Acta Metallurgica Sinica  2016 , 52 (9): 1133-1141 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2015.00641

论文

酸性土壤中破损防腐层下X80管线钢的应力腐蚀行为*

闫茂成, 杨霜, 许进, 孙成, 吴堂清, 于长坤, 柯伟

中国科学院金属研究所国家金属腐蚀控制工程技术研究中心, 沈阳 110016

STRESS CORROSION CRACKING OF X80 PIPELINE STEEL AT COATING DEFECT IN ACIDIC SOIL

YAN Maocheng, YANG Shuang, XU Jin, SUN Cheng, WU Tangqing, YU Changkun, KE Wei

Environmental Corrosion Center, Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China

中图分类号:  TG172.9

文献标识码:  A

文章编号:  0412-1961(2016)09-1133-09

通讯作者:  Correspondent: YAN Maocheng, associate professor, Tel: (024)23913195, E-mail: Yanmc@imr.ac.cn

收稿日期: 2015-12-15

网络出版日期:  2016-09-27

版权声明:  2016 《金属学报》编辑部 《金属学报》编辑部

基金资助:  * 国家自然科学基金重点项目51131001和国家科技基础条件平台-国家材料环境腐蚀平台项目2005DKA10400资助

作者简介:

作者简介: 闫茂成, 男, 1976年生, 副研究员

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摘要

设计加载阵列电极应力腐蚀实验装置, 针对我国典型的华南酸性红壤环境, 研究高强度低合金(HSLA) X80管线钢在破损防腐层(涂层)模拟缝隙下的应力腐蚀开裂(SCC)行为及影响因素, 采用电化学阻抗谱(EIS)监测加载电极的腐蚀电化学过程, 利用微电极监测防腐层剥离区局部电位和pH值变化, 探讨破损涂层下HSLA管线钢SCC行为和规律. 结果表明, 防腐层开放破损(漏点)处管线钢发生严重腐蚀: 不受力试样表面以阳极溶解占主导的均匀腐蚀为主, 而拉伸试样表面出现大量微裂纹和点蚀坑, 且沿试样划痕优先生长; 封闭的剥离区内部管线钢的腐蚀程度显著减缓. 同时, 对涂层破损点及剥离区深处管线钢的腐蚀现象和过程进行了讨论.

关键词: 土壤腐蚀 ; 管线钢 ; 3PE涂层剥离 ; 应力腐蚀开裂(SCC) ; 阴极保护

Abstract

The three-layer polyethylene (3PE or 3LPE) coatings have been widely used on long-distance high pressure transmission pipelines in China. The 3PE coating tends to remain high insulating after disbonding from pipelines, and block the function of cathoidc protection (CP), similar to PE tape coatings that caused stress corrosion cracking (SCC) failure of pipeline. Disbondment 3PE coatings have been reported worldwide. Because of the high integrity and dielectric strength of 3PE coatings, SCC under disbonded 3PE coating becomes an important issue for integrity management and operation of high pressure pipelines. A great deal of researches have been conducting over the past 20 years to reproduce SCC of high strength low alloy (HSLA) pipeline in laboratory. Most of these studies were conducted in bulk solution condition. The methodology neglects particularity of the thin-layer electrolyte under disbonded coating which has been identified as one of the primary environmental factors related to SCC. In this context, a research project has been initiated on this subject. The overall goal is to systematically investigate corrosion scenarios and mechanochemical interaction of HSLA pipeline steels under disbonded 3PE coating in different soil environments, particularly to further mechanistic understanding the initiation of SCC on pipelines under disbonded coating. In this work, SCC behavior of API X80 pipeline steel under disbonded coating with defect was investigated in acidic soil solution by a crevice cell specially designed for simulating coating disbondment. The crevice cell was equipped with a multi-sample loading frame, through which multi specimens in the crevice cell can be loaded simultaneously. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was applied to characterize local electrochemical process of the tensile specimens. Local environment parameters (potential and pH) were monitored by microelectrodes. Surface morphology of the corrosion specimens indicate that corrosion intensity of X80 steel decreased over the distance from the opening. Intensive anodic dissolution and microcrack initiation were preferential at the opening defect, whereas corrosion was markedly mitigated under disbonded coating. CO2 content gradient is proposed for the special corrosion scenarios under coating disbondment.

