磁場(chǎng)對(duì)航空拖纜碳鋼材料腐蝕行為影響研究

曹勇，楊志成

（中國(guó)人民解放軍92419部隊(duì)，遼寧 興城 125106）

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磁場(chǎng)對(duì)航空拖纜碳鋼材料腐蝕行為影響研究

曹勇，楊志成

（中國(guó)人民解放軍92419部隊(duì)，遼寧 興城 125106）

目的 鑒于航空拖纜海洋環(huán)境使用的實(shí)際需要以及海洋環(huán)境中磁場(chǎng)對(duì)腐蝕的影響，展開(kāi)磁場(chǎng)對(duì)航空拖纜碳鋼材料腐蝕行為影響的研究。方法 分別運(yùn)用線性極化、交流阻抗以及電化學(xué)噪聲等試驗(yàn)方法研究施加磁場(chǎng)擾動(dòng)下碳鋼腐蝕速度變化以及腐蝕機(jī)理。結(jié)果 施加磁場(chǎng)后，陰極氧去極化過(guò)程和中間產(chǎn)物的形成過(guò)程在碳鋼不同腐蝕狀態(tài)下分別占主導(dǎo)地位。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度較低時(shí)，陰極氧去極化被抑制，是腐蝕速度的控制步驟，電荷轉(zhuǎn)移電阻增大，腐蝕速度減小。磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增大，中間產(chǎn)物的形成和轉(zhuǎn)化過(guò)程逐漸成為主導(dǎo)因素，噪聲電阻增大，腐蝕速度減小。結(jié)論 磁場(chǎng)對(duì)航空拖纜碳鋼材料的腐蝕速度產(chǎn)生影響。

電化學(xué)；腐蝕；磁場(chǎng)

航空拖纜作為拖靶與拖帶母機(jī)的連接體［1—3］經(jīng)常在海洋環(huán)境中使用，易發(fā)生腐蝕［4—7］，而且海洋環(huán)境復(fù)雜，尤其磁場(chǎng)對(duì)腐蝕影響較大［8］。因此筆者運(yùn)用電化學(xué)方法初步研究在磁場(chǎng)影響下，航空拖纜碳鋼材料在海洋環(huán)境中的腐蝕速度變化規(guī)律，并通過(guò)電化學(xué)交流阻抗和電化學(xué)噪聲測(cè)試初步分析磁場(chǎng)作用下碳鋼的腐蝕機(jī)理，為航空拖纜的安全使用提供依據(jù)。

1　試驗(yàn)

1.1材料

試驗(yàn)所用材料為某型航空拖纜用碳鋼，材料成分（以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)）為：Si 0.23%，Mn 0.57%，P 0.020%，C 0.74%，S 0.025%，F(xiàn)e余量。試驗(yàn)介質(zhì)為3%NaCl溶液。

1.2測(cè)試方法

選取方形固體磁鐵作為磁場(chǎng)發(fā)生源，通過(guò)控制試驗(yàn)電極表面與方形磁鐵表面的距離來(lái)調(diào)節(jié)外加與電極表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小。固定裝置設(shè)置試樣表面與磁鐵表面的距離分別為4，2，1，0.5 cm，測(cè)量相應(yīng)距離下外加于電極表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為523，1220，1915，2280 G。

試驗(yàn)開(kāi)始前，試樣在固定外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的溶液中浸泡20 min，使試樣表面處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。記錄不同磁場(chǎng)下試樣浸泡前10 min和磁場(chǎng)增大過(guò)程中碳鋼的自腐蝕電位變化曲線。

線性極化曲線測(cè)量時(shí)，電位掃描范圍為開(kāi)路電位±10 mV，掃描速率為0.167 mV/s；陰極極化曲線測(cè)量時(shí)，電位從開(kāi)路電路向陰極反應(yīng)方向掃描，幅度為400 mV；交流阻抗測(cè)試時(shí)，頻率掃描范圍為10-2～105Hz，通過(guò)Zview軟件對(duì)Nyquist圖進(jìn)行等效電路擬合和分析；電化學(xué)噪聲監(jiān)測(cè)時(shí)，取樣頻率為4 Hz，每組數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度為256 s。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1極化曲線測(cè)試

