杂散电流对碳钢的腐蚀影响研究实验探索与设计

2020-09-27万红霞宋东东陈长风李婷婷马连铮

广州化工 2020年18期

万红霞，宋东东，陈长风，李婷婷，马连铮

(1 中国石油大学(北京)新能源与材料学院，北京 102249；2 暨南大学先进耐磨蚀及功能材料研究院，广东广州 510632)

近年来，随着对石油、天然气的需求日益增多，管道运输的安全问题成为研究者们关注的重要方向[1]。石油管道大多埋于地下，管道内部会受到输送介质、外部受到土壤、地下水以及杂散电流的腐蚀[2-3]。尤其近些年高压输电线及电气化铁路的发展，杂散电流腐蚀问题更加突出[4]。杂散电流腐蚀又分为直流和交流杂散电流腐蚀[5]。目前，尽管采取了排流保护与阴极保护等防护措施，但杂散电流引起的管道破坏事例时有发生[6]。例如，美国一条输气管线与500 kV高压输电线临近敷设，平行段长度约1609.344 m，铺设后仅5个月，发现4处腐蚀穿孔，用智能清管器调查，发现了18处明显腐蚀坑点，穿孔率超过50%，平均腐蚀速率高达12 mm/a[7]。石油管道是石油输送的大动脉，非常有必要让本科生了解石油、天然气工业杂散电流对管道腐蚀的危害。本文在调研文献的基础上结合实验教学，增加实验内容，与电化学等测试技术相结合，拓宽学生实验思路，提高学生的科研能力，增强学生对杂散电流腐蚀的认识。

采用扫描电子显微镜(SEM)，激光共聚焦显微镜(CLSM)，电化学开路电位及极化曲线测试研究不同直流杂散电流密度对X80钢腐蚀的影响，对了解杂散电流腐蚀具有重要的意义。

1 实验

1.1 材料及溶液

实验所用的材料为X80高强管线钢，采用的溶液体系为北京土壤模拟液，其成分为：硝酸钾(KNO3)0.0146 g/L，氯化钙(CaCl2)0.0781 g/L，碳酸钠(Na2CO3)0.018 g/L，碳酸氢钠(NaHCO3)0.399 g/L，七水硫酸镁(MgSO4·7H2O)0.4 g/L，硫酸钠(Na2SO4)0.333 g/L，用稀盐酸将溶液pH值调至6.84。

用于浸泡和电化学实验所用X80钢试样尺寸均为10 mm×10 mm×3 mm，试样背面焊接Cu导线，除工作面之外其余面用环氧树脂密封。浸泡和电化学试样均用砂纸逐级打磨至1500#，致工作面无粗划痕存在，接着用去离子水和酒精冲洗，吹干待用。

1.2 实验方法

(1)浸泡实验

采用直流电源对试样施加电流密度为0.5、1、2、5 mA/cm2的直流电，观察浸泡30 min后的腐蚀形貌，以探究不同直流电流密度对X80钢的腐蚀行为。直流电源的正极接工作电极，负极接石墨辅助电极，电路中接入电流表检测回路中的电流。为了观察点蚀深度，对观察完的样品进行除锈，除锈液为500 mL浓盐酸+500 mL去离子+3.5 g六次甲基四胺，然后用去离子水、酒精冲洗，吹干。对除锈后的试样用激光共聚焦显微镜观察点蚀深度。

(2)电化学实验

电化学实验所采用的装置如图1所示，通过直流电源向试样施加直流电，其中正极连接X80钢，负极接石墨电极，通过调节直流电源参数分别对试样施加0.5、1、2、5 mA/cm2电流密度的直流电，电化学测试在CHI660D工作站上进行，测试采用三电极测试体系，工作电极为X80钢，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极。电化学实验分别进行了开路电位和极化曲线测试。其中，对开路电位的测试分为三个过程：首先对施加电流前的体系进行电位测试，之后对施加电流后的体系进行电位测试，最后对撤去电流的体系进行电位测试，每个过程的测试时间均为600 s。极化曲线测试时采用0.5 mV/s的扫描速率进行测试，扫描电位范围为相对开路电位±0.5 V。

图1 电化学装置示意图Fig.1 Schematic diagram of electrochemical device

2 结果与讨论

2.1 浸泡实验

图2为X80钢在不同电流密度下浸泡30 min的腐蚀形貌，从图2可以看出，在电流密度为0.5 mA/cm2时，试样表面被一层薄的腐蚀产物覆盖，局部分布少量细小的白色颗粒，表面看不到腐蚀坑的存在。在电流密度为1 mA/cm2时，表面开始出现腐蚀坑，试样表面白色腐蚀产物变多，随着电流密度增大到2 mA/cm2时，试样表面出现了明显的腐蚀坑，并且表面白色产物由颗粒状长大为块状腐蚀产物，在电流密度为5 mA/cm2时，较少的腐蚀产物覆盖在试样表面，白色腐蚀产物几乎消失，腐蚀坑直径变大且密集分布在试样表面。说明直流电会造成试样的腐蚀，并且随电流密度的增加，局部腐蚀越来越严重。开展实验时，可以用光学显微镜对其形貌进行分析。

图2 X80钢在不同电流密度下的SEM形貌Fig.2 SEM morphology of X80 steel under different current density

为了进一步研究不同电流密度对X80钢腐蚀形貌的影响，对X80钢除锈后进行了点蚀深度测试，结果如图3所示。从图2可以看出，当电流密度为0.5 mA/cm2时，试样表面较为平整，未见明显的点蚀坑。当电流密度为1 mA/cm2时，试样表面出现点蚀坑，最大点蚀深度为14.822 μm，随着电流密度的增大，试样表面的最大点蚀深度也增加，当电流密度为5 mA/cm2时，试样最大点蚀深度达到35.118 μm。

图3 X80钢在不同电流密度下的最大点蚀深度统计Fig.3 Statistic of maximum pitting depth of X80 steel under different current density

2.2 电化学实验

图4为在不同直流电流密度下X80钢开路电位随时间变化曲线，曲线分为三段，其中0～600 s为未施加直流杂散电流的开路电位，600～1200 s为施加了直流杂散电流下测得的电位，1200～1800 s为撤去直流杂散电流后的电位。从图4中可以看出，施加直流杂散电流后，X80钢的电位发生正移，且正移电位随电流密度的增大而增大，撤去直流杂散电流后，电位降低，逐渐恢复到施加电流前的电位大小。

图4 X80钢在不同电流密度下的开路电位Fig.4 Open circuit potential of X80 steel at different AC density

图5 X80钢在不同交流电密度下的极化曲线Fig.5 Polarization curves of X80 steel at different AC density

表1 不同电流密度下X80钢腐蚀电位和腐蚀电流密度Table 1 Corrosion potential and current density of X80 steel under different AC density

图5为对X80钢施加不同直流电流密度下的极化曲线测试，从图5可以看出，在直流电的作用下，腐蚀电位发生正移，腐蚀电位大小随施加直流电流密度的增加而增加，与开路电位的变化趋势一致。为了得到腐蚀电位Ecorr和腐蚀电流密度Icorr，使用强极化区Tafel直线外推法进行拟合，拟合结果如表1所示。拟合得到的腐蚀电位的变化趋势与图像一致，在没有外加电流情况下，试样在土壤模拟液中的腐蚀电流密度为6.12 μA/cm2，施加电流密度为0.5 mA/cm2的直流电后，腐蚀电流密度增大为24.43 μA/cm2，随着直流电流密度的增加，腐蚀电流密度也逐渐增大，当电流密度达到5 mA/cm2时，腐蚀电流密度增大到202.3 μA/cm2。