NaCl對Q235鋼早期腐蝕行為的影響

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(常州大學 石油工程學院，常州 213016)

NaCl對Q235鋼早期腐蝕行為的影響

汪敏慧,王樹立,楊燕,徐洪敏,陳虎,季廷偉

(常州大學 石油工程學院，常州 213016)

在實驗室模擬了NaCl對Q235鋼早期腐蝕的影響，研究了NaCl含量和浸泡時間對Q235鋼腐蝕行為的影響。結果表明：試驗條件下，當NaCl質量分數為3.5%時，Q235鋼腐蝕傾向最大，電極表面的反應電阻最小，腐蝕速率最快；Q235鋼的腐蝕電流密度和表面反應電阻隨浸泡時間變化而出現波動，浸泡24 h后，腐蝕體系的自腐蝕電位最負，自腐蝕電流密度最大，腐蝕速率最快；電極表面的腐蝕產物對基體具有一定的保護作用，然而腐蝕產物較疏松，在電極表面的附著力小，很容易脫落而使腐蝕反應加快。

Q235鋼；NaCl濃度；浸泡時間；早期腐蝕；電化學試驗

NaCl普遍存在于海水、污水、土壤、海風等各種腐蝕環境中，是影響鋼材腐蝕的重要因素。Cl-能破壞金屬材料表面的鈍化膜，引起材料發生點蝕[1-2]，對金屬材料具有很強的破壞性。肖葵等[3]研究了NaCl顆粒沉積對Q235鋼早期大氣腐蝕的影響，結果表明,在NaCl、CO2和SO2的協同作用下，Q235鋼發生表面嚴重腐蝕，其腐蝕產物主要有Fe3O4、γ-Fe2O3和γ-FeOOH。HU等[4]對Q235鋼在NaHCO3和NaCl溶液中的縫隙腐蝕進行了研究，結果表明：縫隙腐蝕的誘導期隨著電極面積比的增大而延長。王海杰等[5]研究了NaCl污染土對Q235鋼腐蝕的影響，結果表明，隨著NaCl含量的增大，土壤含氣率、電阻率和氧化還原電位減小，Q235鋼腐蝕加強。本工作通過電化學方法研究在實驗室條件下,NaCl含量以及浸泡時間對Q235鋼早期腐蝕行為的影響。

1 試驗

在實驗室條件下，利用PARSTAT 2273電化學工作站進行電化學腐蝕試驗，記錄和分析腐蝕試驗結果。工作電極材料為Q235鋼，其化學成分為wc0.18%,wSi0.12%，wMn0.40%，wS0.02%，wP0.04%,余量為Fe。試驗用試樣尺寸為φ5 mm的圓片試樣。試驗前用砂紙(600～1 200號)逐級打磨試樣表面后，Al2O3粉末拋光至鏡面。丙酮除油，去離子水清洗之后，自然干燥。試驗溶液是NaCl質量分數為0.5%,1.5%,2.5%,3.5%,4.5%的水溶液，試驗溫度為室溫。電化學試驗采用三電極體系，工作電極為試樣，參比電極為Ag/AgCl電極,輔助電極為Pt電極。測試了Q235鋼試樣的開路電位曲線、Tafel曲線和電化學阻抗,考察了溫度和NaCl含量為Q235鋼腐蝕行為的影響。文中電位若無特指，均相對于Ag/AgCl電極。

2 結果與討論

2.1 NaCl的影響

由圖1和表1可見：NaCl質量分數低于3.5%時,自腐蝕電位(Ecorr)隨溶液中NaCl量的增大而降低;NaCl質量分數為4.5%時,Ecorr明顯升高，達到了-0.47 V。從熱力學角度分析，Ecorr越負，越容易發生腐蝕，故當NaCl質量分數為3.5 %時，試樣最易發生腐蝕。

圖1 試樣在含不同量NaCl溶液中的開路電位Fig. 1 OCP of samples in the solution conaining different concentrations of NaCl

NaCl質量分數/%Ecorr/V0．5-0．4751．5-0．4772．5-0．4803．5-0．4904．5-0．470

由圖2可見：試樣在5種溶液中均出了活化溶解的腐蝕行為，當NaCl質量分數小于3.5%時，自腐蝕電位隨溶液中NaCl量的增加而降低，更容易發生腐蝕，這與開路電位試驗結果一致；當NaCl質量分數達到4.5 %時，Ecorr反而增大，腐蝕傾向減弱。

