交流電對X70鋼在大港土壤溶液中腐蝕行為研究

（北京工業(yè)大學 機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學院，北京 100024）

交流電對X70鋼在大港土壤溶液中腐蝕行為研究

王新華 張榮花 劉 強 徐 成 魏書琳 安建華

（北京工業(yè)大學 機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學院，北京 100024）

采用電化學測試技術(shù)、浸泡實驗和表面分析技術(shù)研究了不同交流電密度（0～300A/ m2）對X70鋼在大港土壤溶液中腐蝕行為的影響。結(jié)果表明：隨著交流電密度的增加，X70鋼的腐蝕電位逐漸負移，耐腐蝕能力下降。隨著交流密度的增加，X70鋼的腐蝕速率增加，腐蝕電流密度增大，交流電密度增大到100A/m2時的腐蝕速率大約為不施加交流電干擾時的兩倍。當交流電密度大于100A/m2時，X70鋼內(nèi)層的腐蝕產(chǎn)物越難用棉棒除去；在不加交流電和低交流電密度（小于30A/m2）下X70鋼的腐蝕形態(tài)為均勻腐蝕，當交流電密度大于30A/m2時X70的腐蝕形態(tài)為局部腐蝕，腐蝕坑的深度和直徑增大。

X70鋼 交流電流密度 腐蝕行為 大港土壤溶液

0 引言

較早的研究發(fā)現(xiàn)交流雜散電流引起的腐蝕強度要比直流雜散電流干擾的強度小得多，大約為直流電的1%或更小[1]，埋地管道的陰極保護系統(tǒng)能迅速地抑制交流腐蝕，因此，埋地管道的交流腐蝕問題一開始并未引起過多的重視[2]。然而，近年來國內(nèi)外的相關(guān)報道[3-5]表明交流雜散電流腐蝕已成為埋地金屬管道的新威脅，在埋地金屬管道與交流電氣化鐵路和高壓交流輸電線路平行或交叉鋪設(shè)的管段上會產(chǎn)生感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，土壤與防腐層缺陷間傳輸著交流電流，從而就引起了管道的交流腐蝕，并可能破壞陰極保護系統(tǒng)的正常運行，加速管道的破壞。

隨著埋地管道的交流腐蝕問題日益突出，國內(nèi)外學者針對交流雜散電流對管道腐蝕的影響進行了大量的研究。Jones[6]等研究表明土壤中存在交流雜散電流，提高了土壤的導電性，從而加快了陰陽極得失電子的速率，加速了土壤中管道的腐蝕速率。曹備[7]等研究發(fā)現(xiàn)試樣的自腐蝕電位隨交流干擾強度的增大而波動越加明顯。Funk[8]研究結(jié)果表明在陰極保護作用下，當施加的交流電密度大于30A/cm2時，管道的腐蝕速率高于0.1mm/a，腐蝕速率隨著交流密度的增大而增大。Fu等[9]研究了交流電在含氯離子的碳酸鹽和碳酸氫鹽溶解中對涂層管線鋼的腐蝕影響，結(jié)果表明，管線鋼的腐蝕速率隨著交流雜散電流密度的增大而增大,交流電振蕩提高了鋼的電化學活性，促使鋼的腐蝕加劇。翁永基等[10]研究發(fā)現(xiàn)Q235鋼在交流雜散電流干擾下其腐蝕速率與干擾強度成冪函數(shù)的規(guī)律。

交流電流的大小和方向均隨時間改變，影響因素較多，腐蝕過程較復雜，雖然國內(nèi)外針對交流腐蝕做了大量的研究，但目前對交流電流的腐蝕機理仍處于探討階段，針對交流腐蝕的研究還有大量問題有待澄清，大量基礎(chǔ)實驗研究是非常必要的。大港中心站地區(qū)的土壤是我國中部典型的堿性土壤，pH值為8.3～9，是腐蝕性較高的土壤類型之一。目前交流電對X70鋼在大港土壤溶液中腐蝕行為影響還未有相關(guān)報道，因此，本工作采用電化學測試、浸泡實驗和表面分析技術(shù)研究了不同交流電密度對X70鋼在大港土壤溶液中的腐蝕行為影響，為X70鋼的安全運行提供參考。

