三種流速下高強鋼與微弧氧化鈦電偶腐蝕研究

高心心，郭建章，潘大偉，張海兵

（1.青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061；2.中國船舶重工集團公司第七二五研究所 海洋腐蝕與防護重點實驗室，山東 青島，266101）

三種流速下高強鋼與微弧氧化鈦電偶腐蝕研究

高心心1,2，郭建章1，潘大偉2，張海兵2

（1.青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061；2.中國船舶重工集團公司第七二五研究所 海洋腐蝕與防護重點實驗室，山東 青島，266101）

目的研究三種流速下微弧氧化鈦和高強鋼的電偶腐蝕行為。方法在面積比為1:1情況下進行1，3，7 m/s流速下的電化學測試和電偶腐蝕試驗研究。結果隨著流速的增大，偶合電流、總腐蝕速率和電偶腐蝕速率增大。當流速為7 m/s時，高強鋼總腐蝕速率和電偶腐蝕速率分別達到8.64 mm/a和0.39 mm/a，與靜態(tài)相比分別增大146倍和15.6倍，與1 m/s流速下相比分別增大8.6倍和5倍。結論在面積比為1:1時，沖刷腐蝕速率遠大于電偶腐蝕速率。

電偶腐蝕；沖刷；微弧氧化鈦；腐蝕速率

管系材料廣泛應用于船舶、濱海電廠、海上油氣田，目前我國的海水管路材料逐漸以耐蝕性更好的銅鎳合金(B10)和工業(yè)純鈦(TA2)替代傳統(tǒng)的管系材料TUP[1—2]。在使用過程中，工業(yè)純鈦有時需要經(jīng)過微弧氧化處理來進一步保護，微弧氧化鈦管在使用過程中不可避免與接觸它的金屬進行偶合[3—6]，造成電位較負的金屬加速腐蝕，且在沖刷條件下腐蝕更為嚴重。沖刷腐蝕會引起設備的破壞，是一種危害廣泛且造成嚴重損失的腐蝕形式，人們對于各種管系材料之間的電偶腐蝕做過大量的研究，如鈦和鋼之間、不銹鋼和碳鋼之間、B10和H62之間等[7—16]。結果表明，沖刷速度的提高可嚴重加速材料的損傷，且沖刷腐蝕的影響因素較廣泛。目前針對微弧氧化鈦本身的特性做了部分研究[17—19]，但是對于高強鋼與微弧氧化鈦在沖刷海水中之間的電偶腐蝕方面研究還不多見，因此研究高強鋼與微弧氧化鈦在沖刷海水中的電偶腐蝕具有重要的意義，一方面為設計管路內(nèi)徑控制流速提供依據(jù)，另一方面為管系材料的布局構架提供參考。

1 試驗材料及方法

試驗所用材料及含量見表1，其中TA2進行了微弧氧化處理。試驗介質(zhì)為青島海域天然海水，溫度為室溫。

表1 試驗材料成分

電化學測試采用ACM電化學工作站，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極，試樣工作面積為1 cm2，分別對試樣在海水中的開路電位和極化曲線進行測試。開路電位在流動海水（流速3 m/s）中測量，試驗周期為360 h，每10 min測量一次試樣的電位值?？紤]水流沖刷對電極極化過程及其穩(wěn)定性的影響，極化曲線測試在靜態(tài)海水中進行，測試范圍為–0.60～0.60 V( vs.Ecorr)，掃描速率為20 mV/min。

電偶腐蝕試驗參考GB/T 15748—2013進行，試樣加工尺寸：內(nèi)徑為25 mm，長度為100 mm，厚度為3 mm。試驗在多通道電偶腐蝕測量儀進行，試驗時，選取高強鋼與TA2面積比為1:1，按圖1所示設計試驗管路。管路試驗段包括三個平行試樣，每組平行試樣由兩個金屬管偶接（外部密封）固定所成（如圖2所示），電偶對安裝順序為TA2在水流上游方向，高強鋼位于下游。試驗時水流沖刷速度分別為1，3，7 m/s，利用多通道電偶腐蝕儀測定偶合電位和偶合電流，試驗周期為360 h。試驗結束后，取下試驗管段，測試質(zhì)量損失，計算高強鋼電偶腐蝕速率，并分析腐蝕形貌。

