中性环境中X70钢的交流腐蚀行为

杨 燕，李自力，文 闯，张玉蛟

（1.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，青岛266580；2.中国石油管道公司，廊坊065000）

对于邻近传输交流电导体的金属管道来说，交流腐蚀破坏是不容忽视的问题，尤其是带防腐蚀层的埋地金属管道。当交流杂散电流流入管道后，电流从防腐蚀层的破损处流出，易集中在管道局部，形成腐蚀穿孔。近年来，交流腐蚀带来的腐蚀危害屡见不鲜［1-3］。Priz通过对德国境内的一条煤气管道的研究证实，在阴极保护系统达到直流防腐蚀要求的情况下，交流电引起的试片点蚀速率高达210mm·a-1［4］。美国一条输气管线与500kV高压输电线临近敷设，平行段长度约1英里（约1 609.344m），铺设后仅5个月，发现4处腐蚀穿孔，用智能清管器发现了18处明显腐蚀坑点，穿透率超过50%［5］。国内在交流腐蚀研究上起步较晚，尹可华等［6］提出采用电场理论和电化学理论相结合的方法研究交流腐蚀机理。杜晨阳等［7］研究发现经典的-850mV（CSE）阴极保护电位标准在交流干扰环境中不再适用。李自力等［8］提出不同交流电干扰下的埋地金属管道最佳阴极保护电位范围。围绕交流腐蚀机理、评价和防护问题，国内外许多学者已发现一些有价值的规律［9-13］，但由于交流电具有可改变方向的特点，造成研究过程中不稳定因素众多，使得对交流腐蚀行为进行综合描述变得尤为困难。本工作通过室内模拟交流电对X70钢进行腐蚀试验，重点研究了不同离子环境中交流电对X70钢腐蚀速率的影响规律，为埋地管道交流腐蚀防护及评价提供借鉴。

1 试验

1.1 试验材料与溶液

试验材料采用X70钢，其化学成分（质量分数／%）为：C 0.061，Si 0.24，Mn 1.53，P 0.011，S 0.000 9和Fe余 量。试 样 尺 寸 为20mm×15mm×2.5mm。试验前将试样进行冷镶嵌，留有一面为工作面，背面焊接导线用于电气连接，其余面用环氧树脂封装，暴露面积为300mm2。在试验前将所有试样表面用水磨砂纸逐级打磨至1 200＃，然后用丙酮脱脂，去离子水清洗，无水乙醇脱水后在干燥器中备用。试验分别采用质量分数为0.05%Na2SO4和0.05%NaCl的中性溶液。室内平均温度为20℃。为观察试验过程中的温度变化，试验过程未做恒温处理。

1.2 试验方法

浸泡试验装置如图1所示。交流电源采用JJ98DD053A型恒压变频电源，电流控制采用串联可变电阻箱实现，电流数值通过交流毫安表读出。辅助电极为铂电极，参比电极为铜／硫酸铜参比电极（CSE）。将备好的试样分别编号并用ED124S四位电子称称量，每三个试样为一组，取平均质量，浸泡时间为6d。试样均放入低于烧杯液面下5cm左右，通入频率为50Hz的交流电，调整可变电阻箱的阻值，使电流密度分别控制在0，10，30，60，100，200，500A·m-2。

图1 交流腐蚀浸泡试验装置

浸泡试验结束后，将试片取出直接放入干燥箱中干燥，进行形貌观察及产物分析。然后用清水＋软刷去除表面腐蚀产物，将其放在配有盐酸缓蚀剂的除锈液中10min，清除附着在试样表面的致密腐蚀锈层，然后用去离子水清洗干净，酒精棉球脱水，干燥后用电子天平称量。为减少试验误差，酸洗时，把未经腐蚀的相同材质和尺寸的空白试片在同样条件下进行处理，获得试验的质量损失，腐蚀速率通过以下公式进行计算：

式中：△W为试片平均失质量，g；W0为试片原始质量，g；W1为去除腐蚀产物后的试片质量，g；W2为相同尺寸空白试片在除锈过程中的质量损失，g；S为试片的暴露面积，m2；t为浸泡时间，h；vcorr为腐蚀速率，g·m-2·h-1；v为单位时间内平均侵蚀深度，mm·a-1；ρ是金属材料的密度，g·cm-3。

2 结果与讨论

2.1 电流密度对腐蚀速率的影响

采用失重法计算出不同交流电流密度干扰条件下，试样在模拟溶液中的失重量和腐蚀速率，试验数据如表1，2及图2，3所示。

表1 试样在0.05%Na2SO4溶液中的交流腐蚀速率

表2 试样在0.05%NaCl溶液中的腐蚀速率

结果显示，交流电在不同电解液环境下均会引起X70钢的腐蚀，且随着交流电流密度的增大，X70钢的腐蚀速率随之增加。在0.05%Na2SO4溶液中施加电流密度为10A·m-2交流电时，腐蚀速率是未施加交流电干扰试样的3倍多。0.05%NaCl溶液中施加电流密度为500A·m-2交流电时，腐蚀速率高达0.72mm·a-1，是未施加交流电干扰试样的10倍多。由此可见，交流电造成的腐蚀危害是比较大的。

