雜散電流對碳鋼的腐蝕影響研究實驗探索與設計

萬紅霞，宋東東，陳長風，李婷婷，馬連錚

(1 中國石油大學(北京)新能源與材料學院，北京 102249；2 暨南大學先進耐磨蝕及功能材料研究院，廣東 廣州 510632)

近年來，隨著對石油、天然氣的需求日益增多，管道運輸的安全問題成為研究者們關注的重要方向[1]。石油管道大多埋于地下，管道內部會受到輸送介質、外部受到土壤、地下水以及雜散電流的腐蝕[2-3]。尤其近些年高壓輸電線及電氣化鐵路的發展，雜散電流腐蝕問題更加突出[4]。雜散電流腐蝕又分為直流和交流雜散電流腐蝕[5]。目前，盡管采取了排流保護與陰極保護等防護措施，但雜散電流引起的管道破壞事例時有發生[6]。例如，美國一條輸氣管線與500 kV高壓輸電線臨近敷設，平行段長度約1609.344 m，鋪設后僅5個月，發現4處腐蝕穿孔，用智能清管器調查，發現了18處明顯腐蝕坑點，穿孔率超過50%，平均腐蝕速率高達12 mm/a[7]。石油管道是石油輸送的大動脈，非常有必要讓本科生了解石油、天然氣工業雜散電流對管道腐蝕的危害。本文在調研文獻的基礎上結合實驗教學，增加實驗內容，與電化學等測試技術相結合，拓寬學生實驗思路，提高學生的科研能力，增強學生對雜散電流腐蝕的認識。

采用掃描電子顯微鏡(SEM)，激光共聚焦顯微鏡(CLSM)，電化學開路電位及極化曲線測試研究不同直流雜散電流密度對X80鋼腐蝕的影響，對了解雜散電流腐蝕具有重要的意義。

1 實 驗

1.1 材料及溶液

實驗所用的材料為X80高強管線鋼，采用的溶液體系為北京土壤模擬液，其成分為：硝酸鉀(KNO3)0.0146 g/L，氯化鈣(CaCl2)0.0781 g/L，碳酸鈉(Na2CO3)0.018 g/L，碳酸氫鈉(NaHCO3)0.399 g/L，七水硫酸鎂(MgSO4·7H2O)0.4 g/L，硫酸鈉(Na2SO4)0.333 g/L，用稀鹽酸將溶液pH值調至6.84。

用于浸泡和電化學實驗所用X80鋼試樣尺寸均為10 mm×10 mm×3 mm，試樣背面焊接Cu導線，除工作面之外其余面用環氧樹脂密封。浸泡和電化學試樣均用砂紙逐級打磨至1500#，致工作面無粗劃痕存在，接著用去離子水和酒精沖洗，吹干待用。

1.2 實驗方法

(1)浸泡實驗

采用直流電源對試樣施加電流密度為0.5、1、2、5 mA/cm2的直流電，觀察浸泡30 min后的腐蝕形貌，以探究不同直流電流密度對X80鋼的腐蝕行為。直流電源的正極接工作電極，負極接石墨輔助電極，電路中接入電流表檢測回路中的電流。為了觀察點蝕深度，對觀察完的樣品進行除銹，除銹液為500 mL濃鹽酸+500 mL去離子+3.5 g六次甲基四胺，然后用去離子水、酒精沖洗，吹干。對除銹后的試樣用激光共聚焦顯微鏡觀察點蝕深度。

(2)電化學實驗

電化學實驗所采用的裝置如圖1所示，通過直流電源向試樣施加直流電，其中正極連接X80鋼，負極接石墨電極，通過調節直流電源參數分別對試樣施加0.5、1、2、5 mA/cm2電流密度的直流電，電化學測試在CHI660D工作站上進行，測試采用三電極測試體系，工作電極為X80鋼，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極。電化學實驗分別進行了開路電位和極化曲線測試。其中，對開路電位的測試分為三個過程：首先對施加電流前的體系進行電位測試，之后對施加電流后的體系進行電位測試，最后對撤去電流的體系進行電位測試，每個過程的測試時間均為600 s。極化曲線測試時采用0.5 mV/s的掃描速率進行測試，掃描電位范圍為相對開路電位±0.5 V。

圖1 電化學裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of electrochemical device

2 結果與討論

2.1 浸泡實驗

圖2為X80鋼在不同電流密度下浸泡30 min的腐蝕形貌，從圖2可以看出，在電流密度為0.5 mA/cm2時，試樣表面被一層薄的腐蝕產物覆蓋，局部分布少量細小的白色顆粒，表面看不到腐蝕坑的存在。在電流密度為1 mA/cm2時，表面開始出現腐蝕坑，試樣表面白色腐蝕產物變多，隨著電流密度增大到2 mA/cm2時，試樣表面出現了明顯的腐蝕坑，并且表面白色產物由顆粒狀長大為塊狀腐蝕產物，在電流密度為5 mA/cm2時，較少的腐蝕產物覆蓋在試樣表面，白色腐蝕產物幾乎消失，腐蝕坑直徑變大且密集分布在試樣表面。說明直流電會造成試樣的腐蝕，并且隨電流密度的增加，局部腐蝕越來越嚴重。開展實驗時，可以用光學顯微鏡對其形貌進行分析。