圖2 試樣在含不同量NaCl的溶液中的極化曲線Fig. 2 Polarization curves of samples in the solution containing different concentrations of NaCl

試樣在5種溶液中的自腐蝕電流密度(Jcorr)和腐蝕速率如表2所示，腐蝕速率與Jcorr的計算公式[6]表示為

式中：vd為深度法表示的腐蝕速率；A為金屬的相對原子質量；n為金屬陽離子的價數；F為法拉第常數；ρ為材料密度。

由表2可見：NaCl質量分數為3.5%時，試樣腐蝕速率最大為2.21×10-2mm·a-1，當NaCl質量分數為4.5%時，腐蝕速率明顯降低。這是因為當NaCl質量分數為4.5 %時，大量Cl-吸附在試樣表面[7]，阻止了其他陰離子參與陽極反應，導致腐蝕速率反而降低[8]。

表2 試樣在5種NaCl溶液中的自腐蝕電流密度和腐蝕速率Tab. 2 Corrosion current density and corrosion rate of samples in 5 kinds of NaCl solution

圖3中，高頻部分表現為容抗弧，容抗弧的起點橫坐標表征了腐蝕體系的溶液電阻大小，可以看出5種溶液的溶液電阻值及其變化均很小。容抗弧的半徑大小反映了電極表面反應電阻的大小[9]，NaCl質量分數低于3.5 %時，容抗弧半徑逐漸減小，反應電阻也逐漸減小；當其質量分數為4.5 %時，容抗弧半徑明顯增大，反應電阻增大。

利用ZSimpWin軟件對試樣在各溶液中的電化學阻抗進行擬合，其等效電路圖如圖4所示，各元件的擬合結果如表3。其中Rs為溶液電阻，Q為常相位角元件[10]，Rt為電荷傳遞電阻。

圖3 試樣在5種NaCl溶液中的Nyquist圖Fig. 3 Nyquist plots of samples in 5 kinds of NaCl solutions

圖4 擬合阻抗譜的等效電路圖Fig. 4 Equivalent circuit model of EIS

NaCl質量分數/%Rs/(Ω·cm2)Q?Y0/(S·secn·cm2)Q?nRt/(Ω·cm2)0．524．847．161×10-40．650923141．58．5756．098×10-40．691815522．57．0151．57×10-30．737715323．54．1421．153×10-30．700813944．53．431．018×10-30．70911611

由表3可見：隨著NaCl量的增大，Rs逐漸減小；當NaCl質量分數低于3.5%時，Rt逐漸減小，腐蝕速率增大，當NaCl質量分數大于3.5%時，Rt增大，腐蝕速率減小；NaCl質量分數為3.5%時，Rt最小，腐蝕速率最大。

綜合上述開路電位、Tafel曲線和電化學阻抗譜，得出Q235鋼在3.5% NaCl溶液中最容易發生腐蝕，且腐蝕速率最大，電極表面反應電阻最小。

2.2 浸泡時間的影響

由圖5可見:試樣在3.5% NaCl溶液中浸泡不同時間后的極化曲線形狀基本相同，各腐蝕過程類似,浸泡24 h時，自腐蝕電位最負。由表4可見:試樣在3.5% NaCl溶液中浸泡24 h時，腐蝕速率最大,之后隨著浸泡時間的延長呈現上升趨勢。

由圖6可見:經不同時間浸泡后，試樣的阻抗譜均表現為一個容抗弧。電化學阻抗隨浸泡時間的變化出現了波動，當浸泡時間為24 h時，阻抗弧的半徑最小，此時電極表面反應的阻力最小，而后阻抗弧半徑又稍有增大；當浸泡時間為96 h時，阻抗弧半徑稍有減小，幾乎與24 h的重疊。此試驗結果從腐蝕體系反應的阻力方面給出了腐蝕隨時間發展的規律，與上述極化曲線的試驗結果一致，表明Q235鋼在3.5% NaCl溶液中，當浸泡時間為24 h時，腐蝕速率達到最大值。腐蝕速率隨時間變化出現波動的主要原因是24 h之前電極表面的腐蝕產物較少，腐蝕較快，而后腐蝕產物積累附著在電極表面而對基體產生了一定的保護作用[11]，由于腐蝕產物較疏松，在電極表面的附著力小，當腐蝕產物稍微增長即在重力作用下腐蝕產物從電極表面脫落，對基體失去保護作用，腐蝕反應阻力減小。