Keywords: soil corrosion ; pipeline steel ; disbonded 3PE coating ; stress corrosion cracking (SCC) ; cathodic protection

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闫茂成, 杨霜, 许进, 孙成, 吴堂清, 于长坤, 柯伟. 酸性土壤中破损防腐层下X80管线钢的应力腐蚀行为*[J]. , 2016, 52(9): 1133-1141 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2015.00641

YAN Maocheng, YANG Shuang, XU Jin, SUN Cheng, WU Tangqing, YU Changkun, KE Wei. STRESS CORROSION CRACKING OF X80 PIPELINE STEEL AT COATING DEFECT IN ACIDIC SOIL[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2016, 52(9): 1133-1141 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2015.00641

高绝缘三层聚乙烯(3PE)防腐层结合了熔结环氧粉末(FBE)和聚乙烯(PE)的优点, 是目前国内外埋地长输管线普遍采用的外防腐层[1,2], 其一般与阴极保护(CP)系统配套使用组成管道腐蚀控制系统, 控制管线的外部土壤腐蚀. 但大量现场数据表明, 3PE与CP系统的兼容性不佳[3,4]: 一方面, 3PE的高绝缘性使CP电流密度较低, 影响CP系统的运行; 另一方面, 防腐层黏结失效产生剥离后屏蔽阴极保护, 剥离区管道表面难以获得充分保护[5~7]. 目前国内外均发现了3PE防腐层管线不同程度失黏剥离案例[1,8~10], 随服役时间的延长, 防腐层剥离及CP屏蔽造成的剥离防腐层下管线腐蚀和应力腐蚀难以避免, 其对长输管线工程的安全风险已引起大量关注.

剥离防腐层下应力腐蚀开裂(SCC)是高强度管线钢土壤环境腐蚀的主要形式, 严重威胁服役管线的运行安全和可靠性[11~13]. 管线钢的SCC是在剥离防腐层下的薄液层环境中萌生和发展的, 该薄液层环境由进入剥离区的土壤水、Cl-等腐蚀性介质通过复杂过程形成, 该环境与本体土壤环境不同[6,7,14,15], 具有诸多特异性: 微区环境组分差异巨大, 且呈空间分布特征, 存在电位梯度及离子、腐蚀产物等物质浓差梯度; 微区环境下局部化学/电化学过程异常复杂. 传统的管线钢的SCC研究一般在土壤或模拟溶液本体环境中进行, 忽略了剥离防腐层微区环境中物质传输、力学-化学和电化学等诸多局部过程的特异性, 难以全面揭示剥离涂层下SCC的诸多局部过程[16,17].

此外, 目前土壤环境腐蚀研究主要集中于中碱性土壤, 而针对我国典型酸性红壤环境中高强度低合金(HSLA)管线钢的腐蚀和应力腐蚀研究相对较少[18~21]. 近年来, 我国华南酸性红壤区内油气管道发展迅速, 如西气东输二线、中缅油气管线等重要管线经由酸性红壤区. 因此, 研究酸性土壤环境中破损/剥离防腐层下管线钢的SCC行为和规律, 对确保这些油气管线的安全运行十分重要.

1 实验方法

1.1 实验装置构建

自制的缝隙内SCC实验测试系统由模拟缝隙电解池和加载阵列电极组成, 如图1a所示. 模拟缝隙采用有机玻璃(PMMA)板模拟绝缘性剥离防腐层, 模拟剥离区的矩形缝隙池(尺寸250 mm×60 mm)由PMMA盖板、聚四氟乙烯(PTFE)垫片、钢试样及PMMA基板经螺栓组装形成. 缝隙厚度由垫片调节为1 mm, 对应缝隙深厚比为250. PMMA板一端开10 mm×50 mm方口模拟防腐层破损口(漏点, holiday), 缝隙内环境通过该漏点与PMMA板上方储液槽中的本体土壤溶液连通, 试样缝隙内外面积比25.0. PMMA板上安装一系列毛细管盐桥及W丝pH电极, 用来测量缝隙内各位置管线钢局部电位和薄液层环境pH值.

排列于缝隙电解池内的加载阵列电极通过一多试样加载框加载, 该加载框可对沿缝隙排列的独立试样平行加载. 加载框通过紧固螺栓加载, 应力由应力传感器监测. 使用硅橡胶将4对(8个)独立试样粘到PMMA基板上. 为模拟剥离防腐层下完整管道表面, PMMA基板试样间的空间由5块相同钢制成的辅助板填补. 相邻试样间留1 mm间隙并由硅橡胶填充使试样彼此绝缘, 试样只有上侧面5 mm×60 mm的工作表面暴露于实验环境. 钢试样在底板上的布局如图1b所示. 实验过程中, 所有钢试样和板材通过外部并行线连接.

