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海洋环境中碳钢腐蚀速度软测量方法研究

唐晓  
【摘要】: 钢铁结构材料在海洋开发中占有不可替代的地位,而海水又是自然界中腐蚀性很强的介质,因此,开发利用海洋资源必须研究海洋环境对钢铁结构材料的腐蚀作用。不同状态海水中钢铁材料的腐蚀速度在近海工程中是很重要的腐蚀研究参数。它不仅是施工选材的依据,而且是施工设计的基础,还可以用来预测钢铁结构物的使用寿命等。因此,测试钢材的腐蚀速度具有重要的现实意义。 海洋环境中钢材腐蚀速度与海水状态密切相关。不同的海水状态必然导致不同的腐蚀速度。与其它介质状态相比,海洋环境中海水状态变化更为复杂,这也是海水腐蚀速度数据产生较大分散性的根本原因。常规的腐蚀速度直接测试技术,如重量法、气体容量法、电阻法和电化学方法等在海水体系中应用无法全面反映这种复杂的状态变化,不适合于在实海中进行现场测量。因此有必要发展更加可靠的海水腐蚀测定技术。 既然钢铁材料在海洋环境中的腐蚀过程取决于海水状态,那么测定腐蚀速度必须指明测定时的海水状态。即,腐蚀速度与海水状态应该一一对应的。海水状态一旦确定,腐蚀速度也自然是唯一的。由此,可以得到一种测定腐蚀速度的新方法—腐蚀速度软测量方法,即建立海水状态和腐蚀速度相关模型,通过海水状态来间接计算腐蚀速度。海洋环境中与腐蚀过程有关的海水状态可以用温度、pH值、溶解氧、盐度、氧化还原电位,流速等环境参数来确定。 为实现海洋环境中碳钢腐蚀速度软测量,本文进行了以下工作并得到了相应的结论: (1)腐蚀速度测定结果与测定方法和试样表面状态密切相关。为了得到可靠的腐蚀资料,实验中采用室内挂片失重法、实海挂片失重法、电化学强极化技术、线性极化技术、电化学阻抗技术等多种方法测试,获得了大量不同条件下的腐蚀资料,并对照文献腐蚀资料,分析了腐蚀资料与测试方法及表面状态的相关性,为进一步分析海水状态对腐蚀速度的影响和建立腐蚀速度软测量方法奠定了坚实的基础。结果表明,材料物理化学状态,界面物理化学状态和海水物理化学状态是影响海洋环境中钢铁材料腐蚀速度的主要因素。其中材料物理化学状态对于确定的材料来说是不变的,界面物理化学状态与测定方法有关,这两个因素是相对确定的。影响腐蚀速度的海水状态则取决于温度、含氧量、盐度、pH值、 WP=4 氧化还原电位、流速、生物活性和碳酸盐饱和度等多种海水环境参量。本文主要以温度、含氧量、盐度、pH值、氧化还原电位和流速为相关海水环境参量。 (2)这些海水环境参量并不都是相互独立的,它们之间具有很强的相互作用,本文通过实验澄清了它们之间的相互关系,结果发现:①几个海水环境参量之中,温度是不受其它因素影响的独立变量,除盐度外,其它pH值,溶解氧和氧化还原电位等因素均随温度变化:随温度升高,海水的含氧量下降,pH值略有下降,ORP也随之降低;②海水中的含氧量主要受温度和盐度影响,随温度和盐度增加而降低;③海水的ORP受溶解氧含量和pH的控制,与含氧量的对数和pH值成线性关系,随含氧量增大而升高,随pH值增大而减小,此外受到温度的影响。 (3)通过控制条件实验得到了碳钢海水腐蚀速度与各个腐蚀因子之间的关系,发现:①在其它因素保持不变的条件下,增加海水的含氧量,碳钢腐蚀速度随之线性增大;②温度对碳钢腐蚀速度影响体现在两个方面:一方面提高温度能加速腐蚀反应,另一方面随着温度升高,氧的溶解度下降,这又降低了腐蚀速度;因此实验室内作出的碳钢腐蚀速度随温度变化曲线首先上升而后下降,最大值出现在20-25℃区间;③碳钢的腐蚀速度随着盐度的增大也是首先增大然后减小,极值大约在32-35ppt,正好是自然海水的盐度。这同样是因为盐度的影响有两个方面,盐度增大,一是海水电导率升高,二是溶解氧下降;④随着pH值的升高,碳钢的腐蚀速度在pH=6-10范围内线性减低;⑤海水的流动使得腐蚀速度增大,流动时腐蚀速度相对于静止状态下能增大到5-6倍。但是流速不同,增大的程度也不同,在流速为0-2m/s之间,腐蚀速度变化比较迅速,2-8m/s之间则变化比较平缓;⑥海水的ORP明显影响碳钢的腐蚀行为:开放海水中O2/OH-电对的作用占主导,其它电对如Fe3+/Fe2+,S/HS-也有一定的影响。随着海水ORP的增大,海水的氧化能力加强,碳钢极化电阻减小,双电层电容减小,腐蚀电流增大,腐蚀速度加快。 (4)经过分析这些海水环境参量在海水中影响腐蚀速度的强度,发现假若不考虑海水流动因素,在静止海水中尽管与碳钢海水腐蚀相关的环境因子很多,但其中关键的参数还是海水的含氧量和温度。因此,在腐蚀速度软测量研究中,可以将含氧量和温度作为其最简模型的二次变量。 WP=5 (5)通过分析碳钢海水腐蚀速度与作为二次变量的海水环境参量之间的相关性建立了氧平衡态下,静止海水中碳钢在其腐蚀初级阶段的腐蚀速度在5-35℃温度区间内的软测量模型,形式如下: 式中icorr为腐蚀电流密度,μA/cm2,表示腐蚀速度;t为海水温度,以℃表示; A1、A2、A3皆为系数,碳钢材料不同系数存在差异。 (6)为了扩大模型适用范围,在平衡态碳钢腐蚀速度软测量模


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