外加磁場(chǎng)強(qiáng)度下，碳鋼在3%NaCl溶液中浸泡10 min的開(kāi)路電位變化曲線如圖1所示。可以看出，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增大，碳鋼的開(kāi)路電位越負(fù)，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增大到2280 G時(shí)，碳鋼開(kāi)路電位較其它磁場(chǎng)強(qiáng)度下的開(kāi)路電位正。

圖1　不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的開(kāi)路電位Fig.1　OCP at different magnetic field intensity

分析圖2曲線和表1數(shù)據(jù)可知，施加523 G磁場(chǎng)強(qiáng)度，極化電阻Rp增大，腐蝕速率減小，說(shuō)明施加某種強(qiáng)度的磁場(chǎng)能抑制腐蝕的發(fā)生擴(kuò)展。繼續(xù)施加磁場(chǎng)強(qiáng)度至1220，1915，2280 G時(shí)，極化電阻Rp則明顯減小，且極化電阻Rp和腐蝕速率變化不大，說(shuō)明超過(guò)某種磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁場(chǎng)強(qiáng)度的改變對(duì)腐蝕的影響程度有限。

圖2　不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的線性極化曲線Fig.2　Linear polarization curves at different magnetic field intensity

表1　線性極化曲線擬合結(jié)果Table 1　Fit results of the linear polarization curves

分析圖3陰極極化曲線，觀察到陰極氧去極化過(guò)程對(duì)應(yīng)的電流密度，如果掃描電位繼續(xù)降低，則陰極可能出現(xiàn)析氫反應(yīng)，當(dāng)掃描電位達(dá)到析氫電位后，陰極曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。磁場(chǎng)強(qiáng)度為523，1220 G時(shí)，電位從-700 mV向陰極掃描至-1000 mV的過(guò)程對(duì)應(yīng)了碳鋼的氧去極化反應(yīng)，電位繼續(xù)往陰極方向掃描，碳鋼的陰極出現(xiàn)析氫反應(yīng)。磁場(chǎng)強(qiáng)度為1915，2280 G時(shí)，陰極極化曲線與未施加磁場(chǎng)條件下的陰極極化曲線差異不大，氧去極化過(guò)程的電流密度增大，在-1000 mV時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)析氫反應(yīng)。可見(jiàn)，施加較小磁場(chǎng)強(qiáng)度能夠減緩陰極氧去極化反應(yīng)，繼續(xù)增大磁場(chǎng)強(qiáng)度，碳鋼陰極氧去極化過(guò)程增強(qiáng)，陰極析氫反應(yīng)延緩出現(xiàn)［9—10］。

圖3　不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的陰極極化曲線Fig.3　Cathodal linear polarization curves at different magnetic field intensity

2.2交流阻抗測(cè)試

為深入弄清楚磁場(chǎng)對(duì)碳鋼腐蝕影響機(jī)理，測(cè)試了不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下碳鋼腐蝕的交流阻抗，如圖4所示。對(duì)電化學(xué)交流阻抗譜圖進(jìn)行等效電路擬合和分析［11—13］。經(jīng)過(guò)嘗試，難以找到一個(gè)模型能夠同時(shí)很好符合這五種磁場(chǎng)強(qiáng)度下的阻抗圖，這就意味著不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的腐蝕模型和機(jī)理是不同的。用圖5的等效模擬電路對(duì)無(wú)磁場(chǎng)影響和磁場(chǎng)強(qiáng)度為523 G情況下的腐蝕交流阻抗圖譜進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見(jiàn)表2。施加強(qiáng)度523 G的磁場(chǎng)時(shí)，極化電阻Rp即R1增大。

