碳素钢在模拟海水中的腐蚀行为研究

王战辉,张智芳,高 勇

(1.榆林学院化学与化工学院,陕西 榆林 719000; 2.陕西省低变质煤洁净利用重点实验室,陕西 榆林 719000)

海水腐蚀作为一门综合型学科,包括材料性能、机械力学、电化学腐蚀、海洋科学等领域。海水NaCl质量分数约为3.5%,是大自然中存在数量最多的天然腐蚀电解质溶液。如今海上资源开发越来越多,大型工业设备和船舶进入海洋,会受到海水对其钢材的腐蚀[1]。海水腐蚀是指钢材在海水中由于受到电化学腐蚀而使其内部成分组织发生变化,导致其力学性能下降,不能实现原有的性能[2]。海水腐蚀除了具备传统电化学腐蚀的特点外,还有其自己的特点:海水中海浪、潮汐速度很大,对金属具有很强的机械冲击力;海洋中有很多的微生物及其代谢产物,会对腐蚀产生直接或间接的影响[3]。因此,对海水腐蚀进行研究具有良好的市场前景和经济效益[4]。

碳素钢一般含碳量低,强度硬度一般,塑性韧性可焊性优良,而且成本低,在海洋船舶运输中应用最为广泛,因此,很有必要对碳素钢的海水腐蚀规律进行研究。国内外很多学者对碳素钢在海水中的腐蚀行为进行了研究,但是大多只是针对一种碳素钢,而没有对几种碳素钢进行比较研究[5-8]。因此,研究首先利用旋转挂片腐蚀试验仪考察Q235钢、10#钢、20#钢3种碳素钢在模拟海水不同转速和不同温度下的腐蚀速率,其次借助CorrTest电化学测试系统的CS系列电化学工作站考察Q235钢在模拟海水中的极化曲线。所得结论对碳素钢在海水中的腐蚀与防护有一定的参考价值。

1 实验过程

1.1 腐蚀试件物性参数和几何参数

研究对象为Q235钢、10#钢、20#钢3种常用碳素钢,其力学参数分别为:Q235钢密度ρ为7.85 g/cm3,弹性模量E为200 GPa,泊松比μ为0.3,屈服强度σs为235 MPa,抗拉强度σb为510 MPa;10#钢密度ρ为7.85 g/cm3,弹性模量E为206 GPa,泊松比μ为0.3,屈服强度σs为205 MPa,抗拉强度σb为335 MPa;20#钢密度ρ为7.85 g/cm3,弹性模量E为206 GPa,泊松比μ为0.3,屈服强度σs为275 MPa,抗拉强度σb为355 MPa。

旋转挂片试件几何参数分别为:Q235钢长50 mm,宽25 mm,高2 mm,表面积SQ235为28 cm2,体积VQ235为2.5 cm3;10#钢和20#钢均为长40 mm,宽13 mm,高5 mm,表面积S10#=S20#=15.7 cm2,体积V10#=V20#=2.6 cm3。电化学实验所用20#钢电极几何参数为长10 mm,宽10 mm,高2 mm。

1.2 模拟海水的配置

用NaCl试剂和去离子水配质量分数为3.5%的NaCl溶液。先用JPT-5型托盘天平称取35 g NaCl放入500 mL的烧杯中,加入去离子水进行溶解并同时用玻璃棒进行搅拌,待完全溶解后倒入1 000 mL的容量瓶,即完成模拟海水的配置。

1.3 除锈液的配置

用去离子水、HCl和六次甲基四胺配制清洗液。取3.5 g六次甲基四胺放入烧杯中,然后依次加入500 mL的HCl和500 mL的水,搅拌均匀,装入250 mL的容量瓶。

1.4 20#钢电化学工作电极的制作

将20#钢电极试件先用去离子水进行清洗并烘干,将PVC塑料管剪成长度大约为10 mm若干段,在预磨机上将塑料管打磨平滑,剪取长约15 cm的导线,并将两端各去掉一段长约为2 cm的导线绝缘皮层,将导线焊接在备好的试件上,用蜡油将PVC管密封,将密封好的电极进行风干,之后将工作电极下端在预磨机上打磨,使碳钢片露出并光亮,即完成工作电极的制作。

1.5 浸泡实验

分别将Q235钢、10#钢和20#钢旋转挂片试件称重,然后悬挂在RCC-I型旋转挂片腐蚀实验仪上。将配制好的模拟海水倒入2 000 mL的烧杯中,倒入腐蚀液的量能浸没腐蚀挂片为止,后放入腐蚀仪中。打开腐蚀仪,控制一定转速,使箱体内温度恒定,腐蚀2 h后放入清洗液中,用超声波清洗器清洗3 min,再用去离子水清洗,并放入干燥箱进行干燥,干燥后再次称量腐蚀后质量,并记录。根据腐蚀前后质量差,计算不同条件下的腐蚀速率[9],计算公式为

V=8.76×104×Δm/ρst,

其中:V为钢材年腐蚀速率(mm/a);ρ为被腐蚀钢材密度(g/cm3);s为试件表面积(cm2);Δm为腐蚀失重(g);t为腐蚀时间(h)。

1.6 电化学实验

对20#钢工作电极进行电化学实验,借助武汉科思特CS350电化学工作站进行极化曲线的测定,三电极(工作电极W、参比电极R、辅助电极E)分别为20#钢、汞电极、铂电极。通过对极化曲线拟合可以得到腐蚀电流密度、腐蚀电位和腐蚀速率等腐蚀参数。