圖2 X80鋼在不同電流密度下的SEM形貌Fig.2 SEM morphology of X80 steel under different current density

為了進一步研究不同電流密度對X80鋼腐蝕形貌的影響，對X80鋼除銹后進行了點蝕深度測試，結果如圖3所示。從圖2可以看出，當電流密度為0.5 mA/cm2時，試樣表面較為平整，未見明顯的點蝕坑。當電流密度為1 mA/cm2時，試樣表面出現點蝕坑，最大點蝕深度為14.822 μm，隨著電流密度的增大，試樣表面的最大點蝕深度也增加，當電流密度為5 mA/cm2時，試樣最大點蝕深度達到35.118 μm。

圖3 X80鋼在不同電流密度下的最大點蝕深度統計Fig.3 Statistic of maximum pitting depth of X80 steel under different current density

2.2 電化學實驗

圖4為在不同直流電流密度下X80鋼開路電位隨時間變化曲線，曲線分為三段，其中0～600 s為未施加直流雜散電流的開路電位，600～1200 s為施加了直流雜散電流下測得的電位，1200～1800 s為撤去直流雜散電流后的電位。從圖4中可以看出，施加直流雜散電流后，X80鋼的電位發生正移，且正移電位隨電流密度的增大而增大，撤去直流雜散電流后，電位降低，逐漸恢復到施加電流前的電位大小。

圖4 X80鋼在不同電流密度下的開路電位Fig.4 Open circuit potential of X80 steel at different AC density

圖5 X80鋼在不同交流電密度下的極化曲線Fig.5 Polarization curves of X80 steel at different AC density

表1 不同電流密度下X80鋼腐蝕電位和腐蝕電流密度Table 1 Corrosion potential and current density of X80 steel under different AC density

圖5為對X80鋼施加不同直流電流密度下的極化曲線測試，從圖5可以看出，在直流電的作用下，腐蝕電位發生正移，腐蝕電位大小隨施加直流電流密度的增加而增加，與開路電位的變化趨勢一致。為了得到腐蝕電位Ecorr和腐蝕電流密度Icorr，使用強極化區Tafel直線外推法進行擬合，擬合結果如表1所示。擬合得到的腐蝕電位的變化趨勢與圖像一致，在沒有外加電流情況下，試樣在土壤模擬液中的腐蝕電流密度為6.12 μA/cm2，施加電流密度為0.5 mA/cm2的直流電后，腐蝕電流密度增大為24.43 μA/cm2，隨著直流電流密度的增加，腐蝕電流密度也逐漸增大，當電流密度達到5 mA/cm2時，腐蝕電流密度增大到202.3 μA/cm2。

3 實驗運行建議

(1)本論文通過對腐蝕后形貌分析發現，電流密度比較小時，表面產生均勻腐蝕，增加電流密度，試樣表面由均勻腐蝕向局部腐蝕演變，表面出現大量點蝕坑，且最大點蝕坑深度隨電流密度增大而增大，可以通過設計形貌觀察表征雜散電流對碳鋼的腐蝕行為的影響。

(2)直流電使X80鋼的開路電位和腐蝕電位正移，且電位正移幅度隨電流密度的增加而增加，擬合結果表明腐蝕電流密度隨直流電密度的增大而增大，通過設計電化學試驗進一步了解雜散電流對碳鋼腐蝕的影響。

(3)結合材料科學與工程專業大三上學期的學習特點，該實驗可以放在電化學理論學習后進行的一個實驗，合計8個學時，分兩周時間完成，學生可以分組完成。實驗開始前，學生進行文獻調研，提出建議和想法，完成預習報告。

(4)在老師指導下熟悉直流電源、電化學工作站、光學顯微鏡以及激光共聚焦顯微鏡的操作，學會設置軟件各種參數。

(5)在實驗過程中施加直流電密度時，注意從小電流慢慢調節到所需電流大小，以免突然過高的電流密度影響實驗結果。

4 結 論

本論文采用形貌表征和電化學方法討論了直流雜散電流對管道腐蝕的影響，讓學生更直觀的了解到石油工業雜散電流對輸油管線的危害，結合實驗教學目的，在已有實驗條件的基礎上，設計實驗內容，豐富了知識點，拓展思路，提高學生的綜合實驗設計能力，進一步促進學生科研探究能力的培養。