圖4　不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的交流阻抗Fig.4　EIS curves at different magnetic field intensity

圖5　523 G和無(wú)磁場(chǎng)強(qiáng)度下的等效模擬電路Fig.5　Equivalent circuit at 523G magnetic field intensity and no magnetic field intensity

表2　采用圖5等效模擬電路的擬合結(jié)果Table 2　Fit results of equivalent circuit

用圖6的等效模擬電路對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度為1220，1915 G情況下的腐蝕交流阻抗圖譜進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見(jiàn)表3。

圖6　1220 G和1915 G磁場(chǎng)強(qiáng)度下的等效模擬電路Fig.6　Equivalent circuit at 1220 G magnetic field intensity and 1915 G magnetic field intensity

表3　采用圖6等效模擬電路的擬合結(jié)果Table 3　Fit results of equivalent circuit in Fig.6

圖6所示的等效模擬電路為典型的低頻區(qū)出現(xiàn)感抗弧的電化學(xué)體系。施加磁場(chǎng)下的感抗是由電極腐蝕過(guò)程的中間產(chǎn)物引起的，中間產(chǎn)物吸附于金屬電極表面產(chǎn)生表面吸附絡(luò)合物，吸附過(guò)程的弛豫時(shí)間常數(shù)要比雙層電容Cd1與Rt組成的充放電過(guò)程的弛豫時(shí)間常數(shù)RtCd1大得多，因此在阻抗圖的低頻部分會(huì)出現(xiàn)感抗弧。R1為電荷轉(zhuǎn)移電阻，等效電阻R2和等效電感L1串聯(lián)表示形成感抗弧的電路示意圖，極化電阻Rp一般小于電荷轉(zhuǎn)移電阻R1。分析表4中的擬合數(shù)據(jù)，磁場(chǎng)強(qiáng)度從1220 G提高到1915 G，電荷轉(zhuǎn)移電阻R1增大，而代表感抗元件的阻抗值變化不大，感抗值略有增加。

用圖7的等效模擬電路對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度2280 G的腐蝕交流阻抗圖譜進(jìn)行擬合，得到Rs，Ws-R，Ws-T，Ws-P分別為2.475 Ω，29.7 Ω，0.010 252 Ω，0.513 37 Ω。

圖7　2280 G磁場(chǎng)強(qiáng)度下的等效模擬電路Fig.7　Equivalent circuit at 2280 G magnetic field intensity

圖7所示的等效模擬電路圖為典型有限擴(kuò)散層厚度的電極阻抗圖，低頻下的腐蝕完全由濃差擴(kuò)散控制，高頻部分則相當(dāng)于RC串聯(lián)電路。實(shí)際測(cè)量中，當(dāng)電極表面存在擴(kuò)散層控制時(shí)，在低頻下，離子的遷移過(guò)程可以通過(guò)延長(zhǎng)時(shí)間來(lái)擴(kuò)散到金屬表面。

觀察Nyquist圖并比較分析采用不同模擬電路的擬合結(jié)果在數(shù)據(jù)，可見(jiàn)，未施加磁場(chǎng)時(shí)，碳鋼的腐蝕阻抗圖譜只表現(xiàn)出一個(gè)容抗弧。對(duì)碳鋼腐蝕體系施加一定強(qiáng)度磁場(chǎng)之后，在高頻部分依然表現(xiàn)出一個(gè)容抗弧，但是在低頻部分開(kāi)始出現(xiàn)感抗弧。磁場(chǎng)強(qiáng)度為523 G時(shí)，容抗弧直徑增大；增大磁場(chǎng)強(qiáng)度到1220 G時(shí)，容抗弧反而急劇減小；繼續(xù)增大磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，交流阻抗譜圖變化較小。分析數(shù)據(jù)可知，磁場(chǎng)強(qiáng)度為523 G時(shí)，腐蝕體系阻抗值增大；增大磁場(chǎng)強(qiáng)度到1220 G時(shí)，腐蝕體系阻抗值減小；繼續(xù)增大外加磁場(chǎng)強(qiáng)度到1915 G和2280 G時(shí)，腐蝕體系阻抗值變化較小，與線性極化曲線結(jié)果一致。

