涂层破损时杂散电流对Q235_16Mn_X70钢腐蚀的影响

第 22卷 第 2期 2010年 3月 腐蚀科学与防护技术 CO RRO S IO N SC IENCE AND PRO TECT IO N TECHNOLO GY Vol. 22 No. 2 Mar. 2010 收稿日期 : 2008209205初稿 ; 2008211219修改稿 基金项目 :国家科技支撑MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1714178776491_0项目 (2006 BAK02B01 - 05) 作者简介 :王燕 (1983 - ) ,女 ,硕士研究生 ,研究方向为金属材料腐 蚀与防护. Tel: 0532 - 86672017　E2mail: wangyan8321@163. com 涂层破损时杂散电流对 Q235、16 Mn、X70钢腐蚀的影响 王燕 1, 2 ,闫永贵 2 ,董超芳 1 ,钱建华 2 ,李晓刚 1 11北京科技大学 腐蚀与防护中心 ,北京 100083; 21海洋腐蚀与防护国家重点实验室 洛阳船舶材料研究所青岛分部 ,青岛 266071 摘要 :通过腐蚀速率测定、腐蚀形貌观察、腐蚀坑深度测量及分形维数计算等方法 ,研究了杂散电流作用下涂层破 损率对 Q235、16Mn和 X70钢腐蚀的影响. 结果表明 ,杂散电流作用下 , Q235钢腐蚀程度最严重 , 16Mn次之 , X70最 小 ;随杂散电流增大和涂层破损率减小 ,腐蚀速率和腐蚀坑深度均相应增大 ,腐蚀程度加剧 ;根据“盒子 ”维法测定 杂散电流腐蚀形貌的分形维数 ,反映的腐蚀规律与实测腐蚀速率吻合 ,分形维数可定量表征杂散电流腐蚀形貌. 关键词 :杂散电流腐蚀 ;涂层破损率 ;腐蚀速率 ;分形维数 ;腐蚀坑深 中图分类号 : TG172184　　文献标识码 : A　　文章编号 : 100226495 (2010) 0220117203 Effect of Stray Curren t on Corrosion of Q235, 16M n and X70 Steels w ith Damaged Coa ting WANG Yan1, 2 , YAN Yong2gui2 , DONG Chao2fang1 , Q IAN J ian2hua2 , L I Xoao2gang1 11Corrosion and P rotection Cen ter, U niversity of Science and Technology B eijing, B eijing 100083; 21S ta te Key Labora tory forM arine Corrosion and Protection, L uoyang Ship M aterials Research Institu te Q ingdao B ranch, Q ingdao 266071 Abstract: The effect of stray current on corrosion of Q235, 16Mn and X70 p ipeline steels was studied by measuring the corrosion ratio, observing the surface, as well as calculating the variation of fractal dimen2 sion and corrosion p it dep th with the change of the damaged rate of coatings. The results indicated that un2 der the stray current disturbance, the degree of corrosion for Q235 was the most serious, 16Mn the next worse and X70 the smallest. A s the intensity of stray current increased and the damaged ratio of coating decreased, the corrosion rate increased, the corrosion p it dep th became deeper, and corrosion degree was aggravated. The fractal dimensions of the corrosion surface are determ ined by box2dimension method, which are found to be in agreement with the trend of measured corrosion rates, and in fact, the fractal di2 mension could describe the surface morphology of the stray current corrosion of p ipeline steels. Keywords: stray current corrosion; damaged ratio of coating; corrosion rate; fractal dimension; corrosion p it dep th 　　杂散电流主要来源于直流电气化铁路、直流电解设备接 地极、阴极保护系统中的阳极地床等. 其中以直流电气化铁 路引起的杂散电流干扰腐蚀最为严重. 