雜散電流與Cl-對碳鋼腐蝕行為實驗探索與設計

萬紅霞，宋東東，陳長風，李婷婷

(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，隨著埋地石油管道與高壓輸電線路等交流電力設施交叉鋪設的情況越來越多，這些電力設施所產生的交流電加速了管道的腐蝕，甚至造成腐蝕穿孔，最終導致管道腐蝕失效[1-2]。除此之外，由于地下油氣管道往往埋設較深，處于地下水豐富、透水性強的地層土壤中，而土壤中的富含的氯離子極易滲透到金屬管道附近[3-4]，因此埋地管道往往處于雜散電流與氯離子共存的腐蝕環境中。雜散電流與Cl-腐蝕其本質都是電化學腐蝕，但交流電對腐蝕的影響遠大于Cl-引發的腐蝕，但雜散電流對腐蝕的影響部分是由于雜散電流促進離子遷移[5]，同時氯離子會通過破壞金屬表面的鈍化膜從而加速雜散電流的腐蝕[6]，在二者的共同作用下，金屬的腐蝕速率和點蝕敏感性增加[7]。石油管道是石油輸送的大脈動，非常有必要讓本科生了解石油、天然氣工業雜散電流和Cl-共同作用對管道的危害。本文在調研文獻的基礎上結合實驗教學，增加實驗內容，與腐蝕測試技術相結合，拓寬學生實驗思路，提高學生的科研能力，增強學生對交流電和Cl-腐蝕的認識。

采用電化學測試技術對X80鋼在中性NS4溶液中的開路電位及極化曲線進行測試，通過掃描電子顯微鏡(SEM)對其腐蝕后的表面形貌進行觀察，研究不同交流電密度和Cl-濃度對X80鋼腐蝕的影響。

1 實 驗

1.1 材料和試劑

實驗所用的材料為X80高強管線鋼，采用的溶液體系為近中性NS4溶液，其成分為：碳酸氫鈉(NaHCO3) 0.483 g/L，氯化鉀(KCl) 0.122 g/L，氯化鈣(CaCl2) 0.137 g/L，七水硫酸鎂(MgSO4·7H2O) 0.131 g/L。通過加入NaCl調節溶液中的10X和100XCl-濃度。

用于浸泡和電化學實驗所用X80鋼的大小均為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)電化學實驗

圖1 交流電干擾下X80鋼電化學裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of electrochemical deviceunder the effect of AC

電化學實驗所采用的裝置如圖1所示，通過信號發生器向試樣施加均方根電流密度分別為30 A/m2、100 A/m2、300 A/m2，頻率為50 Hz的正弦交流電信號。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。實驗裝置圖中的電容用以防止電化學測試系統對交流電源產生干擾，電感以防止交流電對電化學測試系統產生干擾。電化學實驗分別進行了開路電位和極化曲線測試。開路電位的測量分為兩個過程，第一，0～600 s未施加交流電前電位的測量，第二，600～1200 s施加交流電后電位的測量。極化曲線需待開路電位穩定后進行測試，其掃描速率為0.5 mV/s，掃描電位范圍為-0.5～+0.5V(vs. SCE)。

(2)浸泡實驗

采用信號發生器施加電流密度為30 A/m2的交流電，觀察X80鋼在不同Cl-濃度(10X、100X)下的NS4溶液中浸泡一定時間后的腐蝕形貌，為了實驗結果討論的合理性，同時設置X80鋼在未施加交流電的對照組實驗。按照圖1所示安裝試樣和石墨電極，交流干擾信號發生器的正極接試樣，負極接石墨電極。每個條件平行樣為三個。實驗結束后，將試樣在去離子中輕輕清洗，酒精潤洗，然后自然晾干。用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察不同Cl-濃度下X80鋼表面的腐蝕形貌。

