鎂合金與Q235鋼在罐底水溶液下的電偶腐蝕行為

李卓遠(yuǎn)，謝 飛，吳 明，孫東旭，趙志龍

（1.遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順113001；2.中國(guó)石油撫順石化公司 石油二廠，遼寧 撫順113001）

儲(chǔ)油罐是石油行業(yè)中的必要設(shè)施之一，超過(guò)80%的儲(chǔ)罐事故是由儲(chǔ)罐底板腐蝕引起的，底板腐蝕嚴(yán)重威脅了儲(chǔ)罐的運(yùn)行安全[1]。隨著儲(chǔ)罐防腐蝕技術(shù)的發(fā)展，儲(chǔ)罐在一定程度上延長(zhǎng)了使用壽命，但仍達(dá)不到預(yù)期設(shè)想[2]。儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)，施工成本高，維護(hù)工作復(fù)雜，因此儲(chǔ)罐設(shè)備運(yùn)行的好壞直接關(guān)系到石油化工的生產(chǎn)效率和安全[3]。目前對(duì)金屬腐蝕的控制主要采用涂料防護(hù)和陰極保護(hù)[4]。經(jīng)過(guò)多年的研究和應(yīng)用，陰極保護(hù)是防止鋼質(zhì)儲(chǔ)罐腐蝕最常用的方法之一，儲(chǔ)罐罐底板的陰極保護(hù)是決定儲(chǔ)罐運(yùn)行壽命的關(guān)鍵技術(shù)[5]。相比其他金屬，鎂合金的電極電位低，利用這一特點(diǎn)和電化學(xué)原理，鎂合金可作為犧牲陽(yáng)極[6]，鎂合金犧牲陽(yáng)極已廣泛應(yīng)用于石油、天然氣、煤氣管道和儲(chǔ)罐等設(shè)備的腐蝕防護(hù)中[7-8]。儲(chǔ)罐的陰極保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)國(guó)內(nèi)外有所不同[9-10]，但一般是根據(jù)國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[11-13]進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，其中所需鎂合金的數(shù)量和與陰陽(yáng)極的比例大小是根據(jù)預(yù)期的使用年限計(jì)算得到，這種根據(jù)預(yù)估保護(hù)年限確定陽(yáng)極數(shù)量的設(shè)計(jì)方式會(huì)出現(xiàn)與現(xiàn)實(shí)陽(yáng)極的消耗速率不相符的情況。同時(shí)陰陽(yáng)極面積比也對(duì)陰極保護(hù)年限有著至關(guān)重要的影響，是影響電偶腐蝕速率的一個(gè)重要因素[14]。因此，研究鎂合金與Q235鋼在罐底水溶液下的電偶腐蝕行為，得到電偶腐蝕速率與陰陽(yáng)極面積比的關(guān)系，有助于確定合理的犧牲陽(yáng)極面積，避免資源和資金的浪費(fèi)，為罐底犧牲陽(yáng)極保護(hù)提供理論依據(jù)和參考。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者就犧牲陽(yáng)極的電偶腐蝕進(jìn)行了多方面的研究。H.H.Wang等[15]研究了兩種不同犧牲陽(yáng)極在海水中的電化學(xué)性能，判斷了兩種犧牲陽(yáng)極的優(yōu)劣。H.X.Wan等[16]采用電化學(xué)、浸泡和表面分析等方法，研究了海泥狀態(tài)對(duì)AlˉZnˉInˉ MgˉTi犧牲陽(yáng)極行為的影響，發(fā)現(xiàn)AlˉZnˉInˉ MgˉTi犧牲陽(yáng)極在模擬海水中的腐蝕速率高于在模擬海泥中的腐蝕速率，并且隨海泥粒徑的增大，其腐蝕速率也增大。N.Zidane等[17]對(duì)含氯儲(chǔ)罐陰極保護(hù)犧牲陽(yáng)極AZ31鎂合金腐蝕性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，綜合失重和電化學(xué)數(shù)據(jù)表明，隨著NaCl質(zhì)量濃度的增加和溫度的升高，鎂合金的腐蝕速率增大。Q.L.Cheng等[18]研究了Q235B碳鋼在原油沉積水中的腐蝕行為，結(jié)果表明碳鋼被碳酸鈣為主的氧化物覆蓋，在沉積水中電偶腐蝕導(dǎo)致局部溶解。M.Grabowski等[19]研究了AM 50鎂合金在除冰鹽溶液中的陰極保護(hù)，結(jié)果表明AM 50鎂合金在除冰鹽溶液中無(wú)法實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)，而是沿晶界發(fā)生局部溶解。雖然目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于陰極保護(hù)的研究已經(jīng)有了一定進(jìn)展，但多是針對(duì)影響電偶腐蝕的因素，對(duì)于犧牲陽(yáng)極的大小、最佳的陰陽(yáng)極面積比、犧牲陽(yáng)極的使用壽命方面的研究卻鮮有報(bào)道，在儲(chǔ)罐陰極保護(hù)方面也少有研究，對(duì)于陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意義較差。

