廈門海域海泥的腐蝕行為研究

廈門海域海泥的腐蝕行為研究

1海底沉積物腐蝕研究海底管道、海底電纜、海底光學(xué)等永久性設(shè)備通常埋在海泥中，但很少有研究對海泥侵蝕特性以及海洋環(huán)境中材料的使用性的影響。King報(bào)道了如何在工程設(shè)計(jì)中對海底沉積物的腐蝕性進(jìn)行評價(jià)。野中英正等探求了海底管道的保護(hù)電位取值問題。Olowe等用穆斯堡爾譜、X射線衍射譜和電子衍射光譜研究了碳鋼在海底沉積物中的細(xì)菌腐蝕產(chǎn)物。本工作研究了廈門海域海泥的腐蝕性以及碳鋼在海泥中的電化學(xué)行為,目的在于加深理解碳鋼在海泥中的腐蝕行為,為廈門-金門海底管道防腐蝕設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。2試片與測試方法實(shí)驗(yàn)所用海泥取自廈門何厝海域?yàn)┩繀^(qū),系污染少海域,海泥樣品為灰黑色。實(shí)驗(yàn)期間,海泥樣品定期灑海水,以保持表面有一薄層海水。實(shí)驗(yàn)所用海水取自廈門東渡港口的天然海水。將A3鋼加工成70×20×1mm的試片,邊角處鉆一小孔,用螺絲固定引出導(dǎo)線,接頭處涂封環(huán)氧樹脂。用砂紙將試片打磨光亮,蒸餾水清洗、擦干,無水乙醇擦拭,放置于海泥和海水中。電化學(xué)測試采用美國CHI604電化學(xué)綜合測試儀。極化掃描速度0.1mV/s,從腐蝕電位開始先進(jìn)行陰極極化測試,然后待電位恢復(fù)到腐蝕電位后進(jìn)行陽極極化測試。電化學(xué)交流阻抗測試頻率范圍為105～10-2Hz,由高頻至低頻自動掃描,每個數(shù)量級測12個頻率,1Hz以上頻率采用頻域掃描,1Hz以下頻率采用時(shí)域掃描,每個頻率下取5個周期的平均。正弦波輻值20mV。3結(jié)果與討論3.1土壤污染整合因素海泥樣品的化學(xué)測試結(jié)果見表1。表1中的評價(jià)指標(biāo)值是參照文獻(xiàn)中的土壤對鋼鐵的腐蝕性因素及其評價(jià)指標(biāo)得出的。從表1看到,所測海泥的氧化還原電位是29.2mV(SHE),腐蝕因素評價(jià)指標(biāo)總值是-11。對土壤而言,當(dāng)氧化還原電位小于100mV時(shí),表明該土壤具有強(qiáng)烈的細(xì)菌腐蝕傾向,當(dāng)腐蝕因素評價(jià)指標(biāo)總值小于-10時(shí),即表示該土壤屬強(qiáng)腐蝕介質(zhì)。因此海泥樣品與土壤相比,具有強(qiáng)的腐蝕性和細(xì)菌腐蝕傾向。3.2氧還原電流圖1a和圖1b分別是碳鋼在海泥和海水中放置兩個月后所測結(jié)果。從圖1a碳鋼在海泥中的極化曲線看,陰極極化曲線顯現(xiàn)兩個階梯,說明碳鋼在陰極極化時(shí)可能發(fā)生兩種還原反應(yīng)。一種可能是氧的還原反應(yīng):O2+2H2O+4e→4OH?Ο2+2Η2Ο+4e→4ΟΗ-海水表層200C時(shí)溶解氧濃度為7.8ppm(0.24mmal/L),pH值8.0,O2/OH-電極平衡電位為0.51V(SCE),因而在圖1a的電位區(qū)內(nèi)氧還原電流已達(dá)到氧擴(kuò)散極限電流。陰極極化曲線上的電流為氧(或氫)還原電流與鐵溶解電流的差值。