磁場對航空拖纜碳鋼材料腐蝕行為影響研究

曹勇，楊志成

（中國人民解放軍92419部隊，遼寧 興城 125106）

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磁場對航空拖纜碳鋼材料腐蝕行為影響研究

曹勇，楊志成

（中國人民解放軍92419部隊，遼寧 興城 125106）

目的 鑒于航空拖纜海洋環(huán)境使用的實際需要以及海洋環(huán)境中磁場對腐蝕的影響，展開磁場對航空拖纜碳鋼材料腐蝕行為影響的研究。方法 分別運用線性極化、交流阻抗以及電化學噪聲等試驗方法研究施加磁場擾動下碳鋼腐蝕速度變化以及腐蝕機理。結果 施加磁場后，陰極氧去極化過程和中間產(chǎn)物的形成過程在碳鋼不同腐蝕狀態(tài)下分別占主導地位。當磁場強度較低時，陰極氧去極化被抑制，是腐蝕速度的控制步驟，電荷轉移電阻增大，腐蝕速度減小。磁場強度逐漸增大，中間產(chǎn)物的形成和轉化過程逐漸成為主導因素，噪聲電阻增大，腐蝕速度減小。結論 磁場對航空拖纜碳鋼材料的腐蝕速度產(chǎn)生影響。

電化學；腐蝕；磁場

航空拖纜作為拖靶與拖帶母機的連接體［1—3］經(jīng)常在海洋環(huán)境中使用，易發(fā)生腐蝕［4—7］，而且海洋環(huán)境復雜，尤其磁場對腐蝕影響較大［8］。因此筆者運用電化學方法初步研究在磁場影響下，航空拖纜碳鋼材料在海洋環(huán)境中的腐蝕速度變化規(guī)律，并通過電化學交流阻抗和電化學噪聲測試初步分析磁場作用下碳鋼的腐蝕機理，為航空拖纜的安全使用提供依據(jù)。

1　試驗

1.1材料

試驗所用材料為某型航空拖纜用碳鋼，材料成分（以質量分數(shù)計）為：Si 0.23%，Mn 0.57%，P 0.020%，C 0.74%，S 0.025%，F(xiàn)e余量。試驗介質為3%NaCl溶液。

1.2測試方法

選取方形固體磁鐵作為磁場發(fā)生源，通過控制試驗電極表面與方形磁鐵表面的距離來調節(jié)外加與電極表面的磁場強度大小。固定裝置設置試樣表面與磁鐵表面的距離分別為4，2，1，0.5 cm，測量相應距離下外加于電極表面的磁場強度分別為523，1220，1915，2280 G。

試驗開始前，試樣在固定外加磁場強度的溶液中浸泡20 min，使試樣表面處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。記錄不同磁場下試樣浸泡前10 min和磁場增大過程中碳鋼的自腐蝕電位變化曲線。

線性極化曲線測量時，電位掃描范圍為開路電位±10 mV，掃描速率為0.167 mV/s；陰極極化曲線測量時，電位從開路電路向陰極反應方向掃描，幅度為400 mV；交流阻抗測試時，頻率掃描范圍為10-2～105Hz，通過Zview軟件對Nyquist圖進行等效電路擬合和分析；電化學噪聲監(jiān)測時，取樣頻率為4 Hz，每組數(shù)據(jù)時間長度為256 s。

2　試驗結果與分析

2.1極化曲線測試

外加磁場強度下，碳鋼在3%NaCl溶液中浸泡10 min的開路電位變化曲線如圖1所示?？梢钥闯?，隨著磁場強度逐漸增大，碳鋼的開路電位越負，當磁場強度增大到2280 G時，碳鋼開路電位較其它磁場強度下的開路電位正。

圖1　不同磁場強度下的開路電位Fig.1　OCP at different magnetic field intensity

分析圖2曲線和表1數(shù)據(jù)可知，施加523 G磁場強度，極化電阻Rp增大，腐蝕速率減小，說明施加某種強度的磁場能抑制腐蝕的發(fā)生擴展。繼續(xù)施加磁場強度至1220，1915，2280 G時，極化電阻Rp則明顯減小，且極化電阻Rp和腐蝕速率變化不大，說明超過某種磁場強度，磁場強度的改變對腐蝕的影響程度有限。