2 結果與討論

2.1 電化學實驗

圖2為X80鋼在10XCl-和100XCl-濃度作用下的施加交流電前后的腐蝕電位。可以發現，施加交流電前，X80鋼在10XCl-環境中的NS4溶液中的腐蝕電位大概為-0.75 V，而在100XCl-環境中的腐蝕電位大概為-0.77 V，離子濃度的增大，促進腐蝕。施加不同交流電密度時，電位發生負移，且隨交流電密度的增大，負移越多。但是在100XCl-溶液中的，當施加交流電密度為300 A/m2時，施加交流電后，其電位隨時間而正移。

圖2 X80鋼在交流電密度為30 A/m2 (a) 10XCl-和(b) 100XCl-作用下的電位Fig.2 The potential of X80 steel at 30 A/m2 AC density (a) 10XCl-; (b)100XCl-

圖3為X80鋼在交流電密度相同不同Cl-環境中的極化曲線，可以發現相同交流電密度下，X80鋼在不同Cl-濃度中的腐蝕電位差別較小，特別是當交流電密度為0、30和100 A/m2時，不同交流電密度下的極化曲線腐蝕電位幾乎重合在一起，對比相同電流密度下不同Cl-環境中極化曲線可知，100XCl-濃度下的陰陽極均得到促進，極化曲線在整個10XCl-濃度的內部。當交流電密度為300 A/m2時，100XCl-濃度下的極化曲線腐蝕電位負移，整個極化曲線發生右移，Cl-濃度的增大，明顯促進了腐蝕。而對比相同Cl-濃度不同交流電密度下的極化曲線可知，隨著施加的交流電密度的增大，極化曲線腐蝕電位明顯負移，同時整個極化曲線發生右移。對比可知，交流電對X80鋼腐蝕的影響明顯大于Cl-對腐蝕的影響。

圖3 X80鋼在不同交流電密度和Cl-環境中的極化曲線Fig.3 Polarization curves of X80 steel at different AC and Cl- concentration

2.2 浸泡實驗

圖4為X80鋼在未施加交流電(左側)和施加交流電密度為30 A/m2(右側)時，Cl-濃度分別為10X和100X中NS4溶液中浸泡一定時間后的形貌。從形貌可以看出，未施加交流電時，隨著Cl-濃度增大，試樣表面點蝕坑密度增大；施加30 A/m2的交流電后，相同Cl-濃度下的點蝕坑數量明顯增多，點蝕深度加深，并且在100XCl-濃度下大的點蝕坑周圍分布了許多小孔，說明施加交流電后促進腐蝕。當交流電密度相同時，Cl-濃度提高后，其腐蝕加重，交流電與Cl-協同作用促進腐蝕。

圖4 X80鋼在不同交流電密度和Cl-濃度中的浸泡形貌Fig.4 SEM morphology of X80 steel under different currentdensity and Cl- concentration

3 實驗運行建議

(1)本論文通過研究不同交流電密度和Cl-濃度對X80鋼的腐蝕發現，施加交流電后，其腐蝕電位降低，Cl-濃度的提高，使得相同電流密度下的交流電電壓幅值降低，交流電與Cl-協同作用促進X80鋼的腐蝕。

(2)從腐蝕形貌中可以看出，未施加交流電時，Cl-的加入使試樣表面產生了點蝕，隨Cl-濃度的增高，點蝕坑增多，直徑變大。在相同Cl-濃度環境下加入交流電后，試樣表面腐蝕加重。

(3)結合材料科學與工程專業大三下學期的學習特點，該實驗屬于金屬材料綜合實驗中的一個實驗，可以放在電化學理論學習后的一個實驗，合計8個學時，可分兩周時間完成，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)在老師指導下熟悉信號發生器、電化學工作站以及掃描電子顯微鏡的操作，學會設置軟件各種參數。

(5)在實驗過程中施加交流電密度時，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 語

本論文采用形貌表征和電化學方法討論了交流電與Cl-共同作用下對金屬腐蝕的影響，讓學生更直觀的了解到不同雜散電流密度和Cl-濃度對金屬腐蝕的影響以及兩者耦合下的腐蝕情況，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，使學生對雜散電流腐蝕和Cl-腐蝕有整體的認識，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。