本文以Q235鋼為陰極，鎂合金為陽(yáng)極組成電偶對(duì)，以大榭油庫(kù)罐底水模擬溶液為腐蝕環(huán)境，利用失重法、電化學(xué)實(shí)驗(yàn)、顯微形貌觀察等方法，研究罐底水溶液中的Q235鋼/鎂合金電偶對(duì)在不同陰陽(yáng)極面積比下的電偶腐蝕行為，討論了不同陰陽(yáng)極面積比對(duì)電偶腐蝕速率的影響，為儲(chǔ)罐犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)方案、最佳陰陽(yáng)極面積比提供科學(xué)的參考和理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與介質(zhì)

以大榭油庫(kù)儲(chǔ)罐鋼制罐底所使用的Q235鋼為陰極材料，AZ31B鎂合金為犧牲陽(yáng)極材料。大榭油庫(kù)301罐底水中含Clˉ16 000 mg/L、341 mg/L、1 185 mg/L、198 mg/L,溶液p H為8.1[20]。實(shí)驗(yàn)溶液以此罐底水的模擬水溶液為介質(zhì)溶液，用NaCl、MgSO4、NaHCO3、Na2CO3和去離子水配制實(shí)驗(yàn)室所用的罐底模擬溶液，具體離子質(zhì)量濃度如表1所示。

表1 模擬溶液的組成Table 1 Composition of simulated solution

1.2 浸泡實(shí)驗(yàn)

Sc表示Q235鋼（陰極）面積，Sa表示鎂合金（陽(yáng)極）面積，Sc/Sa表示陰極與陽(yáng)極的面積之比。

將Q235鋼材料加工成尺寸大小為50 mm×25 mm×2 mm的試件，再將鎂合金塊分別加工成與Q235鋼成一定比例的外形尺寸，Sc/Sa分別為1.0、2.0、3.0，用以進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)處理后逐一利用電子天平進(jìn)行稱(chēng)重，在半小時(shí)內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并做好記錄（精確到0.000 1 g），以防止外界因素影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。利用絕緣夾子將Q235鋼與鎂合金塊緊密貼合不發(fā)生相對(duì)位移，之后將其固定在已經(jīng)加工好且有足夠空間的容器中，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為15 d（360 h）。Q235鋼與鎂合金塊均不能與容器壁接觸，模擬溶液需浸沒(méi)整個(gè)試件，在容器開(kāi)口處進(jìn)行密封處理，以防止空氣進(jìn)入到容器中，對(duì)每個(gè)容器進(jìn)行標(biāo)簽區(qū)別記錄。清洗過(guò)的鎂合金塊用濾紙吸去表面的水分后，放入由200 g三氧化鉻（CrO3），10 g硝酸銀（AgNO3），20 g硝酸鋇[Ba（NO3）2]和去離子水配成的1 000 mL溶液中，放置1 min以清除剩余的腐蝕產(chǎn)物。用濾紙將清洗過(guò)的Q235鋼表面的水分吸干，放入由500 mL密度為1.19 g/mL的鹽酸、3.5 g六次甲基四胺與去離子水配制成的1 000 mL溶液中，靜置10 min，觀察除銹不夠徹底則可適當(dāng)延長(zhǎng)靜置時(shí)間[21]。將嚴(yán)格按要求處理后的試件放入干燥器中放置24 h后用電子天平稱(chēng)重并計(jì)算各試件的平均腐蝕速率，然后采用金相顯微鏡觀察試件微觀腐蝕形貌。在室溫下，共進(jìn)行3組平行實(shí)驗(yàn)，選取一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，其余實(shí)驗(yàn)結(jié)果用誤差棒表示。