2.3電化學(xué)噪聲試驗(yàn)

分析圖8不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下碳鋼腐蝕的電化學(xué)噪聲圖譜。未施加磁場(chǎng)時(shí)，電化學(xué)噪聲信號(hào)中有明顯的波動(dòng)峰，施加一定強(qiáng)度磁場(chǎng)后，波動(dòng)峰明顯減少，電位和電流變化比較平緩。

圖8　不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的電化學(xué)噪聲圖譜Fig.8　EN spectra at different magnetic field intensity

觀察表4電化學(xué)噪聲譜圖去除直流分量的時(shí)域統(tǒng)計(jì)結(jié)果，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，δV先減小后增大，δi不斷減小。噪聲電阻Rn先減小，磁場(chǎng)強(qiáng)度1915 G時(shí)，Rn又增大，繼續(xù)增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度，Rn又減小。

觀察表5電位噪聲積分統(tǒng)計(jì)結(jié)果可得，b值均很小。說(shuō)明磁場(chǎng)條件下，金屬表面的腐蝕方向性很強(qiáng)，可“修復(fù)”或者易“反向”的腐蝕發(fā)生幾率低，b值對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的修正作用不大［14—15］。

表4　電化學(xué)噪聲統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果Table 4　Statistical results of EN

表5　電位噪聲積分統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 5　Statistical result of integral

3　結(jié)論

1）施加523 G磁場(chǎng)強(qiáng)度，極化電阻增大，腐蝕速度減小。

2）磁場(chǎng)強(qiáng)度較低時(shí)，陰極氧去極化被抑制，是腐蝕速度的控制步驟，電荷轉(zhuǎn)移電阻增大，導(dǎo)致腐蝕速度減小。

3）磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增大，中間產(chǎn)物的形成和轉(zhuǎn)化過(guò)程逐漸成為主導(dǎo)因素，噪聲電阻增大，腐蝕速度減小。

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Effect of Magnetic Field on Corrosion Behavior of Aerial Cable’s Carbon Steel

CAO Yong，YANG Zhi-cheng
（No.92419 Unit of PLA，Xingcheng 125106，China）

Objective The effect of magnetic field on corrosion behavior of aerial cable’s carbon steel is researched，because aerial cable is used in the sea environment and magnetic field in ocean always effects corrosion.Methods The polarization，electrochemical impedance spectrum and electrochemical noise skills were employed to study variation of corrosion rate and mechanism of corrosion of the carbon steel in magnetic field.Results The experimental results showed that after adding the external magnetic field，the depolarization process of cathode oxygen and the formation process of the intermediate product took leading positions respectively under different corrosion status of carbon steel.When the magnetic field strength was low，the depolarization of cathode oxygen was inhibited.That was the control step of corrosion rate，resulting in decrease of the corrosion rate and increase of charge transfer resistance.When the magnetic field strength got stronger gradually，the formation and transformation of intermediate product gradually became a dominant factor.The noise resistance increased and the corrosion speed decreased.Conclusion The magnetic field has certain effect on the corrosion rate of aerial cable’s carbon steel.

electrochemistry；corrosion；magnetic field

2016-04-13；Revised：2016-05-22

10.7643/issn.1672-9242.2016.04.007

TJ04；TG172.5

A

1672-9242（2016）04-0042-06

2016-04-13；

2016-05-22

曹勇（1988—），男，遼寧葫蘆島人，主要研究方向?yàn)榻饘俨牧系母g與防護(hù)等。

Biography：CAO Yong(1988—),Male,from Huludao,Liaoning,Research focus:corrosion&protection of metal materials.