动态直流杂散电流下X80钢腐蚀行为与机理研究

作     者：姚知林 

作者单位：常州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：董亮;葛彩刚

授予年度：2021年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：动态直流杂散电流 X80钢 腐蚀速率 阳极电流 环境介质 

摘      要：X80高强管线钢（以下简称X80钢）已大量应用于西气东输等管网工程中。随着城市区域和轨道交通的发展,这些处于发达城市周边的埋地管道愈发受到以地铁为主要泄漏源的动态直流杂散电流干扰,存在加速腐蚀的安全风险。为此,本文开展了动态直流杂散电流的干扰特征及动态直流杂散电流下X80钢腐蚀行为与机理等以下几个方面的研究,以期为动态直流杂散电流下X80钢管道的腐蚀防护评估提供基础支撑。 （1）以地铁动态直流杂散电流为研究对象,对上海、广州、深圳和武汉地铁附近的埋地管道进行管地电位测试,并对管地电位进行快速傅里叶变换。结果表明,各城市测试点地铁动态直流杂散电流干扰中占主导的干扰周期集中在27～250 s,该干扰周期范围与附近地铁线的站间行车间隔范围基本吻合。 （2）进行对称动态直流杂散电流下X80钢的腐蚀实验。结果表明,在土壤模拟液和土壤中,X80钢实测腐蚀失重量小于法拉第理论腐蚀失重量。随着干扰周期增大,X80钢的腐蚀速率和电流腐蚀效率增大,腐蚀产物由黑色为主变为黄褐色为主。土壤模拟液中,当干扰周期为27～250s时,X80钢的电流腐蚀效率小于24%,当干扰周期增至8 h时,电流腐蚀效率增至99.7%。当干扰周期不变时,X80钢的腐蚀速率随着电流密度成倍增加,而电流腐蚀效率基本不变。机理研究表明,腐蚀产物膜电容和双电层电容的充、放电过程,以及阴、阳极电极反应均消耗了部分阳极电流,使得实测腐蚀失重量小于法拉第理论腐蚀失重量。随着干扰周期增大,用于电容充、放电的阳极电流比例减少,阴、阳极电极反应过程中水合产物膜氧化还原再氧化消耗的阳极电流比例变化较小,而用于铁溶解的阳极电流在增加,导致X80钢的腐蚀失重量增加。 （3）进行非对称动态直流杂散电流下X80钢的腐蚀实验。结果表明,土壤模拟液中,随着正向不对称性系数减小,X80钢的腐蚀速率和电流腐蚀效率逐渐减小,实测腐蚀失重量仍小于法拉第理论腐蚀失重量,腐蚀产物由黄褐色变为黑色,局部腐蚀现象增加。当正半周干扰时长为60 s时,随着负半周干扰时长从15 s增至150 s,X80钢在免蚀、活化及钝化区振荡导致局部腐蚀产生。腐蚀产物膜电容和双电层电容充、放电消耗的阳极电流比例增加,使得流经法拉第电阻的阳极电流比例下降。阴、阳极交替过程中水合产物膜氧化还原再氧化反应量的增加,消耗了更多阳极电流,使得用于铁溶解的阳极电流进一步减少,导致X80钢的腐蚀失重量减少。 （4）进行多种环境介质中动态直流杂散电流下X80钢的腐蚀实验。结果表明,对称动态直流杂散电流下X80钢在固体介质中发生局部腐蚀,在液体介质中发生全面腐蚀。随着负半周干扰电流密度增大,X80钢在固、液体介质中分别发生全面腐蚀和局部腐蚀,腐蚀速率和电流腐蚀效率均降低。四种介质按X80钢腐蚀速率和电流腐蚀效率从低到高排序为土壤、石英砂+土壤模拟液、土壤模拟液和土壤浸出液。在固体介质中,X80钢腐蚀产物膜电容和双电层电容充、放电消耗了较少比例的阳极电流,但阴极过程的参与促使更多Fe2+还原成Fe以及生成带有Fe3+的黑色Fe3O4和黄褐色Fe2O3等腐蚀产物,是导致实测腐蚀失重量小于液体介质中实测腐蚀失重量的重要原因。