交流電對X80鋼在酸性土壤環境中腐蝕行為的影響

朱 敏，劉智勇，杜翠薇，李曉剛，王麗葉

(北京科技大學 材料科學與工程學院，北京 100083)

交流電對X80鋼在酸性土壤環境中腐蝕行為的影響

朱 敏，劉智勇，杜翠薇，李曉剛，王麗葉

(北京科技大學 材料科學與工程學院，北京 100083)

通過電化學測試、浸泡實驗和表面分析技術研究了交流電流密度(0～1000A/m2)對X80鋼在鷹潭酸性土壤模擬溶液中腐蝕行為的影響。結果表明:隨交流電流密度的增加，X80鋼的腐蝕速率逐漸增加。當交流電流密度小于100A/m-2時，其腐蝕速率緩慢增大，X80鋼腐蝕電位隨交流電流密度增加而快速負移；當交流電流密度大于100A/m2時，其腐蝕速率快速增加，其腐蝕電位接近。隨交流電流密度的增大，X80鋼的腐蝕形態由均勻腐蝕演變為點蝕，陰極極化曲線上的電流波動愈明顯，陽極電流密度增大。交流電作用下X80鋼生成的腐蝕產物疏松，裂紋多，對基體的保護性很差。

X80鋼;交流電流密度;腐蝕行為;酸性土壤

隨著能源、電力以及交通行業的快速發展，由于地理位置的限制，埋地管道與高壓輸電線路或電氣化鐵路并行或交叉鋪設的情況越來越多，甚至都集中在一個局部地區形成所謂的“公共走廊”。在這種情況下，在埋地管道附近的架空高壓交流輸電線路或交流電氣化鐵路將對埋地管道產生交流干擾，據調查由于交流電感應而產生的管線與周圍土壤間的電壓降高達5～70V，如此高的電壓降可能擊穿管道的絕緣層，破壞陰極保護系統，威脅人身安全，加速管道腐蝕破壞[1,2]。

埋地管道的交流腐蝕問題日益突出[3-5]，國內外學者圍繞交流腐蝕問題已經開展了一些工作[6-8]。Fu等研究了交流電對X65鋼在高pH溶液中的鈍化行為的影響[9]；Goidanich等研究了不同電流密度下碳鋼腐蝕速率的變化規律[10]；翁永基等的研究表明Q235鋼在交流干擾下其腐蝕速率與干擾強度成冪函數規律[11]。姜子濤等研究了交流電流密度和頻率對Q235鋼腐蝕電位的影響[12]；Xu等利用實時AC/DC數據采集裝置，探討了交流腐蝕問題[13]。楊燕等研究了交流電對X70鋼腐蝕行為的影響，并認為交流電的正負半周期內的極化效果不對稱誘發了金屬腐蝕[14]。

盡管國內外圍繞交流腐蝕開展了一些基礎研究，但由于其影響因素眾多，腐蝕過程較復雜，目前對于交流腐蝕的研究尚處于探討階段。交流腐蝕的機理多種，如法拉第整流效應[15]，陽極反應的不可逆性[16]，陽極反應的去極化作用[17]，交流電壓在金屬/介質界面的振蕩作用[18]，各腐蝕機理對交流腐蝕現象的解釋各有局限性，未能達成一致的認識，同時交流腐蝕的評價指標也未統一，這使得對交流腐蝕進行準確預測及合理評價變得較困難。因而對交流腐蝕問題開展進一步的基礎研究具有重要的現實意義和理論價值。

我國東南地區的紅壤是典型的酸性土壤，這些地區溫度較高、土壤致密、含水量高、含氧量低，含有較高的腐質酸，pH值為3～6.5，是腐蝕性較高的土壤之一。目前我國還未有交流電作用下X80管線鋼在酸性土壤模擬溶液中的腐蝕行為研究的相關報道。因此本工作采用電化學測試和浸泡實驗研究了交流電流密度對X80管線鋼在鷹潭酸性土壤模擬溶液中的腐蝕行為的影響，為X80管線鋼的安全運行提供相關參考依據。

1 實驗材料與方法

實驗材料采用X80管線鋼，其主要的化學成分(質量分數/%)為：C 0.036，Si 0.197，Mn 1.771，P 0.012，S 0.002，Cr 0.223，Ni 0.278，Cu 0.220，Al 0.021，Ti 0.019，Mo 0.184，V 0.001，Nb 0.110，N 0.005，Fe余量。