杂散电流腐蚀集中产 生在电阻小、易放电的局部位置 ,如涂层破损、剥落的缺陷部 位、尖角边棱凸出处 ;特别如长距离带有防腐层的埋地金属 管道 ,流入管道的杂散电流很大 ,而且集中于局部 ,从防腐层 缺陷处流出 ,局部腐蚀将惊人的剧烈. 资料表明 ,对于壁厚为 8～9 mm的钢质管道 ,快则几个月就发生穿孔 [ 1 ]. 因此 ,研究 杂散电流对埋地金属腐蚀规律具有十分重要的意义. 工程上 通过现场测试的方法 ,研究杂散电流对管道阴极保护体系的 影响规律 [ 2 ].本文通过实验室模拟实验 ,通过腐蚀速率测定、 腐蚀形貌观察与分形维数计算及腐蚀坑深度测量等方法 ,研 究了杂散电流作用下涂层破损率对 Q235、16Mn和 X70钢腐 蚀的影响 . 1实验方法 试样材料与介质. 试验材料为 X70管线钢、Q235普通低 碳钢和 16Mn普通低合金钢 ,其化学成分见表 1. 试样尺寸 150 mm ×25 mm ×3 mm,用水砂纸打磨其表面至 200# ,无水 乙醇清洗 ,干燥之后用环氧腻子将试样的非工作面封好 ,工 作面涂刷环氧煤沥青涂层. 在涂层上制造破损率分别为 01436%、1174%和 3192%的圆形缺陷. 用工业纯 NaCl、 Na2 SO4、NaHCO3 按摩尔质量 1∶3∶6的比例混合 ,加自来水 配置土壤模拟液. 118　　 腐蚀科学与防护技术 第 22卷 Table 1 Chem ica l com position of X70, Q235 and 16M n steel( ma ss%) steel C Si Mn S P X70 0. 061 0. 24 1. 53 0. 0009 0. 011 Q235 0. 20 0. 30 0. 46 0. 005 0. 045 16Mn 0. 16 0. 40 1. 47 0. 008 0. 062 F ig. 1 Curves of corrosion rate versus damage ratio at different stray current density 杂散电流加载.将三片试样串联 ,其中两片试样连接处引 出导线连接电流表 ,以测量流经试样电流的大小. 由恒电流源 给定直流杂散电流 ,杂散电流的强度分别为 5 mA、10 mA. 杂 散电流的正负极材料为铂铌丝电极 ,给定杂散电流的同时用 万用表监测试样不同位置的电位 ,实验周期为 24小时. 腐蚀速率测定. 实验结束后 ,将涂层刮除 ,用 1L 盐酸 (比重 1119) , 20 g三氧化二锑 (化学纯试剂 ) , 50 g氯化亚锡 (化学纯试剂 )配置克拉克溶液 ,清洗试样表面的腐蚀产物 , 自来水冲洗 ,冷风吹干 ,放入干燥器干燥 24小时. 用 AB2042 E型 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 天平称量杂散电流腐蚀前后试样重量 ,精确到 011 mg. 根据失重法测定腐蚀速率 : △W =W 0 - W 1 - W 2 ,用单位 时间、单位面积上的质量损失表示腐蚀速率为 : v =ΔW /S t; 式中 ,W 0 为腐蚀试验前试片的原始重量 ( g) ;W 1 为腐蚀试验 后 ,去除腐蚀产物后的试片质量 ( g) ;W 2 为同种材料、同样尺 寸的空白试片在去除腐蚀产物的溶液中的质量损失 ( g) ; S 为试片的暴露面积 ( cm2 ) ; t为腐蚀试验的时间 ( d) ; v为腐 蚀速率 ( g /cm2·d). 腐蚀形貌观察与分形维数计算. 用 XL230环境扫描电镜 进行杂散电流腐蚀形貌观察 .分形维数的计算采用应用较多 的“盒子 ”维数方法 [ 3 ]. 利用 MATLAB图像处理和数值计算 功能 ,对 SEM图像进行处理 ,编制 MATLAB程序 [ 4 ] ,计算图 像的计盒维数. 腐蚀坑深测量 .沿腐蚀坑直径方向标记等距的 6个点 , 用自制的测深仪测量每个点的深度 ,精确到 0101 mm. 以 6 组数据的平均值作为腐蚀坑深度. 2结果与讨论 211腐蚀速率 图 1为涂层破损率与腐蚀速率关系曲线. 从图中可以看 出 ,破损率为 01436%时 ,腐蚀速率最大 ; 破损率增大为 1174%时 ,腐蚀速率明显减小 ; 破损率由 1174%增大为 3192%时 ,腐蚀速率减小幅度较小. 在破损率相同时 ,杂散电 流由 5 mA增大到 10 mA时 ,腐蚀速率也相应增大. 由图 1还可见 ,在杂散电流强度和涂层破损率都相同 时 , Q235钢的腐蚀速率最大 , 16Mn次之 ,而 X70钢最小. 这 是由于 Q235钢是普通碳素钢 ,钢中的杂质元素 (如 Ca、Mg、 A s、Sb)和非金属夹杂物含量较多 ,硫、磷残留量在三种钢中 最高 (表 1) ,极易形成非金属夹杂物 ,非金属夹杂物的增多 使其耐蚀性降低 [ 5 ] ; 16Mn钢虽属于普通低合金钢 ,仍具有较 F ig. 2 SEM photographs of stray current corrosion: by stray current 5mA and with damage ratio 1174% ( a) and 01436% ( b) for Q235; by stray current 10 mA with damage ratio 01436% for Q235 ( c) , X70 ( d) and 16Mn ( e) 2期 王燕等 :涂层破损时杂散电流对 Q235、16Mn、X70钢腐蚀的影响 119　　 F ig. 3 Curves of fractal dimension versus damage ratio at different stray current density F ig. 4 Curves of corrosion p it dep th versus damage ratio at different stray current density 高的硫、磷含量 ,但低于 Q235钢 ,因而其耐蚀性要好于 Q235 钢 ; X70钢的含碳量较低 ,属于优质钢 ,其硫、磷含量在三种 钢中最低 ,冶炼 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 更为复杂 ,是我国西气东输工程指定使 用的管线钢 ,因而其抗腐蚀性在三种钢中是最好的. 