杂散电流与Cl-对碳钢腐蚀行为实验探索与设计

万红霞，宋东东，陈长风，李婷婷

(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，随着埋地石油管道与高压输电线路等交流电力设施交叉铺设的情况越来越多，这些电力设施所产生的交流电加速了管道的腐蚀，甚至造成腐蚀穿孔，最终导致管道腐蚀失效[1-2]。除此之外，由于地下油气管道往往埋设较深，处于地下水丰富、透水性强的地层土壤中，而土壤中的富含的氯离子极易渗透到金属管道附近[3-4]，因此埋地管道往往处于杂散电流与氯离子共存的腐蚀环境中。杂散电流与Cl-腐蚀其本质都是电化学腐蚀，但交流电对腐蚀的影响远大于Cl-引发的腐蚀，但杂散电流对腐蚀的影响部分是由于杂散电流促进离子迁移[5]，同时氯离子会通过破坏金属表面的钝化膜从而加速杂散电流的腐蚀[6]，在二者的共同作用下，金属的腐蚀速率和点蚀敏感性增加[7]。石油管道是石油输送的大脉动，非常有必要让本科生了解石油、天然气工业杂散电流和Cl-共同作用对管道的危害。本文在调研文献的基础上结合实验教学，增加实验内容，与腐蚀测试技术相结合，拓宽学生实验思路，提高学生的科研能力，增强学生对交流电和Cl-腐蚀的认识。

采用电化学测试技术对X80钢在中性NS4溶液中的开路电位及极化曲线进行测试，通过扫描电子显微镜(SEM)对其腐蚀后的表面形貌进行观察，研究不同交流电密度和Cl-浓度对X80钢腐蚀的影响。

1 实 验

1.1 材料和试剂

实验所用的材料为X80高强管线钢，采用的溶液体系为近中性NS4溶液，其成分为：碳酸氢钠(NaHCO3) 0.483 g/L，氯化钾(KCl) 0.122 g/L，氯化钙(CaCl2) 0.137 g/L，七水硫酸镁(MgSO4·7H2O) 0.131 g/L。通过加入NaCl调节溶液中的10X和100XCl-浓度。

用于浸泡和电化学实验所用X80钢的大小均为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)电化学实验

图1 交流电干扰下X80钢电化学装置示意图Fig.1 Schematic diagram of electrochemical deviceunder the effect of AC

电化学实验所采用的装置如图1所示，通过信号发生器向试样施加均方根电流密度分别为30 A/m2、100 A/m2、300 A/m2，频率为50 Hz的正弦交流电信号。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。实验装置图中的电容用以防止电化学测试系统对交流电源产生干扰，电感以防止交流电对电化学测试系统产生干扰。电化学实验分别进行了开路电位和极化曲线测试。开路电位的测量分为两个过程，第一，0～600 s未施加交流电前电位的测量，第二，600～1200 s施加交流电后电位的测量。极化曲线需待开路电位稳定后进行测试，其扫描速率为0.5 mV/s，扫描电位范围为-0.5～+0.5V(vs. SCE)。

(2)浸泡实验

采用信号发生器施加电流密度为30 A/m2的交流电，观察X80钢在不同Cl-浓度(10X、100X)下的NS4溶液中浸泡一定时间后的腐蚀形貌，为了实验结果讨论的合理性，同时设置X80钢在未施加交流电的对照组实验。按照图1所示安装试样和石墨电极，交流干扰信号发生器的正极接试样，负极接石墨电极。每个条件平行样为三个。实验结束后，将试样在去离子中轻轻清洗，酒精润洗，然后自然晾干。用扫描电子显微镜(SEM)观察不同Cl-浓度下X80钢表面的腐蚀形貌。

2 结果与讨论

2.1 电化学实验

图2为X80钢在10XCl-和100XCl-浓度作用下的施加交流电前后的腐蚀电位。可以发现，施加交流电前，X80钢在10XCl-环境中的NS4溶液中的腐蚀电位大概为-0.75 V，而在100XCl-环境中的腐蚀电位大概为-0.77 V，离子浓度的增大，促进腐蚀。施加不同交流电密度时，电位发生负移，且随交流电密度的增大，负移越多。但是在100XCl-溶液中的，当施加交流电密度为300 A/m2时，施加交流电后，其电位随时间而正移。

