含易溶钠盐砂土的电化学特性及其腐蚀机理研究

发布时间：2020-08-07 15:06

【摘要】：随着国民经济的发展,大量地下空间结构和综合管廊等地下设施的服役耐久性成为国内外学者和工程技术人员关注的热点课题。土壤中含水量、盐分、酸碱性等因素都是影响地下结构及其设施耐久性的因素。本文以砂土的电化学理论、含易溶盐砂土的电化学特性和砂土中X80钢电化学腐蚀应用为研究主线,研究了含易溶钠盐砂土的电化学特性及其腐蚀机理。首先通过理论计算、室内试验和统计分析研究了的试验砂土颗粒形貌和孔隙结构特性,基于电化学理论和砂土的电传导特性建立了砂土的电化学等效电路模型;其次通过试验研究了孔隙溶液、砂土颗粒、不同含水量砂土和含单一含易溶钠盐(NaCl、Na_2SO_4和NaHCO_3)砂土的电化学行为,揭示了砂土颗粒(固相)、孔隙溶液(液相)和易溶钠盐对砂土电化学行为影响规律;最后研究了不同浓度易溶钠盐溶液和含不同浓度易溶钠盐砂土中X80钢的腐蚀极化曲线,以及基于宏观、微观形貌以及腐蚀产物的极差和方差分析,研究了砂土中易溶钠盐对X80钢腐蚀的影响,揭示了X80钢在砂土中的腐蚀机理。主要成果如下:砂土的基本物理特性和电化学等效电路模型研究表明:试验用砂土各粒径组颗粒边界光滑,无碎屑附着,颗粒多属次圆状、圆状和极圆状;试验用砂土在中等密实程度下,对应液桥极限体积下含水量应约在6%到12%之间;砂土—电极体系基本等效电路为R(C(R(Q(RW))))。当频率较高时,各路径均为导通状态,低频时部分不连续相路径将被阻断;非饱和状态砂土呈现电阻和电容特性;当含水量达到饱和以后,砂土整体呈现电阻特性。不同含水量砂土的电化学行为研究表明:没有液相路径的干砂在Bode图(log|(5|-log1))中整体呈现斜率约为-1的斜线,为近纯电容元件;不同含水量砂土体系Nyquist图由高频区的扁平容抗弧半圆和低频区的近45°斜线组成,在扩展型等效电路模型:R(C(R(Q(RW))))(CR)下拟合良好;随着含水量的增加,容抗弧和扩散弧半径以及阻抗模值都呈减小的趋势,砂土体系的腐蚀性增强;砂土颗粒对孔隙水有分散作用,使溶液电阻R_e增加了一个数量级,砂土单位面积对应水力半径值在2 mS以下波动,而表示迂曲度(L)变化的扩散阻抗数量级在10~(-7)~10~(-8)之间波动。含易溶钠盐砂土的电化学行为研究表明:含NaCl、Na_2SO_4和NaHCO_3孔隙溶液体系的阻抗谱特征与对应砂土类型一致,但形状和相位角有差异;含易溶钠盐砂土和孔隙溶液中的电化学过程相同,阳极均为电极的溶解,阴极为吸氧过程。在电化学过程中Cl~-的迁移性和攻击性较大,HCO_3~-有助于钝化膜形成,SO_4~(2-)电荷量较多。电荷转移电阻Rct可直接反应砂土初期电化学过程的快慢,在含混合易溶钠盐砂土中三种离子对电荷转移电阻Rct影响大小顺序为:HCO_3~-SO_4~(2-)Cl~-。因此,可根据砂土电化学阻抗谱判断砂土的腐蚀性。含单一易溶钠盐砂土中X80钢的腐蚀机理研究表明:随着砂土中含水量的增加,X80钢的腐蚀速率逐渐增加了2个数量级。NaCl和Na_2SO_4两种盐使含易溶盐砂土和孔隙溶液中X80钢腐蚀从轻微加速到中等、严重等级,其中NaCl腐蚀作用更显著;NaHCO_3可起到减慢X80钢腐蚀的作用,腐蚀速率减小了1~2个数量级。砂土中NaCl和Na_2SO_4主要影响X80钢腐蚀电流密度I_(corr),NaHCO_3主要影响X80钢自腐蚀电位E_(corr)。含混合易溶钠盐砂土中X80钢的腐蚀机理研究表明:含混合易溶钠盐砂土中X80钢的腐蚀均表现为局部腐蚀,Cl~-,SO_4~(2-)和HCO_3~-离子具有较大的交互作用,砂土颗粒在碱性环境下也可能参与了腐蚀电化学过程。根据电化学阻抗谱和极化的测试分析综合判断砂土对X80钢的腐蚀性,得出腐蚀性从小到大排序为:No.9No.6No.3No.4No.5No.8No.2No.7No.1;砂土颗粒对电化学腐蚀性的影响机理为:砂土颗粒起到了促进低频过程阻碍高频过程的作用。砂土颗粒对X80钢的腐蚀电流和腐蚀电位的影响与易溶钠盐环境有关,NaCl环境中砂土颗粒加速了X80钢的腐蚀;Na_2SO_4环境中砂土颗粒对X80的腐蚀影响较小;NaHCO_3环境中砂土颗粒减慢了X80钢的腐蚀。综合分析易溶钠盐砂土的电化学特性及其腐蚀机理得出:砂土中固—液—气三相共存的不均匀性为电化学过程的阴极反应提供了充足的氧环境,增加了局部腐蚀倾向;等效电路中的元件电荷转移电阻R_(ct)反映砂土的腐蚀性;溶液电阻R_e和常相位角元件Q_(dl)反应电极表面活性区状态;砂层电容C_s和电阻R_s一定程度上反映粒径、含水量和导电路径的状态,与砂土的物理力学性质相关。含易溶盐砂土中砂土颗粒、含盐量和盐类共同影响砂土的腐蚀性。因此在选材时应选用粘附系统界面能量较低的管道材质,同时在管道铺设设计中应尽量保持管道周围土壤的均匀性。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU441
【图文】：

中国土壤类型[10]

中国主要油田、天然气田与管道运输[10]

太原理工大学博士研究生学位论文的形成及其工程性质研究现状研究涉及到岩土工程、环境工程、土壤科学、化学及测试技术等多学科领域，是介于这些学科边缘的弃物，由于无组织的排放或排放系统失效，使其渗性质发生变化，如图 1-3 所示。污染介质与土体之宏观上所体现出土体工程性质变化[12-14]。

本文编号：2784154