通過(guò)浸泡實(shí)驗(yàn)研究鎂合金與Q235電偶對(duì)的腐蝕行為、陰陽(yáng)極腐蝕情況，以及在不同Sc/Sa下的腐蝕速率變化情況。

利用失重法計(jì)算試件的平均腐蝕速率Vc，如式（1）所示[22]：

式中，m0為試件的初始質(zhì)量，g；m1為試件經(jīng)清除腐蝕產(chǎn)物后的質(zhì)量，g；S為試件的表面積，m2；t為浸泡時(shí)間，d；Vc為平均腐蝕速率，g/(m2·d)。

1.3 電偶腐蝕實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選取Q235鋼為陰極材料，AZ31B鎂合金為犧牲陽(yáng)極材料，實(shí)驗(yàn)溶液如表1所示。將Q235鋼加工成外形尺寸為1 cm×1 cm×2 mm的試件，再將鎂合金塊分別加工成與Q235鋼成一定比例的外形尺寸，Sc/Sa分別為0.5、1.0、2.0，即未封裝的試件的陽(yáng)極工作面積分別為2.0、1.0、0.5 cm2，用以進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用三電極體系和PARSTAT 2273電化學(xué)工作站。其中，Q235鋼為工作電極，鎂合金為輔助電極，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極。將準(zhǔn)備好的電極與儀器的導(dǎo)線按要求接好，置于500 mL容量燒杯所盛的模擬溶液中（溶液未除氧），注意將3個(gè)電極正對(duì)處于同一水平面上且距離固定在3～5 cm，固定后先靜置30 min，以消除擾動(dòng)影響。電偶腐蝕實(shí)驗(yàn)電偶電流曲線測(cè)量時(shí)，設(shè)置實(shí)驗(yàn)時(shí)間為12 h（43 200 s），每個(gè)點(diǎn)間隔時(shí)間為10 s。畫(huà)出相應(yīng)的時(shí)間-電偶電流關(guān)系曲線，并將溶液的電偶腐蝕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出進(jìn)行分析，采用金相顯微鏡觀察試件微觀腐蝕形貌。在室溫下，共進(jìn)行3組平行實(shí)驗(yàn)，選取一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，其余實(shí)驗(yàn)結(jié)果用誤差棒表示。

通過(guò)電偶電流曲線，研究不同陰陽(yáng)極面積比的電偶電流與腐蝕程度的規(guī)律。利用電偶電流，通過(guò)理論計(jì)算得到腐蝕速率，回歸出腐蝕速率與陰陽(yáng)極面積比的關(guān)系曲線。

腐蝕電流與腐蝕速率的相關(guān)公式為[22]：

式中，V為腐蝕速率，g/(m2·h)；i為腐蝕電流密度，μA/cm2；n為價(jià)數(shù)，即金屬陽(yáng)極反應(yīng)方程式中的電子數(shù)；A為金屬的相對(duì)原子質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 平均腐蝕速率 不同Sc/Sa的Q235鋼/鎂合金塊在模擬溶液中浸泡360 h，實(shí)驗(yàn)前后統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 各組試件實(shí)驗(yàn)前后數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Data statistics of each gr oup befor e and after the experiment

由表2數(shù)據(jù)可以看出，鎂合金和Q235鋼都發(fā)生了腐蝕，二者均有失重。每一組鎂塊所損失的重量高于該組Q235鋼所損失的重量，這表明鎂合金所發(fā)生的腐蝕要比Q235鋼嚴(yán)重。相同Sc/Sa時(shí)陰陽(yáng)極的平均腐蝕速率也反應(yīng)了陰陽(yáng)極腐蝕情況的不同，二者的腐蝕速率相差很大，陽(yáng)極腐蝕情況嚴(yán)重，Q235鋼幾乎未受到腐蝕，這種平均腐蝕速率的差距在Sc/Sa為3.0時(shí)最大，鎂合金的腐蝕速率達(dá)到了0.701 7 g/（m2·h），而Q235鋼只有0.024 0 g/（m2·h）。所以Q235與鎂合金組成的電偶對(duì)會(huì)發(fā)生明顯的電偶腐蝕，鎂合金遭到嚴(yán)重腐蝕而Q235鋼則腐蝕輕微，這是由于添加了鎂合金后，鎂合金相較于Q235鋼有更低的電位，鎂合金作為陽(yáng)極被消耗，而Q235鋼作為陰極被保護(hù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)是有效的。

