交流电、微生物和应力作用下剥离涂层下X80钢腐蚀机理研究

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酸性红壤是我国典型的高腐蚀性土壤之一,其机理不同于中性/碱性土壤腐蚀。高强管线钢的土壤腐蚀环境复杂,其中交流杂散电流、硫酸盐还原菌(SRB)和应力是影响埋地管道腐蚀失效的重要因素,各因素之间可能存在协同作用加速高强管线钢腐蚀。此外,土壤环境中管线失效常发生在剥离涂层下,剥离涂层下的腐蚀规律与裸钢的腐蚀规律存在较大差异。目前,对于多因素共存时剥离涂层下管线钢腐蚀规律和机理的研究少有报道。因此,探索多因素(交流电、SRB和应力)耦合作用下剥离涂层环境下管线钢腐蚀规律及其机理具有重要的理论意义和较高的工程实践价值。研究结果将为酸性红壤环境中高强管线腐蚀及应力腐蚀机制,安全评价方法和预防提供科学依据。研究了 X80钢在酸性红壤中的交流电腐蚀机制。结果表明,交流电改变了酸性红壤环境中X80钢的电化学腐蚀过程,进而改变了 X80钢表面腐蚀产物的组成,腐蚀产物中Fe3O4含量随着外加交流电电流密度逐渐增大而逐渐降低,而FeOOH含量逐渐升高。X80钢在酸性红壤环境中的交流电腐蚀机制为整流机制。在整个交流电作用的过程中,交流电正半周期的阳极氧化作用远大于负半周期的阴极还原作用。随着外加交流电流密度逐渐增大,X80管线钢的腐蚀速率逐渐增加。引发高风险交流电腐蚀的临界阈值与土壤环境含水量有关,随着土壤环境含水量增大,高风险交流电流密度临界阈值逐渐降低。因此,对于交流电流密度临界阈值需考虑土壤环境含水量变化,从而有效地对管线钢交流电腐蚀风险做出判断与预防。设计了模拟剥离涂层情况下的阵列电极实验原位监测实验装置,对酸性红壤环境中剥离涂层下X80钢的SRB腐蚀机制进行了研究。结果表明,SRB在酸性红壤浸出液中进行生理代谢,在钢表面形成一层包含生物膜和腐蚀产物的复合膜。剥离涂层下SRB数量呈梯度分布,浮游和固着SRB数量在缝口处最多,随着剥离涂层深度的增加而逐渐减少。SRB改变了剥离涂层下管线钢的腐蚀形貌并诱发了局部点蚀,缝口处点蚀最为严重,随着涂层剥离深度的增加点蚀程度逐渐降低。在酸性红壤中,SRB利用X80钢作为电子供体,还可以以高价Fe氧化物作等为末端电子受体,实现胞外电子转移并获得生理代谢活动所需能量,加速管线钢腐蚀。研究了酸性红壤环境中剥离涂层下弹性应力和SRB耦合作用对管线钢腐蚀的影响规律,施加的弹性应力会影响X80钢的微观结构,应力促进了晶粒变形,引入了高的残余拉应力,并导致小角度晶界比例增加。弹性应力作用导致剥离涂层下管线钢表面腐蚀产物膜出现微裂纹,变得疏松,而且促进了 SRB的生理活动,SRB数量进一步增加,SRB和外加弹性应力共同作用提高了剥离涂层下管线钢电化学活性,促进管线钢腐蚀。施加弹性应力条件下改变了剥离涂层下管线钢的局部点蚀形貌,蚀坑底部应力集中引发点蚀处形成微裂纹,进而改变裂纹扩展方向,管线钢局部腐蚀开裂敏感性提高。研究了交流电、SRB和外加弹性应力多因素耦合下剥离涂层下管线钢的腐蚀行为。剥离涂层下不仅存在SRB浓度梯度分布,还存在交流电流大小梯度分布。多因素耦合作用下,最严重腐蚀区域为剥离涂层缝口处,腐蚀程度随着涂层剥离深度而逐渐减弱。试样表面出现大量点蚀,缝口处点蚀坑呈溃疡状,缝隙内点蚀坑呈无规则团簇状分布。剥离涂层缝口管线钢表面明显观察到了裂纹,SRB参与了剥离涂层下管线钢的裂纹扩展。外加交流干扰、SRB生理活动和弹性应力可以协同增加管线钢腐蚀驱动力,管线钢生物电化学腐蚀活性升高,阴阳极反应过程驱动力增加。剥离涂层下管线钢的腐蚀机制为阳极溶解机制和氢脆混合机制。
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