深海高静水压模拟环境下几种电偶腐蚀行为研究

来源 :中国科学技术大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:matrx1007999999
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随着深海资源的勘探和开发,越来越多的工程装备必须在深海洋环境中工作。深海环境复杂,导致服役设备、装置遭受严重腐蚀问题。大量服役设备、装置中存在多种金属交替连接现象,这种通过海水连通的异金属电连接诱发严重电偶腐蚀。电偶腐蚀会大大加速材料的腐蚀失效速率,严重威胁深海设备的使用寿命和安全可靠性。然而,目前关于深海材料的腐蚀研究主要集中于材料自身的腐蚀行为,而对于不同材料之间电偶腐蚀问题缺乏系统研究,成为亟待深入探究的问题。海水压力是深海环境中最重要的环境特征因素,会显著影响金属的腐蚀行为。因此,开展深海压力环境下海洋常用结构材料之间电偶腐蚀的研究,对深海设备的长期安全服役具有重要意义。基于此,本课题以几种海洋常见电偶对:B10铜镍合金/Ti6Al4V合金、B10铜镍合金/316L不锈钢、Al-Zn-In-Mg-Ti牺牲阳极/980低合金钢为研究对象,使用实验室自行搭建的模拟深海环境系统,结合静态挂片腐蚀失重实验,动电位极化曲线、EIS、零阻电流计(ZRA)等电化学实验,以及XRD、XPS、SEM/EDS等检测分析技术和有限元数值模拟计算,系统研究了三种电偶腐蚀行为规律及环境因素作用机制。首先在3.5%NaCl溶液中研究了 B10在高静水压力+干湿交替条件下的腐蚀行为,为B10在高静水压下的电偶腐蚀行为研究提供一定基础数据。研究结果表明:在整个腐蚀时间段,B10的腐蚀分为两个阶段,前期基体的腐蚀速率由Cl特性吸附诱发的溶解反应控制,后期基体的腐蚀受到Cu+和e(电子)在腐蚀产物层中的迁移控制,总反应表现为氧化反应。静水压力在整个实验阶段对B10的腐蚀均起到促进作用。实验前期,高静水压会促进Cl-在B10合金表面的特性吸附,并促进Cl在双电层中的传输速率,从而加速B10基体的阳极溶解反应。实验后期,B10基体的腐蚀速率受腐蚀产物保护性能的影响,然而高静水压力以及交变压力会促进腐蚀产物中缺陷的生成,改变腐蚀产物的成份,从而弱化腐蚀产物的保护特性并加速B10基体的腐蚀。其次,在上诉研究的基础之上,本论文在3.5%NaCl溶液中开展了静水压力对B10/Ti6Al4V电偶腐蚀行为的影响研究。研究结果表明:不同静水压力条件下,B10相对于Ti6Al4V均为电偶对阳极而经历加速腐蚀。相比于常压,高静水压力条件下,B10/Ti6Al4V电偶对的电偶电流密度更大,并且电偶连接状态下B10自身的腐蚀速率也会显著增加,因此高静水压显著促进了 B10与Ti6Al4V电偶连接后的总电偶腐蚀速率。进一步研究发现,B10在高静水压力条件下与Ti6Al4V电偶连接时,其表面点蚀的生长速率会显著提高,由此揭示了 B10在高静水压+电偶的双重作用下腐蚀显著加速的机理。此外,本论文继续开展了静水压力、温度两种深海环境特性因素对电偶腐蚀的影响机制研究。以B10/316L电偶对为研究对象,在3.5%NaCl溶液中研究发现:不同实验条件下,B10相对于316L均为电偶对阳极而经历腐蚀加速。B10的自腐蚀速率会随着温度的降低而降低,静水压力的升高而升高,因为温度的降低会抑制腐蚀反应活性和传质速率,而静水压力的升高则会促进B10的阳极溶解。电偶电流密度会随静水压力的升高而降低,并随着温度的降低而降低,因为静水压力的升高会降低两种材料的电位差以及增加316L的界面电阻,而温度的降低则会显著降低两种材料的电位差并增加B10和316L的界面电阻。温度对B10自腐蚀速率以及与316L电偶连接后的电偶电流影响规律遵循Arrehenius方程,而静水压力对这二者的影响规律则遵循指数函数方程。最后,研究了静水压力对海洋常用Al-Zn-In-Mg-Ti牺牲阳极材料工作性能的影响机制,并推算了不同静水压力条件下进行阴极保护所需基本阳极质量。研究结果表明,Al-Zn-In-Mg-Ti的自腐蚀速率会随静水压力的增加而增加。主要是由于静水压力的增加会加速Al-Zn-In-Mg-Ti表面点蚀横向和纵向的生长速率以及显著促进晶间腐蚀,造成更为严重的晶粒剥落现象。静水压力的增加会增大Al-Zn-In-Mg-Ti自放电过程中阳极的质量损失,从而降低牺牲阳极的放电效率。按照相同的设计标准设计阴极保护系统时,所需阳极总质量随静水压力变化关系遵循指数函数方程。
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