X80和X52钢在模拟海水环境中的腐蚀行为与规律

第34卷第4期2014年8月中国腐蚀与防护学报JournalofChineseSocietyforCorrosionandProtectionVol.34No.4Aug.2014X80和X52钢在模拟海水环境中的腐蚀行为与规律刘智勇贾静焕杜翠薇李晓刚王丽颖北京科技大学腐蚀与防护中心教育部腐蚀与防护重点实验室北京100083摘要：采用模拟浸泡实验、腐蚀形貌分析以及动电位极化和电化学阻抗技术研究了X52和X80钢在模拟海水环境中的腐蚀行为。结果表明：饱和氧时即模拟浅海条件下，X80和X52钢试样表面全面腐蚀和点蚀都会发生，腐蚀速率较大；低氧时即模拟深海条件下，二者主要发生点蚀，腐蚀速率较小。通过对X52和X80钢在模拟海水环境中针对含氧量这一影响因素的腐蚀行为与规律的对比分析得出，X80钢更适用于深海。关键词：X52钢X80钢模拟海水含氧量点蚀腐蚀速率中图分类号：TG172.5文献标识码：A文章编号：1005-4537(2014)04-0327-06CorrosionBehaviorofX80andX52SteelsinSimulatedSeawaterEnvironmentsLIUZhiyong,JIAJinghuan,DUCuiwei,LIXiaogang,WANGLiyingKeyLaboratoryofCorrosionandProtectionofMinistryEducation,CorrosionandProtectionCenter,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,ChinaAbstract:ThecorrosionbehaviorofX52andX80steelsinsimulatedseawaterenvironmentswasinvestigatedbyimmersiontest,electrochemicalimpedancespectrums(EIS)measurementandsur-faceexaminationbyscanningelectronmicroscope(SEM).Itwasdemonstratedthatwhenthesolu-tionwasnotdeoxidized,whichwasthesimulationofshallowseaenvironment,bothofgeneralcor-rosionandpittingcorrosionwouldoccuronthesurfaceofX52andX80steels,thecorrosionratewasrelativelyhigh;whenthesolutionwasdeoxidized,whichwasthesimulationofdeepseaenvi-ronment,therewasmainlypittingcorrosionoccurredonthesurfaceofX52andX80steels,thecor-rosionratewasslow.BycomparisonthecorrosionbehaviorofX52steelandX80steelinthesimu-latedseawatersinwhichoxygenconcentrationwasmainlyconsidered,itisclearthatX80steelismoresuitablefordeepseaenvironment.Keywords:X52steel,X80steel,simulatedseawater,oxygenconcentration,pitting,corrosionrate1前言随着国家经济发展战略从陆地转向海洋，海洋石油、天然气开发迅速崛起，这也对海底用管线钢的性能提出了更高的要求[1]。近些年来，墨西哥湾、渤海湾等大型海底石油泄漏事故频发，对生态环境产生了深远影响。究其事故原因，很重要的一方面是由于管线钢在海水中受到严重腐蚀导致的，所以对于管线钢在海水中的腐蚀研究引起了各国的广泛关注[2,3]。侯健等[4]、Venkatesan[5]和陈惠玲等[6]在印度洋的实海挂片实验中证实深海环境中氧含量是影响铁基合金均匀腐蚀过程的主要因素。本课题组的研究[7]结果表明，Cl-是影响X70管线钢点蚀发生和发展的关键定稿日期：2013-08-01基金项目：国家自然科学基金项目(51131001和51171025)、中央高校基本科研业务费专项资金项目(FRF-TP-12-148A)及北京市青年英才计划资助作者简介：贾静焕，女，1989年生，硕士生，研究方向为腐蚀与防护通讯作者：刘智勇，E-mail：[e-mail]：10.11902/1005.4537.2013.129中国腐蚀与防护学报34卷因素。黄琳等[8]在研究碳钢在模拟海水中的腐蚀行为时发现Cl-对腐蚀的影响最大，腐蚀形式主要为孔蚀，阴极腐蚀过程的速率由O的扩散过程所控制，腐蚀主要是O的去极化所致。关于管线钢在海水中的研究大多针对X70级别以下，而对于具有优异焊接性能、高冲击韧性和良好抗应力腐蚀开裂性能，且目前已成为陆地天然气运输管线首选钢级的X80钢，其在海水中的研究不足。本文通过浸泡实验和电化学实验对比研究了海底X52钢和高强X80钢在模拟海水环境中的腐蚀行为，并为X80钢在海水环境中的适用性提供了参考依据。2实验方法实验对象为X52和X80两种钢，其中X52钢为商用海底管线钢，X80钢为商用热轧钢板，所用X80钢热轧钢板是指成管焊接前的X80级钢板，其组织和热处理状态与X80钢钢管的材质状态一致，故所用X80钢板与管材的腐蚀行为一致。其成分见表1。浸泡实验采用20mm×30mm×3mm的片状试样，试样表面用SiC耐水砂纸逐级打磨至1200#，然后用无水乙醇清洗吹干待用。电化学实验用试样尺寸为10mm×10mm×2mm，试样背面点焊引出Cu导线，非工作面用环氧树脂包封，其工作面用SiC耐水砂纸逐级打磨至1200#，然后用无水乙醇清洗吹干待用。