實驗溶液為鷹潭土壤模擬溶液，成分配比如表1所示。用5%(體積分數)的醋酸溶液將pH值調到4.0。將配好的溶液放置在密封的容器中，通入N2進行除氧2h。實驗前再次對溶液進行除氧30min。實驗過程中注意保持密封以隔絕O2。

表1 鷹潭土壤模擬溶液成分(g/L)Table 1 Chemical composition of simulate solution of Yingtan soil(g/L)

浸泡實驗試樣尺寸為50mm×25mm×2mm。試樣背面點焊引出Cu導線，用SiC水砂紙從150#逐級打磨至1500#，之后依次用無水乙醇和去離子水清洗，吹干。保留試樣的一個大面(50mm×25mm)用作實驗的暴露面，其余的5個面涂上硅膠，待硅膠充分凝固干燥后對試樣進行稱重。采用AT1645-3函數信號發生器對試樣施加正弦波信號，函數信號發生器的正極接試樣，負極接石墨電極。實驗時對試樣施加交流電頻率為50Hz、交流電流密度為0，20，50，100，350，500，1000A/m2的正弦信號。實驗時間為72h。為避免溫度因素的影響，采用恒溫水浴鍋控制實驗溫度為25℃。實驗結束后，取出的一部分試樣按照相關標準[19]清除其表面的腐蝕產物，稱重，計算其腐蝕速率。一部分試樣用于表面腐蝕產物的觀察(SEM)和能譜分析(EDS)。采用Quanta250型掃描電鏡對去除腐蝕產物前后的試樣進行腐蝕微觀形貌觀察。

電化學試樣尺寸為10mm×10mm×3mm，背面點焊引出Cu導線，并用環氧樹脂包封。實驗前試樣用SiC水砂紙從60#逐級打磨至1500#，依次用無水乙醇和去離子水清洗，吹干待用。采用PARSTAT2273電化學測試系統測試X80鋼的腐蝕電位和極化曲線。實驗采用三電極體系，工作電極為X80鋼試樣(工作電極面積為1cm2)，輔助電極為鉑片，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)。電化學測試的實驗裝置見圖1，采用AT1645-3函數信號發生器對試樣施加正弦波信號，函數信號發生器的正極接試樣，負極接石墨電極，其中電容用以防止電化學測試系統對交流電源的干擾，電感以防止交流電對電化學測試系統產生干擾。測試時對試樣施加頻率為50Hz、交流電流密度為0，20，50，100，500，1000A/m2的正弦信號。測試時首先將工作電極在-1.0V下預極化3min，以去除電極表面在空氣中形成的氧化膜，然后將工作電極在溶液中靜置1h后在施加交流電的情況下以0.5mV/s的掃描速率進行動電位極化試驗，掃描范圍為-1.2～0.5V(SCE)。腐蝕電位的測試時間為2600s。

圖1 電化學測試圖Fig.1 Pattern of electrochemical measurements

2 實驗結果與分析

2.1 金相組織

圖2為X80鋼的金相組織。由圖2可知，X80鋼的組織以針狀鐵素體為主，并有少量的粒狀貝氏體。晶粒的方向各異，沿著不同的晶體學方向生長，形狀不規則，無明顯完整的晶界。

圖2 X80鋼的金相組織SEM圖Fig.2 SEM diagram of metallograph of X80 steel

2.2 腐蝕電位測試

圖3為交流電流密度對X80鋼腐蝕電位的影響。由圖3可知，施加交流電流后，X80鋼的腐蝕電位負移，腐蝕電位處于振蕩變化中，振蕩幅度大約10mV左右。當交流電流密度小于100A/m2時，X80鋼腐蝕電位隨交流電流密度增加而快速負移；當交流電流密度大于100A/m2時，其腐蝕電位接近。

圖3 交流電流密度對X80鋼腐蝕電位的影響Fig.3 Effect of AC current density on the corrosion potential of X80 steel

腐蝕電位的負移可能是由于金屬/溶液間形成的雙電層在交流電作用下其界面變得不穩定，產生“振蕩”效應[18]，界面的電壓降發生變化[12]。而腐蝕電位出現振蕩可能是由于在持續的交流干擾下，雙電層所帶電量不斷積聚增加，當雙電層間的電壓達到一定程度時，雙電層由于某一電荷層產生擊穿而被破壞，電極反應速度降低，腐蝕電位變正。隨后雙電層再次形成，電極反應加速進行，腐蝕電位變負。如此反復進行導致交流電流作用下X80鋼腐蝕電位出現振蕩的現象。

