電化學(xué)噪聲技術(shù)研究X80鋼的點(diǎn)蝕過(guò)程

劉 偉,孫剛偉,李才兵,李西峰,劉 銳,劉 喬,楊 斌

(1. 低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安 710018； 2. 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院，西安 710018；3. 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采氣廠，靖邊 718500； 4. 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第六采氣廠，靖邊 718500；5. 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第五采油廠，定邊 718600； 6. 北京科技大學(xué) 國(guó)家材料服役安全科學(xué)中心，北京 100083)

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電化學(xué)噪聲技術(shù)研究X80鋼的點(diǎn)蝕過(guò)程

劉 偉1,2,孫剛偉3,李才兵4,李西峰3,劉 銳1,2,劉 喬5,楊 斌6

(1. 低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安 710018； 2. 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院，西安 710018；3. 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采氣廠，靖邊 718500； 4. 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第六采氣廠，靖邊 718500；5. 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第五采油廠，定邊 718600； 6. 北京科技大學(xué) 國(guó)家材料服役安全科學(xué)中心，北京 100083)

采用電化學(xué)噪聲(Electrochemical Noise，EN)方法研究了X80管線鋼在NaHCO3+NaCl溶液中亞穩(wěn)態(tài)與穩(wěn)態(tài)點(diǎn)蝕特征。結(jié)果表明：在含Cl-溶液中，當(dāng)試樣處于點(diǎn)蝕亞穩(wěn)態(tài)，電位與電流噪聲具有典型的快速下降或上升，緩慢恢復(fù)的暫態(tài)峰(Transient)特征，噪聲電流峰平均寬約5～10 s，而噪聲電位峰寬為100 s。隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，亞穩(wěn)態(tài)點(diǎn)蝕噪聲峰數(shù)量增多，亞穩(wěn)態(tài)點(diǎn)蝕程度加劇;當(dāng)點(diǎn)蝕由亞穩(wěn)態(tài)發(fā)展到穩(wěn)態(tài)初期，電流噪聲峰恢復(fù)時(shí)間變長(zhǎng)，與電位噪聲峰壽命趨于一致;而隨著穩(wěn)態(tài)點(diǎn)蝕的發(fā)展，電位與電流峰出現(xiàn)的頻率顯著增加，電位與電流峰具有很好的相位同步性。

X80鋼;電化學(xué)噪聲;點(diǎn)蝕;鈍化膜

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)能源的需求日益增加。為了滿(mǎn)足天然氣資源的需求，我國(guó)先后建設(shè)了大批埋地輸氣管線，采用了大量的焊接管道。特別是在我國(guó)的西二線工程中，使用了大批大口徑X80焊管。

電化學(xué)噪聲是指腐蝕電極表面所出現(xiàn)的一種電位或電流隨機(jī)自發(fā)波動(dòng)的現(xiàn)象。自1968年電化學(xué)噪聲首次被Iverson發(fā)現(xiàn)以來(lái)[1]，電化學(xué)噪聲技術(shù)作為一門(mén)新興的試驗(yàn)手段在腐蝕與防護(hù)科學(xué)領(lǐng)域得到了長(zhǎng)期的發(fā)展[2-4]。電化學(xué)噪聲技術(shù)是一種原位、無(wú)損的金屬腐蝕檢測(cè)方法，它是由電化學(xué)系統(tǒng)中因電極界面反應(yīng)而引起的電極電位(或電流)的自發(fā)波動(dòng)，能靈敏地反映腐蝕過(guò)程的變化，是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的有效方法[5-7]。與傳統(tǒng)腐蝕檢測(cè)技術(shù)相比，電化學(xué)噪聲技術(shù)無(wú)須施加外界擾動(dòng)信號(hào)[8-9]，能提供較多的局部腐蝕信息且測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)單[10]。本工作通過(guò)測(cè)量工作電極的電化學(xué)噪聲信號(hào)，分析X80管線鋼在NaHCO3+NaCl溶液中不同階段點(diǎn)蝕的電化學(xué)噪聲譜特征。