2 实验结果与分析

2.1 转速对3种碳素钢腐蚀速率的影响

保持旋转挂片腐蚀试验仪内部模拟海水温度为15 ℃,转速分别取50 r/min、60 r/min、70 r/min、80 r/min、90 r/min,考察不同转速对3种碳素钢在模拟海水中腐蚀速率的影响,结果如图1所示。为了保证实验结果的精确性,每组钢种取3个平行试样。

图1 转速对3种碳素钢腐蚀速率的影响Fig.1 Influence of speed on the corrosion rate of the three kinds of carbon steels

由图1可以看出,转速对3种碳素钢腐蚀速率的影响可以分为2个阶段:当转速低于60 r/min时,腐蚀速率数值都很小,而且基本保持不变,处于稳态阶段;当转速高于60 r/min时,3种碳素钢腐蚀速率均随转速的增加呈增加的趋势,尤其是当转速超过80 r/min后,腐蚀速率增加幅度最大,斜率最高,是最危险的阶段。而且,3种碳素钢在转速低于80 r/min时,腐蚀速率相差不大,在转速高于80 r/min后,三者相差较大,20#钢腐蚀速率最大。这是由于当转速较低时,海水流速较低,到达阴极的氧量很少,扩散速度较小,因此,曲线呈平稳状态;当转速较高时,海水流速较高,到达阴极的氧量增加,扩散速度加大,因此,曲线呈激增状态[10]。在实际海水中转速对腐蚀速率的影响实质是海风所引起的海浪对腐蚀速率的影响,而在实际情况中经常风浪很大,因此考察不同转速对3种碳素钢腐蚀速率的影响对碳素钢在海水中的防腐有一定的指导意义。

2.2 温度对3种碳素钢腐蚀速率的影响

保持旋转挂片腐蚀试验仪模拟海水转速为70 r/min,模拟海水温度分别取15 ℃、25 ℃、35 ℃、45 ℃和55 ℃,考察温度对3种碳素钢在模拟海水中腐蚀速率的影响,结果如图2所示。为了保证实验结果的精确性,每组钢种取3个平行试样。

图2 温度对3种碳素钢腐蚀速率的影响Fig.2 Influence of temperature on the corrosion rate of the three kinds of carbon steels

由图2可以看出,随着模拟海水温度的增加,腐蚀速率均呈增加的趋势,20#钢腐蚀速率最大。这是由于:一方面,随着模拟海水温度的增加,模拟海水中溶解氧的扩散速度增大,相应地到达阴极的溶解氧量增大,阴极氧去极化反应加剧,腐蚀速率增加,而且模拟海水温度的增加会使海水粘度减小,有助于阴极去极化反应;另一方面,随着模拟海水温度增加,海水内部活化能和电导率均增加,引起腐蚀电流密度增加,而腐蚀电流密度是衡量腐蚀速率的重要参数,腐蚀电流密度越大,腐蚀速率越大。在实际海水中,随着季节的变换,海水温度会出现变化,而温度对海水腐蚀速率的影响起着举足轻重的作用,因此探索海水温度对腐蚀速率的影响规律对海水的防腐起一定的指导作用。

2.3 20#钢极化曲线分析

由图1和图2可以看出,在3种碳素钢中,20#钢的腐蚀速率最大,因此以20#钢为研究对象,温度为15 ℃,浸泡时间分别为4 h、8 h、12 h,其他条件不变,考察其极化曲线表现规律。浸泡4 h的极化曲线如图3所示。

图3 20#钢极化曲线Fig.3 No.20 steel polarization curve

对极化曲线进行拟合,得到阴极Tafel斜率Ba、阳极Tafel斜率Bc、腐蚀电流密度IO、腐蚀电位EO和腐蚀速率CorroSion Rate等参数,如表1所列。

由图3和表1可以看出,20#钢极化曲线没有>发生钝化现象,阴极Tafel斜率Ba大于阳极Tafel斜率Bc,为阴极控制极化曲线,与前面结论相对应,阴极去极化反应对其腐蚀速率起着决定性的影响;随着浸泡时间的增大,腐蚀电流密度IO、腐蚀电位EO、腐蚀速率CorroSion Rate均呈减小的趋势,而且减小的幅度越来越小。

表1 20#钢不同浸泡时间极化曲线拟合参数

3 结论

利用旋转挂片腐蚀试验仪考察Q235钢、10#钢、20#钢3种碳素钢在模拟海水不同转速和不同温度下的腐蚀速率,并借助CorrTest电化学测试系统的CS系列电化学工作站考察20#钢在模拟海水中的极化曲线。得出以下结论:

(1) 转速对3种碳素钢腐蚀速率的影响可以分为2个阶段:当转速低于60 r/min时,3种碳素钢腐蚀速率数值都很小,而且基本保持不变,处于稳态阶段;当转速高于60 r/min时,3种碳素钢腐蚀速率均随转速的增加呈增加的趋势,尤其是当转速超过80 r/min后,腐蚀速率增加幅度最大,斜率最高,是最危险的阶段。而且3种碳素钢在转速低于80 r/min时,腐蚀速率相差不大,在转速高于80 r/min后,三者相差较大,20#钢腐蚀速率最大。

(2) 随着模拟海水温度的增加,腐蚀速率均呈增加的趋势,20#钢腐蚀速率最大。

(3) 20#钢极化曲线没有发生钝化现象,阴极Tafel斜率Ba大于阳极Tafel斜率Bc,为阴极控制极化曲线;随着浸泡时间的增大,腐蚀电流密度IO、腐蚀电位EO、腐蚀速率CorroSion Rate均呈减小的趋势,而且减小的幅度越来越小。