1 試驗內(nèi)容

試驗材料及方法

實驗材料采用X70管線鋼，其主要化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）為C 0.07，Si 0.27，Mn 1.60，P 0.009，S 0.05，Nb 0.05，Ti 0.01，Mo其余。

實驗溶液采用大港中心站的土壤溶液，其成分配比:1.04895g/L CaCl2、25.02g/L Na2SO4、5.2275 g/L MgSO4·7H2O、0.3063g/L KNO3、0.2492g/L NaHCO3，土壤模擬溶液均采用分析純試劑和去離子水配置，pH=8.3。

浸泡試樣的實驗尺寸為10mm×10mm，試樣外觀如圖1所示，實驗前將試樣用SiC水砂紙從60#逐級打磨至2000#，然后依次用無水乙醇和去離子水清洗，吹干，對試樣進行稱重，放在干燥箱內(nèi)備用。在實驗測試中，利用SG1005·5MHz數(shù)字合成信號發(fā)生器施加頻率為50Hz，交流電密度為30A/m2、100A/m2、200A/m2、300A/m2的正弦波信號。浸泡實驗的實驗時間為24h。實驗結(jié)束后，取出試樣進行形貌觀察，然后放到除銹劑（0.5gSb2O3+1.5gSnCl2· 2H2O+25mLHCl）中除銹，等X70鋼表面的腐蝕產(chǎn)物完全除去，用去離子水清洗干凈，待充分干燥后放入電子天平稱中稱重，計算其腐蝕速率通過公式1進行計算:

其中，△W為試樣平均失重量，g；W○為試樣原始重量，g；W為去腐蝕產(chǎn)物后試片質(zhì)量，g；S為試樣暴露面積，m2；t為浸泡時間，h；Vcorr為腐蝕速率，g/(m2·h)。

測完失重后利用掃描電鏡對除銹試樣進行腐蝕微觀形貌觀察。

圖1 X70鋼試樣外觀

采用Solatran公司的Parstat2273電化學工作站測試X70鋼的腐蝕電位和極化曲線。實驗采用三電極體系，其中工作電極為X70管線鋼（工作面積為1cm2），參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極，電路的連接如圖2所示。交流信號發(fā)生器的一端接試樣，另一端接石墨電極，其中電容（500 uF）用以防止電化學測試系統(tǒng)對交流電源產(chǎn)生干擾，電感（15 H）用以防止交流電對電化學測試系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，保證兩電路互相獨立。施加交流電后溶液靜置半個小時，X70試樣開始進行開路電位和極化曲線的測量。其中，開路點位的測試時間為30分鐘。在極化曲線的測量中，掃描速率為1mV/s，掃描電位范圍為-0.5～0.7V。實驗數(shù)據(jù)采用CorrView軟件進行處理分析。

圖2 實驗裝置原理圖

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 腐蝕電位的測試分析

圖3為不同交流電密度下X70鋼的腐蝕電位。從圖可知，隨著交流電流密度的增大，X70鋼在大港中心站土壤溶液中的腐蝕電位產(chǎn)生負移。當施加交流電流密度增大0A/m2～30A/m2時，開路電位從-0.62 V負移至-0.72V。當交流電流密度增大至100A/m2、200A/m2及300A/m2時，開路電位負移至-0.74V、-0.78V、-0.80V。自腐蝕電位是金屬發(fā)生腐蝕反應(yīng)熱力學趨勢的一種量度，電位越負，表明陰極和陽極的電位差越大，金屬發(fā)生腐蝕的可能性就越大。可能是交流電場對金屬/溶液界面的雙電層進行了擾動，導致X70鋼的腐蝕電位負移[11]。腐蝕電位可以看出隨著交流電密度的增大X70鋼在大港中心站土壤溶液的抗腐蝕性能逐漸下降。