圖2　不同磁場強度下的線性極化曲線Fig.2　Linear polarization curves at different magnetic field intensity

表1　線性極化曲線擬合結果Table 1　Fit results of the linear polarization curves

分析圖3陰極極化曲線，觀察到陰極氧去極化過程對應的電流密度，如果掃描電位繼續(xù)降低，則陰極可能出現(xiàn)析氫反應，當掃描電位達到析氫電位后，陰極曲線出現(xiàn)轉折。磁場強度為523，1220 G時，電位從-700 mV向陰極掃描至-1000 mV的過程對應了碳鋼的氧去極化反應，電位繼續(xù)往陰極方向掃描，碳鋼的陰極出現(xiàn)析氫反應。磁場強度為1915，2280 G時，陰極極化曲線與未施加磁場條件下的陰極極化曲線差異不大，氧去極化過程的電流密度增大，在-1000 mV時沒有出現(xiàn)析氫反應?？梢?，施加較小磁場強度能夠減緩陰極氧去極化反應，繼續(xù)增大磁場強度，碳鋼陰極氧去極化過程增強，陰極析氫反應延緩出現(xiàn)［9—10］。

圖3　不同磁場強度下的陰極極化曲線Fig.3　Cathodal linear polarization curves at different magnetic field intensity

2.2交流阻抗測試

為深入弄清楚磁場對碳鋼腐蝕影響機理，測試了不同磁場強度下碳鋼腐蝕的交流阻抗，如圖4所示。對電化學交流阻抗譜圖進行等效電路擬合和分析［11—13］。經(jīng)過嘗試，難以找到一個模型能夠同時很好符合這五種磁場強度下的阻抗圖，這就意味著不同磁場強度下的腐蝕模型和機理是不同的。用圖5的等效模擬電路對無磁場影響和磁場強度為523 G情況下的腐蝕交流阻抗圖譜進行擬合，擬合結果見表2。施加強度523 G的磁場時，極化電阻Rp即R1增大。

圖4　不同磁場強度下的交流阻抗Fig.4　EIS curves at different magnetic field intensity

圖5　523 G和無磁場強度下的等效模擬電路Fig.5　Equivalent circuit at 523G magnetic field intensity and no magnetic field intensity

表2　采用圖5等效模擬電路的擬合結果Table 2　Fit results of equivalent circuit

用圖6的等效模擬電路對磁場強度為1220，1915 G情況下的腐蝕交流阻抗圖譜進行擬合，擬合結果見表3。

圖6　1220 G和1915 G磁場強度下的等效模擬電路Fig.6　Equivalent circuit at 1220 G magnetic field intensity and 1915 G magnetic field intensity

表3　采用圖6等效模擬電路的擬合結果Table 3　Fit results of equivalent circuit in Fig.6

圖6所示的等效模擬電路為典型的低頻區(qū)出現(xiàn)感抗弧的電化學體系。施加磁場下的感抗是由電極腐蝕過程的中間產(chǎn)物引起的，中間產(chǎn)物吸附于金屬電極表面產(chǎn)生表面吸附絡合物，吸附過程的弛豫時間常數(shù)要比雙層電容Cd1與Rt組成的充放電過程的弛豫時間常數(shù)RtCd1大得多，因此在阻抗圖的低頻部分會出現(xiàn)感抗弧。R1為電荷轉移電阻，等效電阻R2和等效電感L1串聯(lián)表示形成感抗弧的電路示意圖，極化電阻Rp一般小于電荷轉移電阻R1。分析表4中的擬合數(shù)據(jù)，磁場強度從1220 G提高到1915 G，電荷轉移電阻R1增大，而代表感抗元件的阻抗值變化不大，感抗值略有增加。

用圖7的等效模擬電路對磁場強度2280 G的腐蝕交流阻抗圖譜進行擬合，得到Rs，Ws-R，Ws-T，Ws-P分別為2.475 Ω，29.7 Ω，0.010 252 Ω，0.513 37 Ω。

圖7　2280 G磁場強度下的等效模擬電路Fig.7　Equivalent circuit at 2280 G magnetic field intensity

圖7所示的等效模擬電路圖為典型有限擴散層厚度的電極阻抗圖，低頻下的腐蝕完全由濃差擴散控制，高頻部分則相當于RC串聯(lián)電路。實際測量中，當電極表面存在擴散層控制時，在低頻下，離子的遷移過程可以通過延長時間來擴散到金屬表面。