圖 4為腐蝕電位的偏移量與交流電流密度的關系曲線。由圖4可知，當交流電流密度小于100A/m2時，X80鋼腐蝕電位的偏移量隨交流電流密度的增大而快速增加；當交流電流密度大于100A/m2時，其腐蝕電位的偏移量趨于穩定，偏移量在100mV左右。

圖4 腐蝕電位的偏移量與交流電流密度的關系曲線Fig.4 Relationship curve between the corrosion potential offset and AC current density

2.3 極化曲線測試

圖5為不同交流電流密度作用下X80鋼的極化曲線。由圖5可知，無交流電流作用下，X80鋼的陽極反應為活化控制，陰極反應為混合控制，電極反應由陰極過程控制。而交流電作用下，不同交流電流密度作用下X80鋼活性陽極溶解時βa值保持不變，這說明交流電作用沒有影響X80鋼陽極溶解反應的動力學機構。而交流電的施加對陰極過程影響較大，陰極過程出現電流的振蕩波動，且隨交流電流密度的增加，陰極極化曲線上的電流的振蕩波動幅度愈明顯，陰極塔菲爾常數有所減小，這說明腐蝕過程由陰極控制向混合控制轉變。當交流電流密度較大時，陽極極化曲線也出現電流振蕩現象。且隨交流電流密度的增加，陽極電流密度增大，這可能是由于交流電的施加增加了陽極的去極化作用[17]。施加交流電后，溶液中的電場強度增強，帶電離子的移動速度加快[13]，因而加速了電極反應的進行。

2.4 腐蝕形貌

圖6為不同交流電流密度作用72h X80鋼去除腐蝕產物后的微觀形貌。由圖6可知，交流電流密度較小時點蝕發生的傾向很小，只有當交流電流密度增大到一定值時才有較明顯的點蝕產生。從圖6(a)中可看出無交流電施加的情況下，試樣發生均勻腐蝕，腐蝕程度較輕微。隨交流電流密度的增大，由圖6(b)可知，試樣表面局部區域有少量點蝕坑。交流電流密度進一步增大時，如圖6(c)和圖6(d)所示，試樣表面較淺的圓盤形點蝕坑增多，在較多區域都出現了點蝕坑，點蝕坑間有融合連接的趨勢。交流電流密度為350A/m2時，如圖6(e)所示，試樣表面出現了密集分布的小而深的點蝕坑，蝕孔連接成片。交流電流密度達到500A/m2和1000A/m2時，如圖6(f)，(g)，試樣發生了較嚴重的腐蝕，表面凹凸不平。這可能是由于交流電流密度較大時，試樣在初期生成的點蝕坑繼續向基體內部擴展，后期試樣在較大的交流電流作用下出現了大面積腐蝕，因而試樣表面呈現深淺不一的現象。

圖5 不同交流電流密度作用下X80鋼的極化曲線 (a)0A/m2;(b)20A/m2;(c)50A/m2;(d)100A/m2;(e)500A/m2;(f)1000A/m2Fig.5 Polarization curves of X80 steel tested at various AC current densities (a)0A/m2;(b)20A/m2;(c)50A/m2;(d)100A/m2;(e)500A/m2;(f)1000A/m2

圖6 不同交流電流密度作用72h X80鋼去除腐蝕產物后的微觀形貌(a)0A/m2;(b)20A/m2;(c)50A/m2;(d)100A/m2;(e)350/m2;(f)500A/m2;(g)1000A/m2Fig.6 Micro-morphology of X80 steel tested at various AC current densities for 72h following the removal of the corrosion product(a)0A/m2;(b)20A/m2;(c)50A/m2;(d)100A/m2;(e)350/m2;(f)500A/m2;(g)1000A/m2

2.5 腐蝕速率

圖7為不同交流電流密度作用下X80鋼的腐蝕速率。由圖7可知，隨交流電流密度的增加，X80鋼的腐蝕速率逐漸增加。當無交流電時，X80鋼的腐蝕速率很小。當在試樣上施加交流電時，陰陽極反應在0.02s 周期內交替進行，陰陽極反應互相促進，使X80鋼的電極反應處于加速狀態。當交流電流密度小于100A/m2時，其腐蝕速率緩慢增大；當交流電流密度大于100A/m2時，腐蝕速率快速增加。