2.2 極化曲線的測試分析

圖4為不同交流電密度下X70鋼在大港中心站土壤溶液中的極化曲線。如圖4所示，交流電對陽極曲線和陰極曲線都有一定的影響，X70鋼一直處于活性溶解狀態(tài)，沒有鈍化產(chǎn)生。隨著交流電密度的增大腐蝕電位發(fā)生一定的負移，腐蝕電流密度也隨著增大，說明交流電加快了鋼的腐蝕。在交流電的作用下，試樣表面有無色的氣泡生成，大港中心站土壤溶液為弱堿性電解質(zhì)溶液體系，說明發(fā)生了氧的還原反應(yīng):

陽極反應(yīng):Fe→ Fe2++ 2e-

陰極反應(yīng):4OH-→O2+ 2H2O +4e-

氧的還原反應(yīng)促進了陰極反應(yīng)產(chǎn)物的生成，加速了鋼的腐蝕。

圖3 施加不同交流電流密度下X70鋼在大港中心土壤溶液中的開路電位

圖4 施加不同的交流電下X70鋼在大港中心站土壤溶液中的極化曲線

表1 不同密度交流電干擾下X70鋼在大港溶液中由極化曲線獲得的動力學參數(shù)

從圖4的極化曲線看出，金屬在進行陽極溶解時，金屬表面上沒有鈍化膜的存在，X70鋼在活性區(qū)的陽極溶解。

式中，b為均勻腐蝕中ba=bc=b，Io.a表示金屬陽極溶解反應(yīng)的交換電流密度，Io.c表示去極化劑陰極還原反應(yīng)的交換電流密度。

公式2中腐蝕電位與塔菲爾斜率和交換電流密度數(shù)值有關(guān)。公式3中ba和bc影響腐蝕電流Icorr的大小，ba和bc的數(shù)值越大，Icorr就越小；陰極反應(yīng)和陽極反應(yīng)的平衡電位之差也影響腐蝕電流Icorr的大小，Ee.c-Ee.a的數(shù)值越大，腐蝕速度越快。因此從圖4可知交流電密度的增大加速了X70鋼的腐蝕。

2.3 腐蝕形貌分析

X70鋼在不同交流電密度作用下在大港溶液中浸泡24h后的宏觀形貌及微觀形貌如圖5和圖6所示。從圖5可以明顯的看出，在大港溶液中相同浸泡時間內(nèi)X70鋼隨著交流電密度的增大腐蝕程度越來越嚴重，腐蝕產(chǎn)物的堆積越來越厚。從顏色可以看出內(nèi)層主要有黑色產(chǎn)物組成，外層主要有棕黃色和紅棕色產(chǎn)物組成。當交流電密度小于30A/m2時，X70鋼的腐蝕嚴重程度和無交流電干擾下的相接近，外層棕黃色和紅棕色的產(chǎn)物較少。而在較高的交流電密度（100A/ m2～300 A/m2）作用下，外層棕黃色和紅棕色的物質(zhì)增多，分布在整個試樣的實驗面上，厚度也隨著增加。在除銹的過程中可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)層的黑色物質(zhì)隨著交流電密度的增加越來越致密，很難用棉棒除去。