極化電位在-0.75V～-0.84V之間負(fù)移時(shí),鐵溶解電流隨極化電位的負(fù)移而迅速減小,當(dāng)極化電位達(dá)到-0.84V時(shí),鐵溶解電流小至接近于零,極化電位的繼續(xù)負(fù)移并不引起極化電流的相應(yīng)增大,這時(shí)的極化電流值(2.3μA/cm2)即表現(xiàn)為氧還原反應(yīng)的極限擴(kuò)散電流值。當(dāng)極化電位達(dá)到-0.87V以后,圖1a中的陰極極化段開始出現(xiàn)第二階梯,隨著極化電位的增大,極化電流又開始迅速增大,說明這時(shí)碳鋼表面又開始了另一種還原反應(yīng),可能為析氫反應(yīng):2H2O+2e→H2+2OH?2Η2Ο+2e→Η2+2ΟΗ-從陽極極化曲線分析,在陽極極化過程中,金屬的溶解為Fe的氧化反應(yīng):Fe→Fe2++2eFe→Fe2++2e在腐蝕電位下鐵溶解電流與氧還原電流相等,表現(xiàn)為極化電流為零;隨著電極的陽極化,鐵溶解電流在數(shù)值上遠(yuǎn)大于氧還原電流,表現(xiàn)為陽極化電流的急劇增大。相應(yīng)的陽極塔菲爾斜率ba為0.064V。表2列出了碳鋼在海泥和海水中的極化數(shù)值,從中可看出碳鋼在海泥中的腐蝕電位Ecorr略正于在海水中的腐蝕電位,海泥中的腐蝕電流Icorr約為海水中的六分之一。從陽極極化部分看,碳鋼在海泥中和在海水中的陽極極化行為相似,只是Fe氧化的電流在海泥中略小,其陽極塔菲爾斜率ba在海泥中略大。從陰極極化部分看,碳鋼在海泥中和在海水中的陰極極化行為基本趨勢相似,在-0.82～-0.86V之間,都出現(xiàn)氧還原反應(yīng)極限平臺,析氫電位EH以及氫還原塔菲爾斜率bc值無明顯差別。從以上分析看,碳鋼在海泥和海水中的極化行為差別不大,但碳鋼在海泥中的腐蝕比在海水中的緩慢約六倍。3.3帶銹層金屬的阻抗等效電路圖1所示是碳鋼分別在海泥中放置21天(a)和2個月(b)后所測得的阻抗圖。從圖中看,在海泥中放置21天的碳鋼所表現(xiàn)的阻抗行為符合常見的碳鋼在電解質(zhì)中的等效電路(見圖3a)。但在海泥中放置2個月的碳鋼所表現(xiàn)的阻抗行為出現(xiàn)變化,在高頻段時(shí)出現(xiàn)感抗弧。通過對試片觀察發(fā)現(xiàn),21天后的碳鋼試片表面依然光亮,未出現(xiàn)銹層,而2個月后的試片已明顯生成銹層。因此推斷高頻區(qū)的感抗行為是由碳鋼表面銹層引起的。根據(jù)以上分析,本文提出一種帶銹層金屬的阻抗等效電路(見圖3b)。銹層電感Lr的大小可能與金屬表面銹層的數(shù)量(如覆蓋度、厚度等)有關(guān)。另外從圖可看到,碳鋼在海泥中的雙層電容Cdl值,2個月時(shí)比21天時(shí)大了很多,這可能是由于在碳鋼表面生成的腐蝕產(chǎn)物形成表觀電容所致。A:Phase-logfcurve,B:logZ-logfcurve,C:Phase-logfcurve,D:logZ-logfcurve4鋼板的腐蝕和氫脆1)廈門何厝海域?yàn)┩繀^(qū)海泥腐蝕性評價(jià)指標(biāo)在-11以下,屬強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)。2)碳鋼在海泥中的腐蝕電位為-0.75V(SCE),氧極