图1   破损防腐层下高强度管线钢应力腐蚀实验装置图

Fig.1   Schematic of the test system combining a crevice cell (a) and top view of the test system showing shielding area, arrangement of steel specimens and measurement ports and the multi-sample loading frame (b) (PMMA—polymethyl methacrylate; RE—reference electrode; CE—counter electrode)

该剥离防腐层测试系统可对剥离区不同应力加载试样阵列进行电化学测量, 进而获得剥离区不同位置管线钢SCC过程中的电化学腐蚀动力学参数, 以定量表征管线钢SCC萌生和发展不同阶段的行为及规律.

1.2 管线钢和土壤的溶液

实验材料为API X80管线钢, 其化学成分(质量分数, %)为: C 0.07, Mn 1.82, Si 0.19, P 0.007, S 0.023, Cr 0.026, Ni 0.17, Cu 0.020, Al 0.028, Mo 0.23, Ti 0.012, Nb 0.056, V 0.002, N 0.004, B 0.0001, Fe余量. 其在空气中的屈服强度(σ0.2)和断裂强度分别为650.7和694.3 MPa. 拉伸试样尺寸如图2所示. 实验前, 所有试样用水磨砂纸逐级打磨至1000号, 用丙酮和乙醇清洗后冷风吹干, 干燥箱中保存备用.

实验土壤采自国家土壤环境腐蚀野外观察站江西鹰潭酸性土壤站地下1.0 m处, 土壤pH值为4.9 (水土比2.5∶1), 其理化分析结果见文献[19]. 土壤在105 ℃下干燥10 h, 然后机械碾磨后用直径1 mm分析筛进行筛选, 去除土壤中石头和杂物后, 按水土比2.5∶1加入去离子水, 静置过滤后获得土壤浸出液.

图2   受力X80管线钢试样尺寸

Fig.2   Geometry of tensile specimen (unit: mm, thinkness: 0.5 mm)

1.3 实验条件和程序

试样组装过程中, 首先将拉伸试样安装在加载框上并缓慢加载到100%σ0.2. 然后将加载拉伸试样、不受力试样和辅钢板粘在PMMA基板上. 盖板、PTFE垫片和试样基板通过螺栓组装, 同时, 剥离区缝隙周边由硅橡胶密封, 以确保缝隙池在实验过程中的密封性. 实验开始时, 为防止缝隙内存在气泡, 缝隙内溶液用注射器注入, 然后向本体溶液池注入5%CO2+95%N2 (体积分数)混合气体饱和的土壤溶液. 实验过程中, 本体池溶液连续通5%CO2+95%N2气体, 以模拟实际土壤环境条件.

局部薄液层环境的pH值和钢的局部电位通过微鲁金毛细管和微电极测定. 电化学测试均采用经典三电极测试系统, 工作电极为X80管线钢, 辅助电极为Pt片, 参比电极为饱和甘汞电极(SCE). 电化学测试在PARSTAT 2273系统上进行, 电化学阻抗谱(EIS)测试在自腐蚀电位下进行, 激励信号幅值为10 mV的交流正弦波, 测试频率范围为5×10-3~1×105 Hz, EIS数据由ZSimpWin拟合处理, 用Kramers-Kronig (K-K)转换检测测试体系的可靠性. 针对本实验溶液环境, 测量了X80钢在红壤环境溶液中浸泡不同时间后的循环极化行为, 扫描过程为开路电位(OCP)→-1000 mV→-500 mV, 电位扫描速率0.166 mV/s.

实验结束后, 将试样浸入添加缓蚀剂的盐酸清洗液(500 mL HCl+500 mL H2O+20 g (CH2)6N4)中去除腐蚀产物, 并用去离子水清洗吹干, 利用FEG XL30扫描电子显微镜(SEM)观察腐蚀试样的微观形貌.

2 实验结果

2.1 剥离区局部环境

图3为鹰潭红壤溶液环境中, 剥离区不同位置X80钢局部电位随时间的变化情况. 可见, X80钢在酸性土壤溶液的腐蚀电位为约-720 mV; 总体而言, 剥离区电位随实验时间延长逐渐正移, 且随缝隙深度增大, 电位正移明显, 导致开口处和剥离区底部试样间的电位差随实验时间延长呈增加趋势.