1　試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為國(guó)產(chǎn)X80鋼，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：wC0.076%，wSi0.21%，wMn1.65%，wS0.002 4%，wP0.011%，wNi0.24%，wCr0.13%，wMo0.22%，wNb0.048%，wCu0.20%，wTi0.013%，余量為鐵。將尺寸為10 mm×10 mm×3 mm的試樣制成工作電極，試樣背面點(diǎn)焊引出銅導(dǎo)線，用環(huán)氧樹(shù)脂將試樣封裝在PVC管中，留出10 mm×10 mm工作面。試驗(yàn)前將工作面用Al2O3水砂紙逐級(jí)打磨至1 000號(hào)，水洗后用丙酮除油，去離子水清洗后吹干待用。

采用分析純?cè)噭┖腿ルx子水配制0.5 mol/L NaHCO3溶液和0.2 mol/L NaCl溶液。在EN測(cè)試前，X80鋼電極需先在0.5 mol/L NaHCO3溶液中鈍化2 h。

EN測(cè)試采用自主研發(fā)的電化學(xué)噪聲測(cè)試儀，測(cè)量時(shí)，采用兩個(gè)同材質(zhì)X80鋼工作電極(WE1，WE2)以及一個(gè)參比電極(SCE)。為防止Cl-污染，SCE通過(guò)鹽橋與被測(cè)溶液相接。工作電極中WE2接地，WE1連接運(yùn)放(OP)反相端，組成零阻電流計(jì)(ZRA，靈敏度>10 pA)；SCE連接運(yùn)放同相端，組成電壓變換器(VIT，靈敏度>10 μV)，模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后由PC機(jī)采集。

2　結(jié)果與討論

2.1點(diǎn)蝕亞穩(wěn)態(tài)特征

在電化學(xué)噪聲測(cè)量過(guò)程中通常存在明顯的直流漂移現(xiàn)象。這些漂移能顯著影響噪聲數(shù)據(jù)的時(shí)域和頻域分析結(jié)果，因此在對(duì)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之前，本工作采用多項(xiàng)式擬合法對(duì)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行了直流漂移去除處理。為了保證不過(guò)度消除低頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，擬合多項(xiàng)式方次m取3時(shí)消除效果較好。

將X80鋼浸泡在0.5 mol/L NaHCO3溶液中鈍化2 h后，再向NaHCO3溶液中加入0.2 mol/L NaCl，Cl-就開(kāi)始侵蝕鈍化膜，但是鈍化膜會(huì)自我修復(fù)，這時(shí)點(diǎn)蝕亞穩(wěn)態(tài)的形核和再鈍化過(guò)程就開(kāi)始了。在這個(gè)過(guò)程中，點(diǎn)蝕還沒(méi)有進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展?fàn)顟B(tài)。此時(shí)停止試驗(yàn)，觀察工作電極發(fā)現(xiàn)，電極表面沒(méi)有出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的蝕點(diǎn)。

由圖1可見(jiàn)，向0.5 mol/L NaHCO3溶液中加入0.2 mol/L Cl-，試樣在此溶液中浸泡2 h后，X80鋼在亞穩(wěn)態(tài)點(diǎn)蝕時(shí)所產(chǎn)生的電位噪聲峰具有快速下降、緩慢恢復(fù)的特點(diǎn)，電流噪聲峰具有快速上升或下降、緩慢恢復(fù)的特點(diǎn)。電位峰的最大幅值為7 mV，電流峰的最大幅值為180 nA。電流峰恢復(fù)時(shí)間約為10 s，電位峰恢復(fù)時(shí)間約為100 s。電位峰的恢復(fù)時(shí)間遠(yuǎn)大于電流峰的，即電位峰的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電流峰的。