212腐蚀形貌与分形维数 21211腐蚀形貌 　　图 2为杂散电流腐蚀形貌照片. 从图中 可以看出杂散电流的腐蚀形貌为大小不等、深浅不一的腐蚀 坑 ,腐蚀坑呈圆形或椭圆形 ,且分布不均匀. 由图 2 ( a)、( b) 见 ,杂散电流相同时 ,随涂层破损率的减小 ,腐蚀坑变大变 深 ;图 2比较 ( b) ( c)可以看出 ,涂层破损率相同时 ,随杂散 电流增大 ,腐蚀坑由小变大 ,由浅变深 ,试样的腐蚀程度加 剧 ;比较图 2 ( c)、( d)、( e)可见 ,在破损率和杂散电流都相同 时 , Q235钢的腐蚀程度最严重 ,腐蚀坑较大较深 ,且分布最 密集 ; 16Mn腐蚀坑与 Q235相比略小 ; X70腐蚀程度最轻 ,腐 蚀坑较小较浅 ,分布较集中. 从腐蚀形貌照片反映出的腐蚀 规律与腐蚀速率的规律是一致的. 21212分形维数 　　分形维数作为描述腐蚀形貌的特征参数 之一 ,其分维值的大小与腐蚀形貌照片反映出的信息是相吻 合的 ,用分形维数可以定量描述腐蚀的程度和速度 [ 6, 7 ]. 图 3为杂散电流腐蚀形貌的分形维数. 由图可知 , Q235、 X70和 16Mn腐蚀形貌的分形维数值随涂层破损率减小和杂 散电流增加而增加 ,说明腐蚀表面的粗糙度和腐蚀程度在加 剧.以 Q235钢为例来分析涂层破损率和杂散电流强度对分 形维数值的影响. 杂散电流 5 mA 时 ,破损率 01436% ～ 1174%与 1174% ～3192%分形维数值差分别为 010646和 010153,说明随涂层破损率增大 ,腐蚀速率在减小 ;涂层破损 率相同时 ,杂散电流由 5 mA增大到 10 mA时 ,分形维数值也 随之增大 ,说明腐蚀速率在增加. 可由图 4是杂散电流作用下腐蚀坑深度的变化. 由图 4 也可见 ,涂层破损率和杂散电流相同时 , Q235分形维数值最 大 , 16Mn其次 , X70最小 ,这与实测的腐蚀速率规律相吻合 ; 分形维数可对杂散电流腐蚀形貌进行定量表征. 213腐蚀坑深 可以看出 ,杂散电流相同时 ,随涂层破损率减小 ,腐蚀坑 深度增大 . 以 Q 235钢为例 ,当杂散电流 5mA ,涂层破损率 1174%时 , Q235钢的腐蚀坑深度约为 015 mm,当破损率减小 至 01436%时 ,腐蚀坑深度约为 115 mm,增加了 3倍 ;在破损 率相同时 ,杂散电流由 5 mA增大为 10 mA,腐蚀坑深度也相 应增大. 涂层破损率与杂散电流强度是影响管道腐蚀的两个 重要因素 ,杂散电流越大或涂层破损率越小 ,破损处产生的 电流密度就越大 ,腐蚀就越严重 ,腐蚀坑也越深. 杂散电流腐 蚀穿孔即在较小破损面积上形成较大的电流密度而引发的. 由从图 4还可见 ,在杂散电流强度和涂层破损率相同 时 ,总体看 , Q235腐蚀坑深度最大 , 16Mn次之 ,而 X70最小. 3结论 11当表面涂层破损时 ,杂散电流干扰下 , Q235钢腐蚀程 度最严重 , 16Mn次之 , X70最小. 21杂散电流引发局部坑蚀.随其增大和涂层破损率减小 , 腐蚀速率、蚀坑深度均相应增大 ,试样表面可见宏观蚀坑. 31根据“盒子 ”维数法测定杂散电流腐蚀形貌的分形维 数 ,反映出的腐蚀规律与实测的腐蚀速率相吻合 ;分形维数 可对杂散电流腐蚀形貌进行定量表征. 参考文献 : [ 1 ]秦国治 ,丁良棉 ,田志明. 管道防腐蚀技术 [M ]. 北京 :化学工 业版社 , 2003. 7, 10. [ 2 ]尚秦玉 ,许进 ,尚思贤. 高压线路对地下输油管道中杂散电流 影响规律 [ J ]. 腐蚀科学与防护技术 , 2007, 19 (5) : 371. [ 3 ] N irupam S K, Chaudhuri B B. Multifractal and generalized di2 mensions of gray2tone digital images [ J ]. Signal Processing. 1995, 42 (2) : 181. [ 4 ]张志涌. 精通 MATLAB 615版 [M ]. 北京 :北京航空航天大学 出版社 , 2003. 3. [ 5 ]宋维锡. 金属学 [M ]. 北京 :冶金工业出版社 , 1989. 5. [ 6 ]王守琰 ,宋诗哲. 基于分形的金属材料海水腐蚀形貌图像分 析诊断系统 [ J ]. 金属学报 , 2004, 40 (1) : 94. [ 7 ]Codaro E N, Nakazato R Z, Horovistiz A L, et al. An image p ro2 cessing method for morphology characterization and p itting corro2 sion evaluation[ J ]. Materials Science and Engineering A. 2002, 334 (1 - 2) : 298.