图3   鹰潭酸性红壤溶液中破损防腐层下不同位置X80钢局部电位分布

Fig.3   Local potential of X80 steel at various positions under coating defect in acidic red soil collected from Yingtan, China

剥离区局部电位的正移可能是由于剥离区离子浓差电池的存在和发展, 特别是Fe2+在剥离区的积聚及腐蚀产物的形成而造成的. 腐蚀过程中, 开口处产生的Fe2+可以通过对流和扩散过程从本体溶液钢表面除去, 而闭塞剥离区深处产生的Fe2+及腐蚀产物只能在钢表面逐渐累积. 局部电位的正移表明剥离区腐蚀过程被抑制, 并且这种效应随时间延长逐渐增强.

红壤溶液的pH值约为4.9, 持续通入5%CO2+95%N2气体后增大到5.95. 实验期间, 剥离区pH值保持在5.8和6.4之间. 红壤溶液的原始电导率为423 μS/cm; 90 d后, 本体溶液的电导率略微增加至446 μS/cm, 而局部电解质的剥离区的电导率显著提高到3.46×103 μS/cm, 约为本体溶液的8倍.

2.2 腐蚀形态特征

剥离区不同位置试样除去腐蚀产物后的腐蚀形貌如图4所示. 受力(图4a~c)和不受力(图4d~f) 试样的腐蚀形貌均表明, X80钢阳极溶解造成的腐蚀优先发生在防腐层漏点处而不是在剥离区, 随剥离区深度增加腐蚀程度逐渐降低. 防腐层破损处不受力试样主要发生均匀腐蚀(图4d), 选择性腐蚀特征清楚可见, 这是由钢的不同冶金显微结构间的电偶效应所致. 残余的表面结构主要是渗碳体(Fe3C), 它是钢中相对稳定的微观结构, 其附近的活性铁素体相优先溶解后在表面积累[22]. 相比而言, 防腐层破损处的受力试样表面多数区域呈现严重的局部腐蚀形貌(图4a), 这表明受力试样表面发生了强烈阳极溶解过程. 图5为防腐层破损处受力试样表面的高倍SEM形貌. 可见, 点蚀坑沿表面划痕等预变形的微区表面优先形成. 从图5c和d可观察到与应力方向垂直的椭圆形微裂纹、空腔或缺陷, 这表明其是在应力的影响下产生的.

剥离区下管线钢的腐蚀程度大大减缓: 距漏点50 mm处, 不受力试样的主要显微特征仍为均匀腐蚀; 而拉伸试样出现了一些小点蚀坑(图4b). 对于距漏点250 mm的试样, 不受力试样和受力试样表面均可观察到轻微的均匀腐蚀, 试样形貌均未发现显著差异(图4c和f).

研究[23]表明, 近中性pH SCC趋于从点蚀坑处萌生, 点蚀坑处存在的应力集中在SCC萌生过程中起重要作用. 阳极溶解促进局部腐蚀, 如点蚀或常与非金属夹杂物相关的表面缺陷. 点蚀坑或缺陷导致局部区域的应力集中. 另一方面, 强烈的阳极溶解也可消除点蚀坑或缺陷等容易导致应力集中的区域, 甚至可溶解点蚀周围未长大的尖锐微裂纹. 因此, 特别严酷的局部环境可能并不利于钢表面SCC微裂纹的萌生.

图4   防腐层漏点处及距漏点50和250 mm处受力及不受力X80钢试样表面腐蚀形貌的SEM像

Fig.4   SEM surface morphologies of X80 steel with (a~c) or without (d~f) stress applied at opening defect (a, d) or 50 mm (b, e), 250 mm (c, f) away from the defect in red soil solution

图5   防腐层漏点处受力X80试样(100%σ0.2)表面腐蚀形貌的SEM像

Fig.5   SEM images of tensile X80 steel specimen exposed to coating defect
(a, b) intensive corrosion preferentially along heavily deformed metal in scratches or grounding lines on the surface
(c, d) elliptically shaped microcrack, cavities or defects perpendicular to the loading axis

2.3 EIS表征

漏点位置受力及不受力试样浸泡不同时间所测EIS示于图6. 由图6a可见, Nyquist图呈现扁平半圆弧, 这是界面过程对应的容抗弧, 可归因于双电层(EDL)电容和电荷转移电阻. 扁平半圆弧表明X80钢在红壤溶液环境中的电化学过程由电荷转移过程控制, 管线钢表面始终处于活性溶解状态. 随时间延长, 半圆弧半径逐渐减小(图6a), 阻抗|Z|逐渐增大(图6b); 与不受力试样比较, 受力试样的容抗弧明显减小. 由图6c相角-频率曲线可见, EIS实为2个时间常数, 低频区时间常数对应于Nyquist图中的扁平容抗弧, 其由电极的电化学控制过程主导, 由低频区阻抗可获得腐蚀电化学过程动力学参数; 高频区出现了明显相移(图6c), 该现象在高电阻率土壤环境EIS测试中较为常见[19,21], 一般认为该现象是由参比电极的阻抗引起的误差[24]. 本工作EIS的拟合分析过程中忽略了高频相移部分.