觀察Nyquist圖并比較分析采用不同模擬電路的擬合結果在數(shù)據(jù)，可見，未施加磁場時，碳鋼的腐蝕阻抗圖譜只表現(xiàn)出一個容抗弧。對碳鋼腐蝕體系施加一定強度磁場之后，在高頻部分依然表現(xiàn)出一個容抗弧，但是在低頻部分開始出現(xiàn)感抗弧。磁場強度為523 G時，容抗弧直徑增大；增大磁場強度到1220 G時，容抗弧反而急劇減小；繼續(xù)增大磁場強度時，交流阻抗譜圖變化較小。分析數(shù)據(jù)可知，磁場強度為523 G時，腐蝕體系阻抗值增大；增大磁場強度到1220 G時，腐蝕體系阻抗值減?。焕^續(xù)增大外加磁場強度到1915 G和2280 G時，腐蝕體系阻抗值變化較小，與線性極化曲線結果一致。

2.3電化學噪聲試驗

分析圖8不同磁場強度下碳鋼腐蝕的電化學噪聲圖譜。未施加磁場時，電化學噪聲信號中有明顯的波動峰，施加一定強度磁場后，波動峰明顯減少，電位和電流變化比較平緩。

圖8　不同磁場強度下的電化學噪聲圖譜Fig.8　EN spectra at different magnetic field intensity

觀察表4電化學噪聲譜圖去除直流分量的時域統(tǒng)計結果，隨著磁場強度增大，δV先減小后增大，δi不斷減小。噪聲電阻Rn先減小，磁場強度1915 G時，Rn又增大，繼續(xù)增強磁場強度，Rn又減小。

觀察表5電位噪聲積分統(tǒng)計結果可得，b值均很小。說明磁場條件下，金屬表面的腐蝕方向性很強，可“修復”或者易“反向”的腐蝕發(fā)生幾率低，b值對統(tǒng)計結果的修正作用不大［14—15］。

表4　電化學噪聲統(tǒng)計學結果Table 4　Statistical results of EN

表5　電位噪聲積分統(tǒng)計結果Table 5　Statistical result of integral

3　結論

1）施加523 G磁場強度，極化電阻增大，腐蝕速度減小。

2）磁場強度較低時，陰極氧去極化被抑制，是腐蝕速度的控制步驟，電荷轉移電阻增大，導致腐蝕速度減小。

3）磁場強度逐漸增大，中間產(chǎn)物的形成和轉化過程逐漸成為主導因素，噪聲電阻增大，腐蝕速度減小。

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Effect of Magnetic Field on Corrosion Behavior of Aerial Cable’s Carbon Steel

CAO Yong，YANG Zhi-cheng
（No.92419 Unit of PLA，Xingcheng 125106，China）

Objective The effect of magnetic field on corrosion behavior of aerial cable’s carbon steel is researched，because aerial cable is used in the sea environment and magnetic field in ocean always effects corrosion.Methods The polarization，electrochemical impedance spectrum and electrochemical noise skills were employed to study variation of corrosion rate and mechanism of corrosion of the carbon steel in magnetic field.Results The experimental results showed that after adding the external magnetic field，the depolarization process of cathode oxygen and the formation process of the intermediate product took leading positions respectively under different corrosion status of carbon steel.When the magnetic field strength was low，the depolarization of cathode oxygen was inhibited.That was the control step of corrosion rate，resulting in decrease of the corrosion rate and increase of charge transfer resistance.When the magnetic field strength got stronger gradually，the formation and transformation of intermediate product gradually became a dominant factor.The noise resistance increased and the corrosion speed decreased.Conclusion The magnetic field has certain effect on the corrosion rate of aerial cable’s carbon steel.

electrochemistry；corrosion；magnetic field

2016-04-13；Revised：2016-05-22

10.7643/issn.1672-9242.2016.04.007

TJ04；TG172.5

A

1672-9242（2016）04-0042-06

2016-04-13；

2016-05-22

曹勇（1988—），男，遼寧葫蘆島人，主要研究方向為金屬材料的腐蝕與防護等。

Biography：CAO Yong(1988—),Male,from Huludao,Liaoning,Research focus:corrosion&protection of metal materials.