圖1 管路沖刷試樣連接裝置

圖2 試驗段的固定試樣

2 結果與分析

2.1 電化學性能

經(jīng)過微弧氧化處理的TA2和高強鋼在動態(tài)海水(3 m/s正向)中的開路電位隨時間變化曲線如圖3所示。可以看出，TA2(微弧氧化)在海水中的開路電位比較穩(wěn)定，約在–100 mV，而高強鋼的開路電位較負，在–680 mV左右，且隨浸泡時間變化不大。因此，高強鋼與TA2(微弧氧化)在海水中接觸時，高強鋼會作為陽極，腐蝕加速，而TA2(微弧氧化)則作為陰極受到保護[20]。

圖3 TA2(微弧氧化)和高強鋼的開路電位隨時間變化情況

TA2(微弧氧化)和高強鋼在海水中的極化曲線如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)，TA2(微弧氧化)的陽極鈍化區(qū)明顯，自腐蝕電流密度較小，在0.02 μA/cm2左右，維鈍電流密度也很小，可見其表面較穩(wěn)定[21—24]。由極化曲線可得出高強鋼和TA2(微弧氧化)在海水中的極化性能參數(shù)，見表2?？梢钥闯?，TA2(微弧氧化)和高強鋼的自腐蝕電位分別為–100 mV 和–710 mV，與開路電位測試結果基本一致。當TA2(微弧氧化)與高強鋼進行偶合時，高強鋼的電偶腐蝕速率除了受兩者的自腐蝕電位、自腐蝕電流密度影響外，還與TA2(微弧氧化)的陰極極化性能和高強鋼的陽極極化性能有關。測試結果得出，TA2(微弧氧化)的陰極Tafel斜率約為–116.63 mV，說明TA2(微弧氧化)易發(fā)生陰極極化；高強鋼的陽極Tafel斜率約為37.05 mV。相對而言，高強鋼更難發(fā)生陽極極化，即TA2(微弧氧化)的陰極極化過電位將大于高強鋼的陽極極化過電位，但即使較小的陽極極化過電位也將使高強鋼的陽極極化電流密度顯著增大，從而使高強鋼受到明顯的電偶腐蝕影響。

圖4 高強鋼和TA2(微弧氧化)在海水中的極化曲線

表2 高強鋼和TA2(微弧氧化)在海水中的極化性能參數(shù)

2.2 電偶腐蝕

圖5為不同流速下TA2(微弧氧化)-高強鋼電偶對的偶合電位隨著時間變化的曲線，可以看出，在1 m/s和3 m/s的沖刷條件下，偶合電位處于–650 mV左右，相比高強鋼的自腐蝕電位(–710 mV)其陽極極化過電位在60 mV左右。而在7 m/s沖刷下，偶合電位在–420 mV左右，偶合電位正移顯著，遠離高強鋼的自腐蝕電位，即高強鋼受到的陽極極化作用由于高速沖刷而增大。

圖6為不同流速下高強鋼與TA2(微弧氧化)之間的偶合電流情況，可以看出，1 m/s的偶合電流隨著時間變化最為平穩(wěn)，電流密度始終在2 μA/cm2以內(nèi)。

圖5 不同流速下高強鋼與TA2(微弧氧化)偶合電位

因為1 m/s的沖刷速度較小，高強鋼部分腐蝕產(chǎn)物繼續(xù)附著于高強鋼表面，使得腐蝕平緩。3 m/s的偶合電位隨著時間的變化則持續(xù)上升，因為流速較1 m/s大，不僅腐蝕產(chǎn)物會被沖刷掉，裸露金屬的溶解也得到加速，進而偶合電流上升。當流速達到7 m/s的高速沖刷時，沖刷初期，偶合電流下降，沖刷約40 h后，偶合電流開始上升。

圖6 不同流速下高強鋼與TA2(微弧氧化)偶合電流

TA2(微弧氧化)-高強鋼電偶對在不同流速下，高強鋼的腐蝕形貌如圖7所示?？梢钥闯觯? m/s流速下，管壁大部分面積被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，這與流速較慢有關(圖7a)。在3 m/s流速下，裸露金屬和腐蝕產(chǎn)物交相呈現(xiàn)(圖7b)。在7 m/s下管壁腐蝕形貌黃色部分為腐蝕產(chǎn)物，呈現(xiàn)波浪狀，表明高流速下，部分結合力差的腐蝕產(chǎn)物被水流沖刷脫落(圖7c)。

