雜散電流與Cl-對碳鋼腐蝕行為實驗探索與設(shè)計

萬紅霞，宋東東，陳長風，李婷婷

(1 中國石油大學(xué)(北京)新能源與材料學(xué)院，北京 102249；2 暨南大學(xué)先進耐磨蝕及功能材料研究院，廣東 廣州 510632)

近年來，隨著埋地石油管道與高壓輸電線路等交流電力設(shè)施交叉鋪設(shè)的情況越來越多，這些電力設(shè)施所產(chǎn)生的交流電加速了管道的腐蝕，甚至造成腐蝕穿孔，最終導(dǎo)致管道腐蝕失效[1-2]。除此之外，由于地下油氣管道往往埋設(shè)較深，處于地下水豐富、透水性強的地層土壤中，而土壤中的富含的氯離子極易滲透到金屬管道附近[3-4]，因此埋地管道往往處于雜散電流與氯離子共存的腐蝕環(huán)境中。雜散電流與Cl-腐蝕其本質(zhì)都是電化學(xué)腐蝕，但交流電對腐蝕的影響遠大于Cl-引發(fā)的腐蝕，但雜散電流對腐蝕的影響部分是由于雜散電流促進離子遷移[5]，同時氯離子會通過破壞金屬表面的鈍化膜從而加速雜散電流的腐蝕[6]，在二者的共同作用下，金屬的腐蝕速率和點蝕敏感性增加[7]。石油管道是石油輸送的大脈動，非常有必要讓本科生了解石油、天然氣工業(yè)雜散電流和Cl-共同作用對管道的危害。本文在調(diào)研文獻的基礎(chǔ)上結(jié)合實驗教學(xué)，增加實驗內(nèi)容，與腐蝕測試技術(shù)相結(jié)合，拓寬學(xué)生實驗思路，提高學(xué)生的科研能力，增強學(xué)生對交流電和Cl-腐蝕的認識。

采用電化學(xué)測試技術(shù)對X80鋼在中性NS4溶液中的開路電位及極化曲線進行測試，通過掃描電子顯微鏡(SEM)對其腐蝕后的表面形貌進行觀察，研究不同交流電密度和Cl-濃度對X80鋼腐蝕的影響。

1 實 驗

1.1 材料和試劑

實驗所用的材料為X80高強管線鋼，采用的溶液體系為近中性NS4溶液，其成分為：碳酸氫鈉(NaHCO3) 0.483 g/L，氯化鉀(KCl) 0.122 g/L，氯化鈣(CaCl2) 0.137 g/L，七水硫酸鎂(MgSO4·7H2O) 0.131 g/L。通過加入NaCl調(diào)節(jié)溶液中的10X和100XCl-濃度。

用于浸泡和電化學(xué)實驗所用X80鋼的大小均為10 mm×10 mm×3 mm，試樣背面焊接Cu導(dǎo)線，除工作面之外其余面用環(huán)氧樹脂密封。浸泡和電化學(xué)試樣均用砂紙逐級打磨至1500#，致工作面無粗劃痕存在，接著用去離子水和酒精沖洗，吹干待用。

1.2 實驗方法

(1)電化學(xué)實驗

圖1 交流電干擾下X80鋼電化學(xué)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of electrochemical deviceunder the effect of AC

電化學(xué)實驗所采用的裝置如圖1所示，通過信號發(fā)生器向試樣施加均方根電流密度分別為30 A/m2、100 A/m2、300 A/m2，頻率為50 Hz的正弦交流電信號。電化學(xué)測試在CHI660D工作站上進行，測試采用三電極測試體系，工作電極為X80鋼，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極。實驗裝置圖中的電容用以防止電化學(xué)測試系統(tǒng)對交流電源產(chǎn)生干擾，電感以防止交流電對電化學(xué)測試系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。電化學(xué)實驗分別進行了開路電位和極化曲線測試。開路電位的測量分為兩個過程，第一，0～600 s未施加交流電前電位的測量，第二，600～1200 s施加交流電后電位的測量。極化曲線需待開路電位穩(wěn)定后進行測試，其掃描速率為0.5 mV/s，掃描電位范圍為-0.5～+0.5V(vs. SCE)。

(2)浸泡實驗

采用信號發(fā)生器施加電流密度為30 A/m2的交流電，觀察X80鋼在不同Cl-濃度(10X、100X)下的NS4溶液中浸泡一定時間后的腐蝕形貌，為了實驗結(jié)果討論的合理性，同時設(shè)置X80鋼在未施加交流電的對照組實驗。按照圖1所示安裝試樣和石墨電極，交流干擾信號發(fā)生器的正極接試樣，負極接石墨電極。每個條件平行樣為三個。實驗結(jié)束后，將試樣在去離子中輕輕清洗，酒精潤洗，然后自然晾干。用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察不同Cl-濃度下X80鋼表面的腐蝕形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 電化學(xué)實驗

