氯化钠污染砂环境下砂粒粒径对体系及X70钢电化学腐蚀行为的影响

发布时间：2016-11-05 07:47

第一章 绪 论

土壤是一种由气态、液态和固态三相物质组成的复杂的、不均匀的多相腐蚀体系，在土壤颗粒与颗粒之间的固体骨架孔隙中会充满气体、水分和不同类型的可溶性盐，由于土壤中有水分和能够导电的可溶性盐类的存在，就使得土壤体系成为一种含有电解质溶液存在的具有一定腐蚀性的腐蚀体系，可以推断出金属在土壤中发生的腐蚀现象属于电化学腐蚀范畴。土壤孔隙中的电解质溶液和土壤颗粒本身结构特征以及颗粒之间的排列状况均会影响土壤/金属界面的电化学特性，综上所述，绝大部分的土壤腐蚀问题均属于电化学腐蚀领域。然而, 对于传统研究土壤腐蚀性的埋片失重法, 虽然能在特定时期得到一定区域内土壤腐蚀性的大量埋样腐蚀数据以及较客观真实的数据, 但由于埋样试验测试周期较长，费时费力, 不能够反映土壤腐蚀过程中的腐蚀细节，最主要的是不能够得到土壤电化学腐蚀过程中的动力学方面的信息, 因此不能够应用传统失重法对土壤的电化学腐蚀行为进行更深层次的研究。基于土壤腐蚀具有电化学特性，促使一些经典的电化学测试技术在评价污染土腐蚀性研究中得到了推广应用。

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第二章 试验材料选取与制样方法

2.1 前言

随着中国西气东输一号线工程服役年限的增加，地下管线由于土壤腐蚀带来的问题也日趋严重[1]。西气东输一号线工程的地下管线工程主要采用钢种为 X70 钢，而且有约4 千公里长的管线埋置于中国西北的荒漠盐渍土地区[2,3]，如图 2-1 所示。鉴于现有的评价污染土腐蚀腐蚀性方法的局限性[4]，由于不能够反映土壤颗粒尺寸这个内在因素对土壤腐蚀性的影响，以及土壤腐蚀体系对地下金属结构的腐蚀影响因素比较多[5-9]，土壤颗粒尺寸对地下金属结构电化学腐蚀行为的影响方面相关报道比较少，金属材料在不同粒径的盐渍污染砂土环境中的腐蚀机理仍然不是很清楚等问题，本文以西气东输一号线管线在西北荒漠地区的腐蚀现状为背景，选取 3 种单一粒径及两种级配氯化钠污染砂和X70 钢作为试验材料。

 2.2 试验材料

考虑西气东输一号线工程大部分埋置于荒漠化盐渍土壤中以及实际工程中埋地管道回填土材料均为砂土这两方面因素，选取氯化钠污染砂土作为研究对象。鉴于标准砂中不含有会对整个电化学测试过程产生影响的其它化学成分，试验所用砂土材料为 99.2%的标准石英砂（中国 ISO 标准，简称“ISO 砂”），其 XRD 衍射分析成分见图 2-2。根据XRD 分析结果可知，试验 ISO 砂的主要成分为 SiO2，同时，采用去离子水将试验用砂清洗，自然风干 24 小时，待用。

 第三章 氯化钠污染砂电阻率的试验研究...................45

3.1 前言 ....................45
3.2 试验方案设计 ..............................45
3.3 试验结果与讨论 ......................47 
3.4 受体系含水量与粒径影响的污染砂电阻率模型 ...................56
3.5 砂粒粒径对电阻率影响的机理分析 .......................57 
3.6 本章小结 ................60
本章参考文献........................62
第四章 EIS 应用于氯化钠污染砂腐蚀性评价的试验与理论研究 ..................64
4.1 试验方案设计 ...........................64
4.2 试验结果与讨论 .............68 
4.3 土壤电化学腐蚀体系等效电路模型的探讨 ...............92
4.4 本章小结 ..............................98
本章参考文献.....................99
第五章 单一粒径氯化钠污染砂对 X70 钢电化学腐蚀行为的影响 ................100
5.1 试验方案设计 .......100 
5.2 试验结果与讨论 ..........102 
5.3 粒径对 X70 钢在氯化钠污染砂体系中腐蚀的作用机理 ............ 111

 第六章 级配氯化钠污染砂对 X70 钢电化学腐蚀行为的影响

6.1 试验方案设计

本试验所用材料采用第二章所介绍的 X70 钢、ISO 砂（间断级配）和采用人工配制的连续颗粒级配砂，见图 2-3 所示级配曲线。控制两种颗粒级配的氯化钠污染砂体系的孔隙率为 0.38，，污染砂体系的含水量为 18%，氯化钠质量分数为 1.5%。将处理好的 X70 钢片试按第五章试验钢片埋入所示的位置分别埋入两种不同颗粒级配的氯化钠污染砂体系中，对钢片进行电化学腐蚀测试。主要测试方法包括线性极化阻法、极化曲线法、电化学阻抗谱法以及对金属腐蚀后表面微观形貌进行分析。极化曲线的测试方法与第五章测试方法一样，测试龄期分别为 7 天、28 天、60 天和 90 天。测试结果应用 CView2 拟合软件进行处理，腐蚀电流密度 Icorr应用 Tafel 外推法得到。

 6.2 试验结果与讨论

由图 6-1 可知，在腐蚀初期（28 天之前），X70 钢的线性极化电阻 Rp随腐蚀时间的增长而降低；在腐蚀中期阶段（28 天～60 天之间），线性极化电阻 R随腐蚀时间的增长而升高，这主要是由于生成的腐蚀产物的阻碍作用所致；在腐蚀后期阶（60 天之后），线性极化电阻 Rp随腐蚀时间的增长又降低，说明随着腐蚀时间的增加，前一腐蚀阶段生成的腐蚀产物层又被孔隙溶液中的侵蚀性离子破坏，使基体遭受进一步腐蚀。因为X70 钢线性极化电阻值与金属的腐蚀速度成反比例关系，所以 X70 钢的腐蚀速度随腐蚀时间的增长而呈现出先增大后减小，最后再增大的变化规律。

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 第七章 结论与展望

 本文在对国内外相关研究成果的学习总结基础上，通过室内模拟试验，首先研究了含水量、测试交流电频率、砂粒尺寸对氯化钠污染砂电阻率的影响；其次借助新提出的污染土腐蚀性评价方法——电化学阻抗谱（EIS）测试技术，对氯化钠污染砂在不同含水量、不同氯化钠含量和不同砂粒尺寸条件下的电化学阻抗谱进行了测试分析；最后对置于不同砂粒组成的氯化钠污染砂中的 X70 钢的电化学腐蚀过程进行了模拟试验和测试，系统地分析了砂粒尺寸和级配对 X70 钢电化学腐蚀行为的影响，借助扫描电镜、能谱分析和 X 衍射技术对 X70 钢的腐蚀微观形貌和腐蚀产物进行分析，从电化学角度提出了 X70 钢在不同粒径氯化钠污染砂体系中的腐蚀机理。主要结论汇总如下：（1）氯化污染砂的电阻率与体系含水量呈负指数关系，指数变化范围在 0.3～0.55之间；电阻率与腐蚀时间相关，随着腐蚀时间的增长而增加，但是变化不明显。（2）相同测试条件下，氯化钠污染砂的电阻率随测试交流电频率的增大而减小，当测试频率＜104Hz 时，变化显著，当测试频率≥104Hz 时，变化不明显。考虑到高频可能会对测试体系的稳定性产生影响，故建议测试频率在104～105Hz 范围较好。

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参考文献（略）

本文编号：164838