當(dāng)Cl-在鈍化膜表面某些活性位置(晶界、位錯(cuò))吸附時(shí)，會(huì)與表面膜內(nèi)的陽(yáng)離子形成可溶性絡(luò)合物，當(dāng)這種絡(luò)合物脫離金屬表面時(shí)，引起鈍化膜的減薄甚至破壞，造成基底金屬溶解，形成噪聲電流峰，但穩(wěn)態(tài)過(guò)程顯然受到了溶液中過(guò)高的HCO3-/Cl-濃度比的抑制，導(dǎo)致進(jìn)一步增加電流相當(dāng)困難，暴露的基體金屬很快被HCO3-鈍化，噪聲電流迅速衰減。這就導(dǎo)致了點(diǎn)蝕誘導(dǎo)期間電流峰壽命比較短暫。根據(jù)電容充放電模型，鈍化膜修復(fù)后，亞穩(wěn)態(tài)蝕點(diǎn)消失，電流峰恢復(fù)。但是，儲(chǔ)存在鈍化膜內(nèi)的電量只能通過(guò)鈍化膜電阻釋放。這個(gè)放電過(guò)程基本在一個(gè)電極上進(jìn)行，因此兩電極之間沒(méi)有電流。電容放電導(dǎo)致電位正移，電位逐漸恢復(fù)，因此電位峰的恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)于電流峰的。

由圖2可見(jiàn)，在同一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)點(diǎn)蝕過(guò)程中，噪聲特征隨時(shí)間延長(zhǎng)而發(fā)生了明顯的變化。單位時(shí)間產(chǎn)生的亞穩(wěn)態(tài)點(diǎn)蝕噪聲峰數(shù)量增多，噪聲峰的峰值整體也增大。在Cl-和HCO3-共同存在的溶液中，一方面Cl-長(zhǎng)時(shí)間侵蝕導(dǎo)致鈍化膜不斷地受到破壞，另一方面HCO3-促使電極表面鈍化膜繼續(xù)變得更致密，這樣鈍化膜就會(huì)不斷進(jìn)行自我修復(fù)。在這個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程中，侵蝕時(shí)間越長(zhǎng)，Cl-的侵蝕效果越明顯，所以亞穩(wěn)態(tài)蝕點(diǎn)出現(xiàn)頻率變大，亞穩(wěn)態(tài)點(diǎn)蝕噪聲峰數(shù)量增多；亞穩(wěn)態(tài)蝕孔的侵蝕程度也隨之加劇，點(diǎn)蝕噪聲峰幅值增大。

由圖3可見(jiàn)，在鈍化過(guò)程和亞穩(wěn)態(tài)點(diǎn)蝕過(guò)程中，電位有逐漸上升的趨勢(shì)。在亞穩(wěn)態(tài)電位仍然不斷正移，表示在鈍化過(guò)程生成的致密性好的鈍化膜還沒(méi)有被大規(guī)模破壞。雖然鈍化膜可能在很小的局部被暫時(shí)溶解，但是鈍化膜會(huì)不斷地自我修復(fù)；同時(shí)由于NaHCO3仍然存在，鈍化膜內(nèi)Fe(OH)2繼續(xù)逐漸轉(zhuǎn)化為更致密的FeCO3，所以在亞穩(wěn)態(tài)點(diǎn)蝕期間電位仍有上升趨勢(shì)。

2.2點(diǎn)蝕穩(wěn)態(tài)特征

由圖4可見(jiàn)，隨著亞穩(wěn)態(tài)點(diǎn)蝕的發(fā)展，電流噪聲峰恢復(fù)時(shí)間變長(zhǎng)，與電位噪聲峰壽命趨于一致，約為180 s，此時(shí)點(diǎn)蝕進(jìn)入了穩(wěn)態(tài)發(fā)展前期。由圖4還可見(jiàn)，X80鋼遭受Cl-腐蝕16 h后，電流峰幅值已從亞穩(wěn)態(tài)時(shí)的約180 nA增加到420 nA，此時(shí)，電極表面的鈍化膜修復(fù)與溶解的平衡已經(jīng)逐漸被打破。鈍化膜的修復(fù)速率慢于其溶解速率，鈍化膜逐漸溶解，失去對(duì)基體的保護(hù)作用。

