模拟深海条件下的电偶腐蚀行为研究

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海洋环境中,由于结构和性能的需要,大量不同电化学连接特性的材料不可避免地进行接触。金属材料在这种苛刻的环境中由于电偶腐蚀的作用,腐蚀过程明显加快。多年来人们已对各种材料和构件在表层海水中的腐蚀行为及保护方法进行了大量研究,而深海环境在光照、温度、压力、溶解氧、pH值、含盐量、海水流速等因素与表层海水环境截然不同,因此其对材料的腐蚀行为与表层海水存在较大差异,表层海水相关数据在深海中能否安全使用还需进一步验证和对比。因此有必要开展材料及构件在深海海水环境中的腐蚀试验,研究腐蚀规律,积累腐蚀与防护数据。本文采用舰船中常用的管路材料B10、B30铜镍合金以及管路材料的一些附件结构(弯头、泵阀等)材料硅黄铜、镍铝青铜和304不锈钢作为研究用材料,在控制温度和溶解氧的条件下模拟了深海环境特点,研究了单一变量下材料的电偶腐蚀行为。首先研究了实验室条件下(20℃、标准大气压)5种材料在静态海水中的腐蚀过程,通过稳态极化曲线讨论了它们在海水中的电化学特征,浸泡实验得出了在该条件下5种材料自腐蚀电位的变化趋势,进而对它们之间的电偶腐蚀倾向进行了预测。运用原子力显微镜(AFM)、扫描电镜(SEM)、光学显微镜以及表面元素分析技术,讨论了5种材料在海水中的成膜及腐蚀机理。第二部分的工作主要是通过电化学阻抗(EIS)技术、极化曲线评价了它们在不同温度、不同氧浓度条件下的电化学性能以及自腐蚀性能,运用混合电位理论对它们之间的偶合倾向、偶合电位及电流进行了预测。最后的工作主要是采用多通道电偶腐蚀实验和腐蚀失重实验讨论了低温低氧条件下的电偶腐蚀规律,并与前面做的工作及预测结果进行了对比分析。研究结果表明:5种实验材料在实验室条件下海水中的腐蚀电偶序顺序为304>B30>B10>镍铝青铜>硅黄铜,结合自腐蚀变化曲线,推测在海水中B10、B30与镍铝青铜、硅黄铜偶合后将作为偶合阴极,与304为偶合阳极;在低温、低氧条件下的电化学测试表明,温度为电极多过程的影响因素,而氧浓度为电极单过程的影响因素,当氧饱和度≥30%时,在控制氧浓度不变的条件下,除镍铝青铜外阴极过程基本上不会受温度影响或影响很小,而温度只影响阳极钝化过程;阴极极化氧扩散控制过程会随着饱和度的降低而减弱。从混合电位理论获得的偶合电位Ecouple随温度降低负移,随饱和度降低亦负移,偶合电流密度Icouple依赖于于Ecouple,电位负移电流密度减小;电偶腐蚀电流和电位监测表明,偶合电流表现为随温度降低而降低的趋势;同时还发现随着温度的降低,偶合电流密度进入稳定状态的所需时间减少。50%饱和度下的偶合电流密度在三个测试饱和度中最大,B10与两种铜合金材料的电偶腐蚀敏感性属B级,与304不锈钢的敏感性为A级;B30与上述三种材料的电偶腐蚀敏感性属A级;偶腐蚀效应随着温度的降低而降低,随饱和度的降低而增大。
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