图2 X80钢在交流电密度为30 A/m2 (a) 10XCl-和(b) 100XCl-作用下的电位Fig.2 The potential of X80 steel at 30 A/m2 AC density (a) 10XCl-; (b)100XCl-

图3为X80钢在交流电密度相同不同Cl-环境中的极化曲线，可以发现相同交流电密度下，X80钢在不同Cl-浓度中的腐蚀电位差别较小，特别是当交流电密度为0、30和100 A/m2时，不同交流电密度下的极化曲线腐蚀电位几乎重合在一起，对比相同电流密度下不同Cl-环境中极化曲线可知，100XCl-浓度下的阴阳极均得到促进，极化曲线在整个10XCl-浓度的内部。当交流电密度为300 A/m2时，100XCl-浓度下的极化曲线腐蚀电位负移，整个极化曲线发生右移，Cl-浓度的增大，明显促进了腐蚀。而对比相同Cl-浓度不同交流电密度下的极化曲线可知，随着施加的交流电密度的增大，极化曲线腐蚀电位明显负移，同时整个极化曲线发生右移。对比可知，交流电对X80钢腐蚀的影响明显大于Cl-对腐蚀的影响。

图3 X80钢在不同交流电密度和Cl-环境中的极化曲线Fig.3 Polarization curves of X80 steel at different AC and Cl- concentration

2.2 浸泡实验

图4为X80钢在未施加交流电(左侧)和施加交流电密度为30 A/m2(右侧)时，Cl-浓度分别为10X和100X中NS4溶液中浸泡一定时间后的形貌。从形貌可以看出，未施加交流电时，随着Cl-浓度增大，试样表面点蚀坑密度增大；施加30 A/m2的交流电后，相同Cl-浓度下的点蚀坑数量明显增多，点蚀深度加深，并且在100XCl-浓度下大的点蚀坑周围分布了许多小孔，说明施加交流电后促进腐蚀。当交流电密度相同时，Cl-浓度提高后，其腐蚀加重，交流电与Cl-协同作用促进腐蚀。

图4 X80钢在不同交流电密度和Cl-浓度中的浸泡形貌Fig.4 SEM morphology of X80 steel under different currentdensity and Cl- concentration

3 实验运行建议

(1)本论文通过研究不同交流电密度和Cl-浓度对X80钢的腐蚀发现，施加交流电后，其腐蚀电位降低，Cl-浓度的提高，使得相同电流密度下的交流电电压幅值降低，交流电与Cl-协同作用促进X80钢的腐蚀。

(2)从腐蚀形貌中可以看出，未施加交流电时，Cl-的加入使试样表面产生了点蚀，随Cl-浓度的增高，点蚀坑增多，直径变大。在相同Cl-浓度环境下加入交流电后，试样表面腐蚀加重。

(3)结合材料科学与工程专业大三下学期的学习特点，该实验属于金属材料综合实验中的一个实验，可以放在电化学理论学习后的一个实验，合计8个学时，可分两周时间完成，学生可以分组完成。实验开始前，学生进行文献调研，提出建议和想法，完成预习报告。

(4)在老师指导下熟悉信号发生器、电化学工作站以及扫描电子显微镜的操作，学会设置软件各种参数。

(5)在实验过程中施加交流电密度时，注意从小电流慢慢调节到所需电流大小，以免突然过高的电流密度影响实验结果。

4 结 语

本论文采用形貌表征和电化学方法讨论了交流电与Cl-共同作用下对金属腐蚀的影响，让学生更直观的了解到不同杂散电流密度和Cl-浓度对金属腐蚀的影响以及两者耦合下的腐蚀情况，结合实验教学目的，在已有实验条件的基础上，设计实验内容，丰富了知识点，使学生对杂散电流腐蚀和Cl-腐蚀有整体的认识，拓展思路，提高学生的综合实验设计能力，进一步促进学生科研探究能力的培养。