圖5 不同密度的交流電作用下X70鋼在大港溶液中浸泡24h后的腐蝕宏觀形貌

圖6 不同交流電密度下X70鋼在大港溶液中去腐蝕產(chǎn)物的微觀形貌

圖6為不同交流電密度下X70鋼在大港溶液中浸泡24h后的微觀形貌。從圖6（a）可以看出在不施加交流電時，X70鋼腐蝕較輕微，腐蝕形態(tài)為均勻腐蝕。交流電流密度增大到30A/m2、100A/m2時，X70鋼的腐蝕形貌如圖6(b)、(c)所示，試樣表面粗糙度逐漸增大，試樣表面的腐蝕坑的分布和大小較為均勻，分布也比較集中。交流電密度增大到200A/ m2時，試樣表面出現(xiàn)了較多的腐蝕坑，腐蝕坑的直徑和深度較100A/m2時增加增大，出現(xiàn)連接聚攏的趨勢，試樣表面發(fā)生了局部腐蝕。交流電密度增大到300A/m2時，試樣表面凹凸不平的趨勢加大，出現(xiàn)大且深的腐蝕坑，有的腐蝕坑相互連接成更大的腐蝕坑，試樣腐蝕的不均勻程度增加。因此可知，隨著交流電密度的增大X70鋼在大港中心站土壤溶液中的腐蝕程度加劇，交流電的施加加速了鋼的腐蝕。

2.4 腐蝕速率分析

圖7為不同交流電密度作用下X70鋼在大港溶液中的腐蝕速率。從圖7可以看出，隨著交流電密度的增加，X70鋼的腐蝕速率逐漸加快。在沒有交流電作用下，X70鋼的腐蝕速率很低，當交流電密度增大100A/m2時，X70鋼的腐蝕速率約為沒有交流電作用下的2倍。當交流電的密度大于100A/m2時，X70鋼腐蝕的速率加速增加。交流電加速金屬腐蝕的原因可能為交流電在正半周產(chǎn)生的金屬離子沒有在負半周沉積，即正半周金屬腐蝕的增加量大于負半周的減少量，導致陽極極化和陰極極化產(chǎn)生的總電流不相等，因而產(chǎn)生了凈法拉第電流，促進了金屬的腐蝕[12]。

圖7 大港模擬土壤溶液中不同交流電作用下對X70鋼腐蝕速率的影響

3 結(jié)論

（1）隨著交流電密度的增加，X70鋼在大港溶液中的腐蝕電位負移，X70鋼耐腐蝕性逐漸減弱；

（2）交流電對陰、陽極極化曲線的影響交流大，陽極極化曲線的電流密度隨著交流電密度的增加而增大，交流電的施加不利于X70鋼表面鈍化膜的形成；

（3）隨著交流電密度的增加，X70鋼在大港模擬土壤溶液中的腐蝕速率增加，腐蝕產(chǎn)物堆積厚度增加。當交流電的密度大于100A/m2時，X70鋼表面的腐蝕坑直徑和深度加大，試樣腐蝕的不均勻程度增加，X70鋼的表面腐蝕形態(tài)由均勻腐蝕轉(zhuǎn)變?yōu)榫植扛g，對X70鋼的破壞程度大大加劇。

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Study on Alternating Current Corrosion Behavior of X70 Pipeline Steel in Dagang Soil Solution

WANG Xin-hua, ZHANG Rong-hua, LIU Qiang, XU Cheng, WEI Shu-lin, AN Jiang-hua
(Beijing University of Technology, University of mechanical engineering and Applied Electronics, Beijing 100024, China)

The efects of alternating current (AC) current denstity(0-300A/m2) on the corrosion behavior of X80 steel in Dagang soil simulated solution was studied by electrochemical test, immersion tested and surface analysied technology. The rusults show that with the increase of the density of AC, the corrosion potential of X70 steel shift negatively, and the corrosion resistance of the steel is decreased. With the increase of the AC density, the corrosion rates of X70 steel increase, the corrosion current density increases, and the corrosion rate increases to two times of the AC interference when the AC density increases to 100A/m2. When the current density is greater than 100A/m2, the corrosion products of X70 steel lining of the more difcult to use cotton swab to remove; in the absence of alternating current and low current density (less than 30A/m2) the corrosion morphology of X70 steel under uniform corrosion, the corrosion morphology when alternating current density is greater than 30A/m2X70 for localized corrosion, corrosion pit depth and diameter.

X70 steel; AC current density; corrosion behavior; the soil solution of the Dagang

TG171

A

10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2016.11.067.06

國家自然基金（E011101）

王新華（1969.12-），山東德州人，博士，教授，主要研究方向為流體傳動與控制、機電伺服驅(qū)動技術(shù)、埋地壓力管道檢測技術(shù)等。