对图2数据进行拟合，得到拟合方程为：

式中：v是施加交流电干扰后的腐蚀速率，mm·a-1；v0是无交流电干扰时的腐蚀速率，mm·a-1；JAC是交流电流密度，A·m-2；R表示回归分析公式的结果反映变量间关系的程度标志。

对图3数据进行拟合，得到拟合方程为：

拟合公式的R2值越接近1，说明拟合曲线与原始数据吻合程度越高。由此可见，除去试验误差带来的因素，拟合公式（4），（5）较好地反应了X70钢在交流干扰下平均腐蚀速率的增长规律。根据拟合公式可以推测出在中性溶液中交流电对X70钢腐蚀速率的影响近似于幂函数规律增长，即：v＝v0＋aJbAC。幂函数模型的建立较真实地反映了交流电干扰条件下X70钢腐蚀速率的变化，随着交流电流密度的增高，X70钢的腐蚀速率随之增大，但增长趋势逐渐放缓。

2.2 交流腐蚀过程中X70钢表面状态及加载电流值的变化

浸泡试验初期试样表面被黑色产物覆盖，黑色产物表面逐渐零星生长出红褐色粉末状产物，随着浸泡时间的延长，试样表面完全被红褐色锈层覆盖，且产物层不断增厚，并出现鼓泡现象。施加的交流电强度越大锈层形成的时间越短，形成的腐蚀产物越多，红褐色产物增多常会脱落沉在容器底部。相同强度交流电干扰下Cl-环境中形成的产物量较多，这说明Cl-存在环境中交流腐蚀过程更加剧烈。100A·m-2电流密度干扰下不同溶液中形成的腐蚀产物EDS能谱分析见图4。

图4 100A·m-2电流密度条件下交流腐蚀产物能谱图

采用日立S4800型场发射SEM对腐蚀形貌进行观察。图5（a），（b）分别是试片在电流密度为100A·m-2，在SO42-和Cl-存在条件下的腐蚀表面。在0.05%Na2SO4溶液中，试样表面腐蚀较为均匀，当电流密度较大时可以明显看到试样表面整体减薄，说明腐蚀形式为全面腐蚀。而在0.05%NaCl溶液中，X70钢表面非常粗糙且有大量的腐蚀坑点存在，说明腐蚀形式为点蚀。

图5 X70钢交流腐蚀表面SEM图

虽然两组试验中的腐蚀类型有所不同，但在试验过程中都发现随着浸泡时间的延长，体系中的交流电流值会产生明显变化。图6，7分别为0.05%NaCl溶液浸泡试验中施加60，500A·m-2电流密度的情况下交流电流值的变化情况。可以看出，随着浸泡时间的延长，交流电流值发生衰减，且初始交流电流值越大，衰减幅度越大。试验过程中电流表的读数发生变化，交流电流呈现逐渐降低的情况，其余几组交流电流值的拟合方程如表3所示。

表3 0.05%NaCl溶液浸泡过程中其余几组交流电流值的拟合方程

对图6数据进行拟合，得到拟合方程为：

式中：I为试验体系中的交流电流值，mA；I0＝12.435 66，mA；t是浸泡时间，d。

对图7数据进行拟合，得到拟合方程为：

式中：I，I0，t，R如式（6）所述。

综上可见，交流腐蚀过程中加载交流电流值随着时间的延长出现衰减的情况，且衰减规律符合指数衰减函数的变化规律。造成这一现象的原因一方面是由于试样表面形成的产物具有一定的保护性，腐蚀产物的出现一定程度上阻碍了电流的流动；另一方面由于交流电解的作用，改变了电解液的电阻率，使得体系中的电阻值增大，从而造成交流电流值减小，这种减小的趋势直到体系达到平衡状态为止。这一现象也证实了2.1中的结论，即交流腐蚀速率的变化类似于幂函数规律增长，随着交流电流密度的增高腐蚀速率并不会无限制的增大。

3 结论

（1）交流电在不同电解液环境下均会引起X70钢的腐蚀，且随着交流电流密度的增大，X70钢的腐蚀速率随之增加。

（2）在中性溶液中交流电对X70钢腐蚀速率的影响近似于幂函数规律增长，即：v＝v0＋aJbAC。

（3）交流电在不同电解液中的腐蚀形态有所不同。在SO42-存在且无其它侵蚀性离子的环境中，交流干扰诱发均匀腐蚀；而在Cl-存在环境中，交流电和Cl-联合侵蚀作用将诱发点蚀。

（4）交流腐蚀过程中加载交流电流值随着时间的延长出现衰减的情况，且衰减规律符合指数衰减函数的变化规律。

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