is fine.

carbon steel; Shanghai soil; grounding grid; corrosion behavior

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.06.013

2015-09-30

簡(jiǎn)介：邵玉佩(1994-),女,在讀碩士,浙江溫州人.主要研究方向?yàn)榻拥貥O材料的腐蝕與防護(hù). E-mail:shypyx@126.com.

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)項(xiàng)目(14DZ1201500);國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(5226SX13044J).

TG172.4

A

1006-4729(2016)06-0565-05