圖7 不同流速下高強鋼管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物形貌

圖8給出了TA2(微弧氧化)-高強鋼電偶對在3 m/s流速下，高強鋼電偶腐蝕與自腐蝕清除腐蝕產(chǎn)物后的形貌。自腐蝕試樣如圖8a所示，表面仍可觀察到基底機加工打磨的溝槽痕跡，發(fā)生腐蝕的區(qū)域呈現(xiàn)斑狀，腐蝕類型為點蝕。電偶腐蝕試樣如圖8b所示，表面布滿腐蝕坑，已經(jīng)不能觀察到基底機加工打磨的溝槽痕跡，腐蝕程度相比自腐蝕更加嚴重，腐蝕類型為全面腐蝕，表面有蝕坑。圖8c和8d所示三維照片顯示，電偶腐蝕試樣表面深藍色腐蝕坑的密度明顯高于自腐蝕試樣。

圖8 3 m/s流速下高強鋼自腐蝕與電偶腐蝕形貌

高強鋼在不同流速下的腐蝕速率如圖9所示，可以看出，總腐蝕速率比電偶腐蝕速率大得多?？偢g速率=沖刷腐蝕速率－電偶腐蝕速率。由此得出，高強鋼的沖刷腐蝕速率遠大于電偶腐蝕速率。這說明在流動海水中，TA2(微弧氧化)-高強鋼以1:1面積偶合時，高強鋼的沖刷腐蝕速率遠大于電偶腐蝕速率。在靜態(tài)下，高強鋼的總腐蝕速率和電偶腐蝕速率分別為0.059 mm/a和0.025 mm/a，流速從1 m/s增大至3 m/s，總腐蝕速率逐步增大，相對于靜態(tài)腐蝕分別增大18倍和26.7倍。電偶腐蝕速率保持在0.079～0.089 mm/a，增加幅度為3～4倍。當流速增大至7 m/s時，總腐蝕速率和電偶腐蝕速率分別達到8.64 mm/a和0.39 mm/a，與靜態(tài)相比分別增大146倍和15.6倍，與1 m/s流速下相比分別增大8.6倍和5倍。

圖9 流速對TA2(微弧氧化)-高強鋼電偶腐蝕速率影響

3 結論

1）TA2(微弧氧化)-高強鋼面積比為1:1的電偶對，其總腐蝕速率和電偶腐蝕速率都隨流速增大而增大。

2）在流動海水中，TA2(微弧氧化)-高強鋼以1:1面積比偶合，高強鋼的沖刷腐蝕速率大于電偶腐蝕速率。

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Galvanic Corrosion between High Strength Steel and TA2 (Micro Arac Oxidation) under Three Flow Rates

GAO Xin-xin1,2, GUO Jian-zhang1, PAN Da-wei2, ZHANG Hai-bing2
(1.College of Electromechanical Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266061, China; 2.State Key Laboratory for Marine Corrosion and Protection of Luoyang Ship Material Research Institute, Qingdao 266101, China)

ObjectiveTo study the galvanic corrosion behavior between TA2 (micro arc oxidation) and high strength steel under three flow rates.MethodsThe electrochemical test and the galvanic corrosion test were studied in 1 m/s, 3 m/s and 7 m/s of sea water under area radio of 1:1.ResultsThe galvanic current, total corrosion rate and galvanic corrosion increased with the increase of flow rate. When the flow velocity increased to 7 m/s, total corrosion rate and galvanic corrosion rate of high strength steel reached 8.64 mm/a and 0.39 mm/a respectively, it increased by 146 times and 15.6 times respectively compared with static state, while it increased by 8.6 times and 5 times respectively compared with the velocity of 1 m/s.ConclusionThe area ratio is 1:1, and the erosion corrosion rate is far greater than the galvanic corrosion rate.

galvanic corrosion; erosion; micro arc oxidation; corrosion rate

10.7643/ issn.1672-9242.2017.02.018

TJ04；TG172.5

A

1672-9242(2017)02-0090-05

2016-06-12；

2016-06-20

國家自然科學基金(51401185)

高心心（1990—），女，碩士研究生，研究方向為金屬腐蝕與防護。

張海兵（1983—），男，工程師，研究方向為金屬的腐蝕與防護。