圖1為不同Sc/Sa下鎂合金與Q235鋼的平均腐蝕速率柱狀圖。由圖1可以看出，不同的Sc/Sa，陰極、陽(yáng)極的平均腐蝕速率是不同的。對(duì)鎂合金而言，當(dāng)Sc/Sa為1.0時(shí)，鎂合金的平均腐蝕速率為0.104 5 g/（m2·h），當(dāng)Sc/Sa為3.0時(shí)，鎂合金的平均腐蝕速率達(dá)到了0.701 7 g/（m2·h）。鎂合金的腐蝕速率隨著Sc/Sa的增大而增大，且增加幅度明顯。反觀Q235鋼，在Sc/Sa為1.0時(shí)平均腐蝕速率為0.016 8 g/（m2·h），Sc/Sa為3.0時(shí)為0.024 0 g/（m2·h），相較于鎂合金來(lái)說(shuō)增長(zhǎng)幅度很小。雖然隨著Sc/Sa的增大，無(wú)論是Q235鋼還是鎂合金塊的失重均逐漸增加，但隨著Sc/Sa的增大，鎂合金塊的平均腐蝕速率的增長(zhǎng)速度要遠(yuǎn)大于Q235鋼的平均腐蝕速率。總體來(lái)看，鎂合金的平均腐蝕速率隨著Sc/Sa的增大而明顯增大，而Q235鋼的腐蝕速率則增長(zhǎng)較小，說(shuō)明陰陽(yáng)極面積比的增加更多地影響了陽(yáng)極的腐蝕情況，加劇了陽(yáng)極的腐蝕，使陽(yáng)極溶解速度加快，相較于陽(yáng)極來(lái)說(shuō)，陰極還是處于被保護(hù)的狀態(tài)。

圖1 不同S c/S a的鎂合金與Q235鋼平均腐蝕速率柱狀圖Fig.1 Histogram of average corrosion rate of magnesium alloy and Q235 steel with different S c/S a

2.1.2 微觀腐蝕形貌 不同Sc/Sa的Q235鋼/鎂合金塊在模擬溶液中浸泡后，鎂合金塊、Q235鋼的微觀腐蝕形貌分別如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)Sc/Sa為1.0時(shí)，鎂合金塊腐蝕輕微，試件表面僅有少量點(diǎn)蝕坑，能看到大部分裸露的基體；當(dāng)Sc/Sa為2.0時(shí)，腐蝕與未腐蝕的部分面積基本相等；而當(dāng)Sc/Sa為3.0時(shí)，幾乎看不見(jiàn)裸露的基體部分，基體被大片的點(diǎn)蝕坑腐蝕，表面被大量的腐蝕產(chǎn)物覆蓋。相較于Sc/Sa＝2.0而言，Sc/Sa為3.0的腐蝕情況明顯加重。由此可知，隨著Sc/Sa的增大，鎂合金塊試件表面腐蝕狀況由局部腐蝕形成的點(diǎn)蝕變成全面腐蝕，鎂合金塊試件的裸露可視基體的面積越來(lái)越少。

圖2 浸泡實(shí)驗(yàn)中不同S c/S a的鎂合金與Q235鋼的微觀腐蝕形貌Fig.2 Micro corrosion morphology of magnesium alloy and Q235 steel with different S c/S a in immersion experiment

當(dāng)Sc/Sa為1.0時(shí)，Q235鋼試件表面基本未發(fā)生腐蝕，試樣表面機(jī)加工痕跡清晰可見(jiàn)，僅有零星點(diǎn)蝕坑；當(dāng)Sc/Sa為2.0時(shí)，機(jī)加工痕跡依舊存在，但變得不太清晰，腐蝕漸漸變得嚴(yán)重，看到更多點(diǎn)蝕坑出現(xiàn)；當(dāng)Sc/Sa為3.0時(shí)，腐蝕程度已經(jīng)很?chē)?yán)重，看不見(jiàn)加工痕跡的存在，點(diǎn)蝕坑非常密集，點(diǎn)蝕坑直徑變大，基體表面已經(jīng)全部被腐蝕。隨著Sc/Sa的增大，Q235鋼試件表面的點(diǎn)蝕坑越來(lái)越多，越來(lái)越密集；點(diǎn)蝕坑的直徑越來(lái)越大。