图6   防腐层漏点处受力及不受力X80管线钢试样浸泡不同时间的EIS

Fig.6   Nyquist plots (a) and Bode plots (b, c) of the tensile and unstressed X80 steel at coating defect immersed for different times

图7   用于EIS拟合分析的等效电路模型

Fig.7   Equivalent electrical circuit used to fit measured EIS (Rs—solution resistance, Rct—charge transfer resistance, constant phase element Qdl is used as a substitute of the double layer capacitance)

图7所示的等效电路R(QR)对EIS数据进行拟合分析. 该等效电路包括溶液电阻Rs, 电荷转移电阻Rct和恒相位角元件(CPE) Qdl. Qdl取代标准双电层电容Cdl, 其阻抗为[21,25]:

Z(Qdl)=Y0-1(jw)-n(1)

式中, Y0表示Qdl的大小; ω为角频率; n为弥散系数(0<n<1), n反映弥散效应强弱, n越小说明弥散效应越明显, n越接近1表明体系越接近理想电容.

图8   受力和不受力X80钢试样的电荷转移电阻Rct随时间的变化

Fig.8   Variation of Rct for the tensile and unstressed specimens of X80 pipeline steel

图8给出了由等效电路R(QR)拟合得到的受力试样和不受力试样的Rct随时间的变化趋势. 可见, 受力试样和不受力试样的Rct均随实验时间延长呈明显增大趋势. 腐蚀速率可由Rct-1定性反映, Rct随腐蚀时间的变化趋势表明实验过程中X80钢的腐蚀速率降低; 受力试样的Rct明显小于不受力试样, 这反映了应力对阳极溶解过程的促进作用.

3 分析讨论

剥离防腐层下管线钢应力腐蚀的萌生和发展涉及众多反应和过程, 包括管线钢/溶液界面上的化学/电化学反应, 物质在钢表面和薄液层间的扩散, 通过闭塞区的物质扩散和传质过程, 以及电位梯度作用下的迁移过程等[16,26].

3.1 近中性pH SCC的溶液化学过程

CO2是影响管线钢阳极溶解和近中性pH SCC最重要的环境因素. 引发近中性pH SCC的局部环境是一系列含CO2的近中性pH值(5.5~7.5)地下水, 管线钢在其中不表现出活化钝化转变. 土壤环境中CO2含量通常比暴露在大气中的溶液环境高得多, 有机质降解和微生物活动可使土壤中的CO2含量达4%~23% (体积分数, 取决于温度、湿度和有机质含量), 且呈季节性波动[27,28]. 与近中性pH SCC有关的含CO2稀电解质溶液化学已被广泛研究[15,29], 主要过程为CO2溶于地下水形成弱酸H2CO3, H2CO3进一步离解成HCO3-, H+和CO32-:

CO2+H2OH2CO3(2)

H2CO3HCO3-+H+(3)

HCO3-CO32-+H+(4)

局部电解质环境的pH值可以在较大范围内变化. 如果没有CP电流到达管表面, 电解质将保持近中性pH值, 具体取决于CO2分压. 一般认为, 近中性pH值条件下CO32-对腐蚀过程的影响不大. 管线钢的腐蚀速率随CO2含量增加而增大, HCO3-对Fe的溶解起主导作用, HCO3-浓度升高时开裂速率增加. 通常认为, 近中性pH值SCC相关局部环境中, 管线钢表现为活性溶解状态, 而不存在高pH值HCO3-/CO32-环境中的活化-钝化转化区[12,29,30]. X80钢在红壤环境溶液中浸泡不同时间后循环极化行为如图9所示. 可见, X80钢在该红壤环境溶液中处于活性溶解状态, 电位回扫过程中(-1000 mV→OCP)电流的滞后效应说明阴极极化对试样产生了影响. 极化曲线阳极分支线性不好, 故只采用阴极分支对极化曲线进行拟合分析, 由阴极Tafel外推方法获得X80钢的自腐蚀电流密度icorr约为1.0×10-4 mA/mm2 (或0.12 mm/a).