圖5 試樣在3.5% NaCl溶液中浸泡不同時間后的極化曲線Fig. 5 Polarization curves of samples after immersed in 3.5% NaCl solution for different times

時間/h腐蝕電流密度Icorr/(A·cm-2)腐蝕速率vd/(mm·a-1)12．85×10-62．21×10-2241．29×10-51．0×10-1)488．87×10-66．89×10-2729．40×10-67．3×10-2961．12×10-58．7×10-2

圖6 試樣在3.5% NaCl溶液中浸泡不同時間后的Nyquist圖Fig. 6 Nyquist plots of samples after immersed in 3.5% NaCl solution for different times

對不同時間的電化學阻抗進行擬合，其等效電路圖如圖4所示，對各元件的擬合結果如表5所示。表5中，Rs隨時間變化沒有出現很大的波動；1 h時，Rt最大，腐蝕速率最小；24 h時，Rt最小，腐蝕速率最大，48 h～96 h，Rt值逐漸減小，腐蝕速率增大。

表5 圖6的擬合數據Tab. 5 Fitting data of Fig. 6

3 結論

(1) 試驗條件下，當NaCl質量分數為3.5%時，腐蝕最易發生，電極表面反應電阻最小，腐蝕速率最大；當NaCl質量分數小于3.5%時，Ecorr隨NaCl量的增大而減小，腐蝕更容易發生；Rt逐漸減小，Jcorr隨NaCl量的增大而增大，腐蝕加速；NaCl質量分數為4.5%時，Ecorr增大，腐蝕傾向變小；Rt增大，Jcorr增大，腐蝕速率變大。

(2) Q235鋼的腐蝕電流密度和表面反應電阻隨時間變化而出現波動；24 h時，腐蝕體系的自腐蝕電位最負，自腐蝕電流密度最大，腐蝕最快。

(3) Q235鋼的測試結果隨時間變化而出現波動的主要原因是隨著腐蝕反應的進行，腐蝕產物積累附著在電極表面而對基體產生了一定的保護作用；然而腐蝕產物較疏松，在電極表面的附著力小，當腐蝕產物稍有增長即在重力作用下腐蝕產物從電極表面脫落，對基體失去保護作用，此時，反應電阻減小，腐蝕速率增大。

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EffectofNaClonInitialCorrosionBehaviorofQ235Steel

WANG Minhui, WANG Shuli, YANG Yan, XU Hongmin, CHEN Hu, JI Tingwei

(School of Petroleum Engineering, Changzhou University, Changzhou 213016, China)

The effect of NaCl concentration and immersion time on the initial corrosion of Q235 steel was studied in laboratory. The results indicate that the critical corrosion concentration of NaCl was 3.5 wt% under the testing conditions. In 3.5 wt% NaCl solution, Q235 steel was more prone to corrosion and the corrosion rate was the largest, and the reaction resistance on the electrode surface was the least. Corrosion current density and surface reaction resistance of Q235 steel fluctuated with time. After 24 hours′ immersion in 3.5 wt % NaCl solution, the free-corrosion potential in the corrosion system was the lowest, the corrosion current density and corrosion rate were the largest. Corrosion products on electrode surface had a limited protective effect on the substrate. Loose structure and small adhesion of the corrosion product made it easy to fall off from the electrode surface, and thus the corrosion reaction was accelerated.

Q235 steel; NaCl concentration; immersion time; initial corrosion; electrochemical experiment

10.11973/fsyfh-201711005

2016-05-22

江蘇省自然科學基金(BK20150270)； 江蘇省高校自然科學研究面上項目(15KJB440001)

王樹立(1957-)，教授，博士，從事油氣儲運設備腐蝕與防護等方面的研究，13813698610，wsl@cczu.edu.cn

TG172.6

A

1005-748X(2017)11-0844-04