萬紅霞，宋東東，陳長(zhǎng)風(fēng)，李婷婷

(1 中國(guó)石油大學(xué)(北京)新能源與材料學(xué)院，北京 102249；2 暨南大學(xué)先進(jìn)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(shè)施交叉鋪設(shè)的情況越來越多，這些電力設(shè)施所產(chǎn)生的交流電加速了管道的腐蝕，甚至造成腐蝕穿孔，最終導(dǎo)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(shè)較深，處于地下水豐富、透水性強(qiáng)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(huán)境中。雜散電流與Cl-腐蝕其本質(zhì)都是電化學(xué)腐蝕，但交流電對(duì)腐蝕的影響遠(yuǎn)大于Cl-引發(fā)的腐蝕，但雜散電流對(duì)腐蝕的影響部分是由于雜散電流促進(jìn)離子遷移[5]，同時(shí)氯離子會(huì)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(diǎn)蝕敏感性增加[7]。石油管道是石油輸送的大脈動(dòng)，非常有必要讓本科生了解石油、天然氣工業(yè)雜散電流和Cl-共同作用對(duì)管道的危害。本文在調(diào)研文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)，增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，與腐蝕測(cè)試技術(shù)相結(jié)合，拓寬學(xué)生實(shí)驗(yàn)思路，提高學(xué)生的科研能力，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)交流電和Cl-腐蝕的認(rèn)識(shí)。

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

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料和試劑

實(shí)驗(yàn)所用的材料為X80高強(qiáng)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(diào)節(jié)溶液中的10X和100XCl-濃度。

用于浸泡和電化學(xué)實(shí)驗(yàn)所用X80鋼的大小均為10 mm×10 mm×3 mm，試樣背面焊接Cu導(dǎo)線，除工作面之外其余面用環(huán)氧樹脂密封。浸泡和電化學(xué)試樣均用砂紙逐級(jí)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(shí)驗(yàn)方法

(1)電化學(xué)實(shí)驗(yàn)

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

電化學(xué)實(shí)驗(yàn)所采用的裝置如圖1所示，通過信號(hào)發(fā)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(hào)。電化學(xué)測(cè)試在CHI660D工作站上進(jìn)行，測(cè)試采用三電極測(cè)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(shí)驗(yàn)裝置圖中的電容用以防止電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)交流電源產(chǎn)生干擾，電感以防止交流電對(duì)電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行了開路電位和極化曲線測(cè)試。開路電位的測(cè)量分為兩個(gè)過程，第一，0～600 s未施加交流電前電位的測(cè)量，第二，600～1200 s施加交流電后電位的測(cè)量。極化曲線需待開路電位穩(wěn)定后進(jìn)行測(cè)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(shí)驗(yàn)

采用信號(hào)發(fā)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(shí)間后的腐蝕形貌，為了實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論的合理性，同時(shí)設(shè)置X80鋼在未施加交流電的對(duì)照組實(shí)驗(yàn)。按照?qǐng)D1所示安裝試樣和石墨電極，交流干擾信號(hào)發(fā)生器的正極接試樣，負(fù)極接石墨電極。每個(gè)條件平行樣為三個(gè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將試樣在去離子中輕輕清洗，酒精潤(rùn)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(jié)果與討論

2.1 電化學(xué)實(shí)驗(yàn)

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?？梢园l(fā)現(xiàn)，施加交流電前，X80鋼在10XCl-環(huán)境中的NS4溶液中的腐蝕電位大概為-0.75 V，而在100XCl-環(huán)境中的腐蝕電位大概為-0.77 V，離子濃度的增大，促進(jìn)腐蝕。施加不同交流電密度時(shí)，電位發(fā)生負(fù)移，且隨交流電密度的增大，負(fù)移越多。但是在100XCl-溶液中的，當(dāng)施加交流電密度為300 A/m2時(shí)，施加交流電后，其電位隨時(shí)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(huán)境中的極化曲線，可以發(fā)現(xiàn)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(dāng)交流電密度為0、30和100 A/m2時(shí)，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(duì)比相同電流密度下不同Cl-環(huán)境中極化曲線可知，100XCl-濃度下的陰陽極均得到促進(jìn)，極化曲線在整個(gè)10XCl-濃度的內(nèi)部。當(dāng)交流電密度為300 A/m2時(shí)，100XCl-濃度下的極化曲線腐蝕電位負(fù)移，整個(gè)極化曲線發(fā)生右移，Cl-濃度的增大，明顯促進(jìn)了腐蝕。而對(duì)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(fù)移，同時(shí)整個(gè)極化曲線發(fā)生右移。對(duì)比可知，交流電對(duì)X80鋼腐蝕的影響明顯大于Cl-對(duì)腐蝕的影響。

圖3 X80鋼在不同交流電密度和Cl-環(huán)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(shí)驗(yàn)

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

(1)本論文通過研究不同交流電密度和Cl-濃度對(duì)X80鋼的腐蝕發(fā)現(xiàn)，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(xié)同作用促進(jìn)X80鋼的腐蝕。

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

(3)結(jié)合材料科學(xué)與工程專業(yè)大三下學(xué)期的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，該實(shí)驗(yàn)屬于金屬材料綜合實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，可以放在電化學(xué)理論學(xué)習(xí)后的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，合計(jì)8個(gè)學(xué)時(shí)，可分兩周時(shí)間完成，學(xué)生可以分組完成。實(shí)驗(yàn)開始前，學(xué)生進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研，提出建議和想法，完成預(yù)習(xí)報(bào)告。

(4)在老師指導(dǎo)下熟悉信號(hào)發(fā)生器、電化學(xué)工作站以及掃描電子顯微鏡的操作，學(xué)會(huì)設(shè)置軟件各種參數(shù)。

(5)在實(shí)驗(yàn)過程中施加交流電密度時(shí)，注意從小電流慢慢調(diào)節(jié)到所需電流大小，以免突然過高的電流密度影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4 結(jié) 語

本論文采用形貌表征和電化學(xué)方法討論了交流電與Cl-共同作用下對(duì)金屬腐蝕的影響，讓學(xué)生更直觀的了解到不同雜散電流密度和Cl-濃度對(duì)金屬腐蝕的影響以及兩者耦合下的腐蝕情況，結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的，在已有實(shí)驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，豐富了知識(shí)點(diǎn)，使學(xué)生對(duì)雜散電流腐蝕和Cl-腐蝕有整體的認(rèn)識(shí)，拓展思路，提高學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生科研探究能力的培養(yǎng)。