隨著穩(wěn)態(tài)點(diǎn)蝕的發(fā)展，電位與電流峰出現(xiàn)頻率顯著增加，電位與電流峰具有很好的相位同步性，且寬度基本相同。但電位與電流峰幅值均有所減小。此時(shí)停止試驗(yàn)，觀察電極表面已出現(xiàn)宏觀蝕點(diǎn)。此時(shí)的噪聲特征峰見(jiàn)圖5。

3　結(jié)論

電化學(xué)噪聲圖譜能清楚地反應(yīng)X80鋼在NaHCO3+NaCl體系中點(diǎn)蝕過(guò)程的各個(gè)階段特征。亞穩(wěn)態(tài)點(diǎn)蝕過(guò)程，逐漸出現(xiàn)電位瞬間下降而后緩慢恢復(fù)的噪聲峰，電流瞬間上升或下降而后緩慢恢復(fù)的噪聲峰；隨著時(shí)間推移，亞穩(wěn)態(tài)點(diǎn)蝕噪聲數(shù)量逐漸增多；當(dāng)點(diǎn)蝕發(fā)展到穩(wěn)態(tài)初期時(shí)，電位峰恢復(fù)時(shí)間減小到與電流峰一致，二者有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系；穩(wěn)態(tài)點(diǎn)蝕后期時(shí)，電位、電流峰出現(xiàn)長(zhǎng)周期大幅的噪聲波動(dòng)。

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An Electrochemical Noise Study of the Pitting Process of X80 Pipeline Steel

LIU Wei1,2, SUN Gang-wei3, LI Cai-bing4, LI Xi-feng3, LIU Rui1,2, LIU Qiao5, YANG Bin6

(1. National Engineering Laboratory of Low Permeability Oil-gas Field Exploration and Development, Xi′an 710018, China;2. Oil & Gas Technology Research Institute of ChangQing Oilfield Company, Xi′an 710018, China;3. The 1th Gas Production Plant of Petrochina ChangQing Oilfield Company, Jingbian 718500, China;4. The 6th Gas Production Plant of Petrochina ChangQing Oilfield Company, Jingbian 718500, China;5. The 5th Oil Production Plant of Petrochina ChangQing Oilfield Company, Dingbian 718600, China;6. National Center for Materials Service Safety, University of Science & Technology Beijing, Beijing 100083, China)

The characters of metastable and stable pitting of X80 pipeline steel in NaHCO3+ NaCl aqueous solution were studied by electrochemical noise (EN). The results showed that in the solution containing Cl-,when the sample was in the condition of metastable pitting, noise current and noise potential patterns had a general characteristic of fast rise (or fast down) and slow recovery. The lasting time of noise current peak was 5-10 second in average, but the lasing time of noise potential peak was 100 second. The number of metastable pitting noise peaks increased with the increase of time. And the metastable pitting was promoted. When the pitting developed from metastable state to the initial stage of stable state, the recovery time of noise current peak became longer and was gradually close to the life-time of noise potential peak. With the development of the stable pitting, the frequency of potential and current peak increased. There was phase synchronism existing between potential and current peak.

X80 steel; electrochemical noise; pitting; passive film

10.11973/fsyfh-201607016

2015-09-02

長(zhǎng)慶油田油氣當(dāng)量上產(chǎn)5000萬(wàn)噸關(guān)鍵技術(shù)課題六(2011E-1306)

劉 偉(1985-)，工程師，本科,主要從事油氣田防腐蝕相關(guān)研究,029-86593149，lw6_cq@petrochina.com.cn

TG174

A

1005-748X(2016)07-0609-04