实验介质为3.5%NaCl(质量分数)溶液，使用pH计和NaOH调节pH值为8；向密封好的溶液中持续充入N2除氧90min，使O浓度低至0.3mg/L，以模拟1000m深海溶液环境对钢材腐蚀行为的影响；同时相同溶液不除氧(O浓度7.0mg/L)，用来模拟浅海溶液对钢材腐蚀行为的影响。浸泡实验和电化学实验分别在上述两种介质条件下进行。采用经典三电极体系，在VMP3型电化学工作站上进行电化学实验。其中，X52和X80钢试样为工作电极，石墨为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，溶液体积为1800mL。测试前，在相对开路电位(OCP)-0.9V下预极化3min，以去除试样表面在空气中形成的氧化膜，然后在溶液中静置15min后以1mV/s的扫描速率进行动电位极化，扫描电位范围为-0.7~1.0V(相对于OCP)并对曲线的Ecorr和icorr进行拟合。电化学阻抗测试在Ecorr电位下进行，交流扰动电压幅值为10mV，测量频率范围为100kHz~10mHz。采用CambridgeS-360型扫描电镜(SEM)对极化后的试样进行腐蚀形貌观察和能谱(EDS)分析。3实验结果图1为X80和X52钢在不同氧含量模拟海水中浸泡20d后的腐蚀速率。可以看出，在高氧条件下，X80钢的腐蚀速率大于X52钢的；在低氧条件下，X80钢的腐蚀速率小于X52钢的，且X80钢与X52钢的腐蚀速率在高氧条件下的均大于低氧条件下的，说明O的存在加快了腐蚀。图2为X80和X52钢在不同氧含量下的动电位极化曲线。由图可知，在高氧和低氧环境下，两种钢均表现出活化溶解，O为阴极反应的去极化剂。为了进一步分析氧含量对电化学行为的影响，对图2中的极化曲线进行拟合和分析，结果如图3所示。可见，在高氧环境下，X52钢的腐蚀电流密度比X80钢的稍小；在低氧环境下，X80钢的腐蚀电流密度小于X52钢的；无论是X80钢还是X52钢，在低氧环境下的腐蚀电流密度都要比高氧环境下的小，说明X80和X52钢在模拟海水中的腐蚀速率与氧含量有关，一般情况下，海水中含氧量的增加，会加快钢铁在阴极区的反应，加速阴极去极化过程，使金属腐蚀速率增加。图4为X80钢和X52钢在不同含氧量下的电化学阻抗谱。可以看出，在低氧环境下，X80钢的容抗弧比X52钢的大，说明X80钢的抗腐蚀性比X52钢的好；在高氧环境下，X52钢的容抗弧比X80钢的大，说明在高氧条件下，X52钢的抗腐蚀性比X80钢表1X52和X80钢的化学成分Table1ChemicalcompositionsofX52andX80steelsSteelX52X80C0.0900.089Si0.180.16Mn1.371.63S0.00700.0025P0.0110.011Nb0.0510.085Ti0.0170.010(massfraction/%)图1X80和X52钢在不同氧含量模拟海水中浸泡20d后的腐蚀速率Fig.1CorrosionrateofX80andX52steelsimmersedinseawaterfor20d◊◊3284期的好。无论X80钢还是X52钢在低氧环境下都比其在高氧环境下的抗腐蚀性好，说明氧含量的减少增加了反应的阻力，导致腐蚀速率减小，这与极化曲线得到的结果相一致。对上述实验结果采用等效电路(图5)进行拟合，实验曲线和拟合曲线能够很好地吻合。拟合后的计算结果见表2。其中，Rs为溶液电阻，Cd为电化学反应的电容，Rt为电荷转移电阻，Q为电极表面腐蚀产物的非理想电容，R1为电极表面腐蚀产物的电阻。在这里由于生成的腐蚀产物发生着变化，因此，使用常相位角元件Q来代替纯电容C1。图6为X80和X52钢在不同氧含量模拟海水中去除腐蚀产物前的SEM像。图6a和c分别为X80图3X80和X52钢在不同氧含量模拟海水中的腐蚀电流Fig.3CorrosioncurrentofX80andX52steelsinsimulatedseawaterwithdifferentconcentrationsofdissolvedoxygen图4X80和X52钢在不同含氧量的模拟海水中的电化学阻抗谱Fig.4NyquistplotsofX80andX52steelsinsimulatedseawaterwithdifferentconcentrationsofdissolvedoxygen图2X80和X52钢在不同氧含量模拟海水中的动电位极化曲线Fig.2PolarizationcurvesofX80andX52steelsinsimu-latedseawaterwithlow(a)andhigh(b)concentra-tionsofdissolvedoxygenm◊W◊W◊SteelX80(Lowoxygen)X80(Highoxygen)X52(Lowoxygen)X52(Highoxygen)Cd×10-41.1442.1343.2282.020Rt125.361.52140.166.45Q×10-41.7336.4478.2506.243R11708896.525731301表2X52和X80钢在模拟海水溶液中的EIS拟合结果Table2FittedresultsforEISofX80andX52steelsinsimulatedseawater图5X80和X52钢在不同含氧量下的模拟海水中的电化学阻抗等效电路图Fig.5EquivalentcircuitsusedformodelingofEISofX80andX52steelsinsimulatedsea-waterwithdifferentconcentrationsofdis-solvedoxygen刘智勇等：X80和X52钢在模拟海水环境中的腐蚀行为与规律329中国腐蚀与防护学报34卷和X52钢在低氧条件下的腐蚀形貌。从图中可以看出，腐蚀产物分布不均匀，两试样均发生局部腐蚀，且在