Q235鋼自身存在自腐蝕，所以盡管有鎂合金作為犧牲陽(yáng)極對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，但Q235表面還是會(huì)由于自腐蝕作用的影響而發(fā)生腐蝕。相較于鎂合金來(lái)說(shuō)，Q235鋼的腐蝕不明顯，鎂合金塊基體已經(jīng)被嚴(yán)重腐蝕，腐蝕產(chǎn)物布滿(mǎn)整個(gè)表面?？梢?jiàn)，當(dāng)Q235鋼與鎂合金組成電偶對(duì)時(shí)，會(huì)有明顯的腐蝕發(fā)生，且相較于陰極來(lái)說(shuō)陽(yáng)極的腐蝕發(fā)生得更為劇烈、更加嚴(yán)重。作為陰極的Q235鋼，未發(fā)生明顯的腐蝕，處于被保護(hù)的狀態(tài)，隨著Sc/Sa的增大，陽(yáng)極腐蝕加重且在Sc/Sa＝3.0時(shí)最為嚴(yán)重。

2.2 電偶腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 電偶電流曲線 采用三電極體系測(cè)試并繪制了不同Sc/Sa的Q235鋼/鎂合金電偶對(duì)在模擬溶液中偶接時(shí)發(fā)生電偶腐蝕時(shí)的電偶電流隨時(shí)間變化的曲線，電偶電流的大小可以反映金屬的腐蝕情況[23-26]。依據(jù)犧牲陽(yáng)極與Q235鋼偶合后的電極動(dòng)力學(xué),電偶電流Ig為陽(yáng)極主導(dǎo)時(shí)犧牲陽(yáng)極實(shí)際流出的電流量，即電偶電流的大小可以表示由電偶效應(yīng)引起的腐蝕速度的大小。圖3為不同Sc/Sa的Q235鋼/鎂合金電偶對(duì)在模擬溶液中的電偶電流。由圖3可知，不同Sc/Sa的Q235鋼/鎂合金電偶對(duì)的電偶電流隨時(shí)間變化呈下降的趨勢(shì)，并且曲線振蕩頻率及幅度比較大。一方面是因?yàn)镼235鋼/鎂合金電偶對(duì)的表面狀態(tài)不斷發(fā)生變化，從而造成電偶電流的波動(dòng)；另一方面是因?yàn)镼235鋼/鎂合金電偶對(duì)的表面在溶液中形成的腐蝕產(chǎn)物膜被破壞，文獻(xiàn)［27ˉ29］認(rèn)為腐蝕產(chǎn)物膜膜層破壞是由于腐蝕產(chǎn)物膜膜層不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生點(diǎn)蝕，之后腐蝕產(chǎn)物膜進(jìn)行自我修復(fù)或者再次生成，所以出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物膜形成、破壞、再形成的反復(fù)過(guò)程，從而引起電偶電流的波動(dòng)。

圖3 不同S c/S a的Q235鋼/鎂合金塊電偶對(duì)在模擬溶液中的電偶電流Fig.3 Galvanic curr ent of Q235 steel magnesium alloy block couple with different S c/S a in simulated solution

由圖3可以看出，當(dāng)Sc/Sa為0.5時(shí)，電偶電流從161μA左右快速下降到153μA左右，在t為3.0 h前曲線雖稍有降低但整體平穩(wěn)，在t為3.0 h之后曲線下降趨勢(shì)增大，從152μA左右降到150μA左右，在t為8.0 h之后曲線變得平穩(wěn)。發(fā)生這種變化的原因：在腐蝕剛開(kāi)始，發(fā)生腐蝕速率較大的點(diǎn)蝕；之后曲線下降是腐蝕產(chǎn)物膜的形成減緩了腐蝕的進(jìn)行，所以電偶電流降低；最后由點(diǎn)蝕轉(zhuǎn)為平穩(wěn)的均勻腐蝕，曲線也轉(zhuǎn)為平穩(wěn)。Sc/Sa為1.0時(shí)曲線的總體趨勢(shì)與Sc/Sa為0.5時(shí)相似，在t為4.0～6.0 h時(shí)，電偶電流下降的速度要大于Sc/Sa為0.5時(shí)的下降速度，在t為11.6 h時(shí)電偶電流達(dá)到最低148μA左右。Sc/Sa為2.0時(shí)電偶電流相較于另外兩個(gè)面積比時(shí)的電偶電流有明顯的增大，整條曲線均在其余兩條曲線的上方，Sc/Sa為2.0時(shí)曲線總體較為平穩(wěn)，在t為8.0～9.0 h有一個(gè)短時(shí)間的快速降低，但Sc/Sa為2.0時(shí)的曲線要比其余兩個(gè)曲線平穩(wěn)許多，電偶電流也沒(méi)有明顯的降低。在Sc/Sa為2.0時(shí)，電偶電流值最大，此時(shí)腐蝕程度最嚴(yán)重。