圖7 不同交流電流密度作用下X80鋼的腐蝕速率Fig.7 Corrosion rates of X80 steel tested at various AC current densities

交流電對金屬極化作用產生重要影響，當施加交流電后，金屬處于陽極極化和陰極極化交替進行的過程中，陰陽極反應如下：

陽極反應： Fe-2e-→ Fe2+

(1)

陰極反應： 2H++ 2e-→ H2

(2)

從上述反應可知，AC作用下X80鋼的陽極極化過程中加速金屬的溶解，陰極極化過程減緩腐蝕的發生，但交流電正半周期內金屬陽極溶解電流密度的增大量高于負半周期內的減小量，因而誘發了金屬腐蝕的發生[14]。根據雙電層電容原理，隨交流電流密度的增加，流經反應電阻的電流增大，電極反應的進程加快，腐蝕加速進行。結合圖6中X80鋼的微觀形貌可知，交流電流密度大于100A/m2時，X80鋼由局部點蝕逐漸演變成試樣的嚴重腐蝕，故其腐蝕速率急劇增加。

2.6 腐蝕產物觀察及EDS分析

圖8為不同交流電流密度作用72h X80鋼腐蝕產物形貌和EDS分析。由圖8可知，不同交流電流密度作用下，X80鋼的腐蝕產物較疏松，腐蝕產物中存在較多的裂紋，甚至腐蝕產物呈現分層，脫落的現象(如圖8(e)所示)，腐蝕性離子可通過裂紋滲入金屬基體表面發生電極反應而導致金屬基體發生腐蝕，此腐蝕產物對金屬基體的保護性很差。圖8(f)為不同交流電流密度作用下X80鋼的腐蝕產物的EDS成分分析，由圖可知，腐蝕產物均主要由Fe和O組成的。

3 結論

(1)隨交流電流密度的增加，X80鋼的腐蝕速率逐漸增加。當交流電流密度小于100A/m2時，其腐蝕速率緩慢增大；當交流電流密度大于100A/m2時，其腐蝕速率快速增加。隨交流電流密度的增大，X80鋼的腐蝕形態由均勻腐蝕轉變成點蝕，并進一步發生嚴重腐蝕。

(2)當交流電流密度小于100A/m2時，X80鋼腐蝕電位隨交流電流密度增加而快速負移；當交流電流密度大于100A/m2時，其腐蝕電位接近。

(3)隨交流電流密度的增加，陰極極化曲線上的電流波動愈明顯，陽極電流密度增大。交流電作用下X80鋼生成的腐蝕產物疏松，裂紋多，對基體的保護性很差。

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Effects of Alternating Current on Corrosion Behavior of X80 Pipeline Steel in Acid Soil Environment

ZHU Min,LIU Zhi-yong,DU Cui-wei,LI Xiao-gang,WANG Li-ye

(School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)

The effects of alternating current(AC) current density(0-1000A/m2) on the corrosion behavior of X80 steel in Yingtan acid soil simulated solution was studied by electrochemical test, immersion test and surface characterization technique. The results show that with the increase of AC current density, the corrosion rates of X80 steel increase. The corrosion rates increase slightly and the corrosion potentials of X80 steel rapidly shift negatively, with an increasing AC current density less than 100A/m2. When the AC current density is greater than 100A/m2, the corrosion rates increase rapidly and the corrosion potentials of X80 steel are roughly equal. With the increase in AC current density, the corrosion forms evolve from uniform corrosion to pitting corrosion. Moreover, the current fluctuation on the cathodic polarization curves becomes more obvious and the anode current densities increase. The corrosion product of X80 steel under AC application can not protect the substrate, because of its loose and multi-cracked characteristics.

X80 steel;AC current density;corrosion behavior;acid soil

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.02.014

TG171

A

1001-4381(2015)02-0085-06

國家自然科學基金(51371036) ; 國家高技術研究發展計劃項目(2012AA040105)

2014-01-24;

2014-03-18

劉智勇(1978-)，男，副教授，主要從事材料的腐蝕與防護，聯系地址：北京市海淀區學院路30號北京科技大學材料科學與工程學院(100083)，E-mail:liuzhiyong7804@126.com