圖2為X80鋼在10XCl-和100XCl-濃度作用下的施加交流電前后的腐蝕電位?？梢园l(fā)現(xiàn)，施加交流電前，X80鋼在10XCl-環(huán)境中的NS4溶液中的腐蝕電位大概為-0.75 V，而在100XCl-環(huán)境中的腐蝕電位大概為-0.77 V，離子濃度的增大，促進腐蝕。施加不同交流電密度時，電位發(fā)生負移，且隨交流電密度的增大，負移越多。但是在100XCl-溶液中的，當施加交流電密度為300 A/m2時，施加交流電后，其電位隨時間而正移。

圖2 X80鋼在交流電密度為30 A/m2 (a) 10XCl-和(b) 100XCl-作用下的電位Fig.2 The potential of X80 steel at 30 A/m2 AC density (a) 10XCl-; (b)100XCl-

圖3為X80鋼在交流電密度相同不同Cl-環(huán)境中的極化曲線，可以發(fā)現(xiàn)相同交流電密度下，X80鋼在不同Cl-濃度中的腐蝕電位差別較小，特別是當交流電密度為0、30和100 A/m2時，不同交流電密度下的極化曲線腐蝕電位幾乎重合在一起，對比相同電流密度下不同Cl-環(huán)境中極化曲線可知，100XCl-濃度下的陰陽極均得到促進，極化曲線在整個10XCl-濃度的內(nèi)部。當交流電密度為300 A/m2時，100XCl-濃度下的極化曲線腐蝕電位負移，整個極化曲線發(fā)生右移，Cl-濃度的增大，明顯促進了腐蝕。而對比相同Cl-濃度不同交流電密度下的極化曲線可知，隨著施加的交流電密度的增大，極化曲線腐蝕電位明顯負移，同時整個極化曲線發(fā)生右移。對比可知，交流電對X80鋼腐蝕的影響明顯大于Cl-對腐蝕的影響。

圖3 X80鋼在不同交流電密度和Cl-環(huán)境中的極化曲線Fig.3 Polarization curves of X80 steel at different AC and Cl- concentration

2.2 浸泡實驗

圖4為X80鋼在未施加交流電(左側(cè))和施加交流電密度為30 A/m2(右側(cè))時，Cl-濃度分別為10X和100X中NS4溶液中浸泡一定時間后的形貌。從形貌可以看出，未施加交流電時，隨著Cl-濃度增大，試樣表面點蝕坑密度增大；施加30 A/m2的交流電后，相同Cl-濃度下的點蝕坑數(shù)量明顯增多，點蝕深度加深，并且在100XCl-濃度下大的點蝕坑周圍分布了許多小孔，說明施加交流電后促進腐蝕。當交流電密度相同時，Cl-濃度提高后，其腐蝕加重，交流電與Cl-協(xié)同作用促進腐蝕。

圖4 X80鋼在不同交流電密度和Cl-濃度中的浸泡形貌Fig.4 SEM morphology of X80 steel under different currentdensity and Cl- concentration

3 實驗運行建議

(1)本論文通過研究不同交流電密度和Cl-濃度對X80鋼的腐蝕發(fā)現(xiàn)，施加交流電后，其腐蝕電位降低，Cl-濃度的提高，使得相同電流密度下的交流電電壓幅值降低，交流電與Cl-協(xié)同作用促進X80鋼的腐蝕。

(2)從腐蝕形貌中可以看出，未施加交流電時，Cl-的加入使試樣表面產(chǎn)生了點蝕，隨Cl-濃度的增高，點蝕坑增多，直徑變大。在相同Cl-濃度環(huán)境下加入交流電后，試樣表面腐蝕加重。

(3)結(jié)合材料科學(xué)與工程專業(yè)大三下學(xué)期的學(xué)習(xí)特點，該實驗屬于金屬材料綜合實驗中的一個實驗，可以放在電化學(xué)理論學(xué)習(xí)后的一個實驗，合計8個學(xué)時，可分兩周時間完成，學(xué)生可以分組完成。實驗開始前，學(xué)生進行文獻調(diào)研，提出建議和想法，完成預(yù)習(xí)報告。

(4)在老師指導(dǎo)下熟悉信號發(fā)生器、電化學(xué)工作站以及掃描電子顯微鏡的操作，學(xué)會設(shè)置軟件各種參數(shù)。

(5)在實驗過程中施加交流電密度時，注意從小電流慢慢調(diào)節(jié)到所需電流大小，以免突然過高的電流密度影響實驗結(jié)果。

4 結(jié) 語

本論文采用形貌表征和電化學(xué)方法討論了交流電與Cl-共同作用下對金屬腐蝕的影響，讓學(xué)生更直觀的了解到不同雜散電流密度和Cl-濃度對金屬腐蝕的影響以及兩者耦合下的腐蝕情況，結(jié)合實驗教學(xué)目的，在已有實驗條件的基礎(chǔ)上，設(shè)計實驗內(nèi)容，豐富了知識點，使學(xué)生對雜散電流腐蝕和Cl-腐蝕有整體的認識，拓展思路，提高學(xué)生的綜合實驗設(shè)計能力，進一步促進學(xué)生科研探究能力的培養(yǎng)。