另一方面可以看出,當(dāng)Sc/Sa由2.0變?yōu)?.0時(shí)，電偶電流的減小較為明顯。當(dāng)Sc/Sa為0.5時(shí)電偶電流的減小基本與Sc/Sa為1.0時(shí)一致，即增大犧牲陽(yáng)極面積有助于降低陰極的腐蝕程度。由圖3還可以看出，即使陽(yáng)極面積增大，即Sc/Sa由1.0變?yōu)?.5，但對(duì)陰極的保護(hù)作用的提升并不是很明顯,可知增加陽(yáng)極面積對(duì)于增強(qiáng)陰極保護(hù)的效果是不合理的。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以通過(guò)了解Sc/Sa和腐蝕速率之間的規(guī)律找到一個(gè)合適的犧牲陽(yáng)極大小，而不是單純地加大陽(yáng)極面積來(lái)增強(qiáng)陰極保護(hù)的效果。

2.2.2 微觀腐蝕形貌 不同Sc/Sa的Q235鋼/鎂合金電偶對(duì)在模擬溶液中電偶腐蝕實(shí)驗(yàn)后的微觀腐蝕形貌如圖4所示。

圖4 電化學(xué)實(shí)驗(yàn)中不同S c/S a的鎂合金與Q235鋼的微觀腐蝕形貌Fig.4 Micro corrosion morphology of magnesium alloy and Q235 steel with different S c/S a in electrochemical experiments

在圖4中，當(dāng)Sc/Sa為0.5時(shí)，鎂合金塊試件表面仍能觀察到大部分未被腐蝕的基體表面，發(fā)生了小塊的局部腐蝕，腐蝕程度很輕微；當(dāng)Sc/Sa為1.0時(shí)，鎂合金塊表面點(diǎn)蝕坑連接成片，蝕坑的直徑和深度都有所增加。當(dāng)Sc/Sa為2.0時(shí)，能觀察到試件表面發(fā)生了全面的腐蝕，腐蝕程度非常嚴(yán)重，表面能看到腐蝕產(chǎn)物的覆蓋以及明顯的深度點(diǎn)蝕坑。

相對(duì)于鎂合金塊的腐蝕情況，Q235鋼的腐蝕情況要輕微。鎂合金作為添加的保護(hù)金屬，有更低的電位。相比于Q235，鎂合金作為保護(hù)的金屬構(gòu)件的陽(yáng)極，利用其容易失電子的特性，保護(hù)Q235不失去電子被氧化，達(dá)到保護(hù)Q235的作用。鎂合金在Sc/Sa為1.0時(shí)，鎂合金塊已經(jīng)發(fā)生較嚴(yán)重的腐蝕，Q235鋼的點(diǎn)蝕坑雖然比較密集，但并未成片出現(xiàn)。當(dāng)Sc/Sa為2.0時(shí)，Q235鋼的腐蝕情況比較嚴(yán)重，出現(xiàn)大量蝕坑，蝕坑深度和直徑明顯增大，但總體來(lái)說(shuō)作為陰極的Q235鋼腐蝕不明顯。

通過(guò)觀察微觀形貌，可以看到作為陽(yáng)極的鎂合金被嚴(yán)重腐蝕，作為陰極的Q235鋼被保護(hù)，同時(shí)隨著Sc/Sa的增大，鎂合金的腐蝕程度加重，在Sc/Sa為2.0時(shí)，腐蝕產(chǎn)物已經(jīng)遍布整個(gè)合金表面，腐蝕情況十分嚴(yán)重。