图9   X80钢在5%CO2+95%N2气体饱和红壤溶液中浸泡不同时间的极化曲线

Fig.9   Polarization curves for X80 steel in red soil solution saturated with 5%CO2+95%N2 (Potential scan rate: 0.166 mV/s, icorr—free corrosion current density)

3.2 剥离防腐层下浓度梯度

本工作中, 腐蚀发生在防腐层漏点处: 不受力试样发生均匀腐蚀, 拉伸试样表面出现了微裂纹; 而防腐层剥离区阳极溶解明显减缓, 剥离防腐层缝隙尖端的试样上未观察到点蚀和微裂纹迹象. 本工作中X80钢腐蚀的环境驱动力是CO2促发的阳极溶解过程, 导致剥离防腐层下这种特定腐蚀现象的原因应该是剥离区CO2浓度梯度的存在. 剥离区CO2相关粒子由传质和扩散过程控制, 而CO2传输进入剥离区深处速度缓慢, CO2浓度梯度在剥离区逐步建立. 随距漏点距离的增大, 剥离区CO2浓度逐渐减小, 导致剥离区钢腐蚀程度也显著减轻[31]. 图10示出了防腐层剥离区内CO2浓度梯度和腐蚀速率的变化趋势.

图10   破损防腐层下CO2浓度和管线钢腐蚀速率随剥离区距离的变化趋势示意图

Fig.10   Schematics show distribution of CO2 content (a) and corrosion rate (b) of pipeline steel under disbonded coating as a function of distance from coating defect

Egbewande等[28]在近中性pH SCC裂纹扩展实验研究中也发现了类似现象, 发现CO2浓度梯度及pH值影响裂纹内部的阳极溶解和扩展过程, 致使裂纹扩展速率和腐蚀速率逐渐降低. 此外, 高浓度CO2促进阴极反应生成的H进入钢(氢渗透), 这对阳极溶解和近中性pH SCC过程有重要影响[32,33]. 此外, 防腐层剥离区内部可能存在包括CO2, HCO3-, Fe2+和H+等离子的浓度梯度. 剥离区局部环境中这些离子浓度梯度分布产生局部环境差异, 从而导致钢表面局部电位梯度及局部电化学活性的差异, 产生浓差电池腐蚀, 其驱动力是钢表面不同环境间的电位差.

3.3 与现场观察的比较

另外, 本工作模拟的是存在较大开放漏点的剥离防腐层, 较大开放漏点可使漏点处管线钢表面CP电流密度缺失, 使管线钢表面处于自然腐蚀状态, 同时季节性土壤干湿变化也可引起漏点处CP缺失. 本实验条件(自然腐蚀, 1 mm缝隙间隙)下腐蚀主要发生在开放漏点处, 尤其是拉伸试样, 表面出现大量微裂纹, 而封闭的剥离区内部腐蚀程度显著减缓. 本实验条件下, 闭塞的剥离区极大限制了CO2进入闭塞区, 这与现场观察到的不同: 在现场, 严重腐蚀区或微裂纹群落常在阴极保护电流不能到达的狭窄剥离区深处且CO2充足区域的管道表面出现. 这种差异可以归因于现场阴极保护和剥离区几何尺寸变化范围较大. 通常, 开放漏点处或多或少存在CP电流, 其大小取决于开放漏点尺寸、涂层渗透性及周围土壤电阻率. 现场条件下, 存在小面积开放性破损(如针孔)或非屏蔽性防腐层(如FBE)的情况, CP电流可抑制涂层破损处的腐蚀; 此外, CP作用下形成高pH值局部环境, 减缓了钢的活性溶解, 这使腐蚀倾向于在CP电流达不到的封闭剥离区下的管线表面发生.

4 结论

(1) 设计了加载阵列电极应力腐蚀实验装置, 借助该装置及微电极技术可原位研究破损防腐层缝隙内局部环境演化及高强度管线钢的应力腐蚀开裂(SCC)行为.

(2) 防腐层破损处不受力试样表面以阳极溶解占主导的均匀腐蚀为主, 而拉伸试样表面出现大量微裂纹和点蚀坑, 沿试样表面划痕优先生长.

(3) X80管线钢最严重的腐蚀区域出现在开放漏点处, 腐蚀程度由开放漏点处至剥离区深处逐渐减缓. 本工作中观察到的这种腐蚀现象及其与现场实际情况间的差异可能与开放漏点处的阴极保护和剥离区CO2浓度梯度的存在有关.

The authors have declared that no competing interests exist.


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