2.2.3 平均腐蝕速率 根據(jù)電偶腐蝕實(shí)驗(yàn)得到電偶電流，可以計(jì)算得到陽(yáng)極的平均腐蝕速率，并用其來(lái)驗(yàn)證浸泡實(shí)驗(yàn)得到的平均腐蝕速率的準(zhǔn)確性。計(jì)算得到的陽(yáng)極平均腐蝕速率如表3所示。由表3可知，通過(guò)電偶電流計(jì)算得到的平均腐蝕速率同樣隨著Sc/Sa的增大而增大。當(dāng)Sc/Sa為0.5時(shí)，腐蝕速率最小，為0.344 3 g/（m2·h），腐蝕速率隨著Sc/Sa的增大逐漸增大，在Sc/Sa為2.0時(shí)達(dá)到最大值，為1.410 3 g/（m2·h）。電偶電流計(jì)算得到的腐蝕速率結(jié)果和浸泡實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果雖然在數(shù)值上有一定的誤差[30-35]，但在不同Sc/Sa對(duì)腐蝕速率影響的趨勢(shì)和規(guī)律上有著良好的一致性。

表3 不同S c/S a下電化學(xué)計(jì)算得到的平均腐蝕速率Table 3 Average corrosion rate calculated by electrochemical method under differ ent Sc/Sa

為進(jìn)一步探究Sc/Sa對(duì)Q235鋼/鎂合金電偶對(duì)在罐底水溶液下腐蝕的影響，探明Sc/Sa與腐蝕速率的關(guān)系，將表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到直線，方程為Y＝0.711 88ˉ0.016 06（Sc/Sa），擬 合 方 程R2＝0.999 68，接近于1，P＝0.008 03（＜0.05），因此擬合方程總體擬合效果較好（見(jiàn)圖5）。3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)基本都在擬合出的直線上，說(shuō)明該方程可以很好地反映出Sc/Sa和腐蝕速率的線性規(guī)律變化。圖5表明，Sc/Sa與腐蝕速率呈線性關(guān)系，隨著Sc/Sa的增大，腐蝕速率也逐漸增大，進(jìn)一步證實(shí)了浸泡實(shí)驗(yàn)所得到的不同Sc/Sa下的腐蝕規(guī)律的正確性以及電偶電流反映出的不同Sc/Sa對(duì)腐蝕程度的影響規(guī)律的正確性。

圖5 不同S c/S a對(duì)平均腐蝕速率的影響Fig.5 Effect of different S c/S a on average corrosion rate

通過(guò)所得到的線性規(guī)律，可以確定腐蝕速率和陰陽(yáng)極面積比的關(guān)系，在儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)中可以根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，通過(guò)線性方程計(jì)算得到合適的陰陽(yáng)極面積比，從而得到合適的犧牲陽(yáng)極的合理使用面積。

3 結(jié) 論

（1）Q235鋼與鎂合金塊組成的電偶對(duì)在大榭油庫(kù)罐底水模擬溶液中有明顯的電偶腐蝕發(fā)生。作為陽(yáng)極的鎂合金腐蝕嚴(yán)重，Q235鋼作為陰極受到保護(hù)，腐蝕并不明顯。得到了不同Sc/Sa對(duì)鎂合金、Q235鋼電偶腐蝕的影響規(guī)律，即陽(yáng)極的腐蝕速率隨Sc/Sa的增大而增大。

（2）電偶電流曲線反應(yīng)出的腐蝕程度隨Sc/Sa的變化規(guī)律與浸泡實(shí)驗(yàn)一致，隨著Sc/Sa的增大，電偶電流增大，腐蝕程度加重。Sc/Sa為0.5時(shí)，腐蝕電流較大，電偶電流無(wú)明顯下降。Sc/Sa為1.0、2.0時(shí)，腐蝕電流較小，電偶電流下降明顯。電偶電流計(jì)算得到腐蝕速率的規(guī)律與電偶電流和浸泡實(shí)驗(yàn)的規(guī)律一致。利用計(jì)算得到的結(jié)果擬合出不同Sc/Sa對(duì)腐蝕速率的關(guān)系圖，可知腐蝕速率隨著Sc/Sa的增大呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，并得到了相應(yīng)的擬合方程。