Local chemistry–electrochemistry and stress corrosion susceptibility of X80 steel below disbonded coating in acidic soil environment under cathodic protection

酸性土壤環(huán)境下，X80鋼剝離涂層下的局部化學(xué)-電化學(xué)和應(yīng)力腐蝕敏感性

來(lái)源：Construction and Building Materials 243 (2020) 118203

 

1. 論文摘要核心內(nèi)容

 

研究揭示了X80管線鋼在酸性土壤剝離涂層下的局部電化學(xué)行為與應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SCC）機(jī)制：

 

陰極保護(hù)（-1000 mV???）下，剝離涂層底部形成強(qiáng)酸性環(huán)境（pH~5）和高Cl?濃度（629 mg/L）（圖4b, 圖5a）。

 

 

 

Unisense微電極證實(shí)底部溶解氧（DO）驟降至<2 mg/L（圖4a），導(dǎo)致閉塞區(qū)缺氧。

 

SCC敏感性分布呈“兩端高、中間低”特征：剝離區(qū)入口（-1000 mV）和底部（-704.5 mV）因析氫反應(yīng)（HER）和局部腐蝕呈現(xiàn)高SCC風(fēng)險(xiǎn)（圖11）。

 

 

2. 研究目的

 

闡明酸性土壤（鷹潭土壤，pH 4.5）中剝離涂層下局部化學(xué)-電化學(xué)狀態(tài)演變規(guī)律，定量評(píng)估X80鋼SCC敏感性，為管道陰極保護(hù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

 

3. 研究思路

 

1.模擬剝離系統(tǒng)構(gòu)建：

 

設(shè)計(jì)有機(jī)玻璃-鋼板夾層裝置（間隙0.24 mm），模擬剝離涂層（圖2）。

 

 

施加-1000 mV???陰極保護(hù)，通過(guò)預(yù)埋電極監(jiān)測(cè)電位梯度（圖3）。

 

 

2.局部環(huán)境監(jiān)測(cè)：

 

Unisense微電極實(shí)時(shí)測(cè)量DO和pH梯度（圖4）。

 

微注射器取樣分析離子濃度（Cl?、HCO??等）（圖5, 圖6）。

 

3.SCC敏感性評(píng)估：

 

基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)配制模擬溶液（YTD0-YTD25，表3）。

 

慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)（SSRT，應(yīng)變率10?? s?1）評(píng)估不同位置SCC敏感性（圖7, 圖8）。

 

 

掃描電鏡（SEM）分析斷口形貌（圖9, 圖10）。

 

 

 

4. 關(guān)鍵數(shù)據(jù)及其意義

（1）Unisense微電極DO/pH數(shù)據(jù)（圖4）

 

數(shù)據(jù)：

 

DO在2天內(nèi)從8.3 mg/L驟降至<2 mg/L（全剝離區(qū)缺氧）。

 

pH梯度分化：近入口區(qū)升至11，底部降至~5（酸積累）。

 

意義：首次揭示酸性土壤中陰極保護(hù)下閉塞區(qū)化學(xué)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)演化，解釋底部酸性腐蝕環(huán)境成因。

 

（2）離子濃度分布（圖5, 圖6）

 

Cl?富集（圖5a）：底部Cl?濃度升高75%至629 mg/L（遷移數(shù)效應(yīng)+Fe2?水解驅(qū)動(dòng)）。

 

HCO??耗竭（圖5b）：底部HCO??降至20 mg/L（沉積反應(yīng)消耗）。

 

意義：Cl?富集與低pH協(xié)同促進(jìn)局部腐蝕，HCO??耗竭削弱緩沖能力。

 

（3）電位梯度（圖3）

 

數(shù)據(jù)：底部電位僅-704.5 mV（無(wú)法達(dá)到-1000 mV設(shè)定值）。

 

意義：證實(shí)剝離區(qū)存在IR降，陰極保護(hù)電流難以到達(dá)底部。

 

（4）SCC敏感性（圖7, 圖8）

 

數(shù)據(jù)：

 

入口（YTD0）和底部（YTD25）：延伸率損失50.4%/37.4%，斷面收縮率損失65.8%/52.9%。

 

中部（YTD5/YTD15）：延伸率損失<20%。

 

意義：電位和局部環(huán)境共同決定SCC空間異質(zhì)性。

 

（5）斷口形貌（圖9, 圖10）

 

入口/底部：脆性斷裂+解理面（氫脆特征）。

 

中部：少量韌窩+輕微均勻腐蝕（有效陰極保護(hù)）。

 

意義：驗(yàn)證HER主導(dǎo)入口/底部SCC，中部以陽(yáng)極溶解抑制為主。

 

5. 丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的專(zhuān)項(xiàng)解讀

（1）技術(shù)突破性

 

毫米級(jí)分辨率：穿透生物膜層實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)DO/pH（0.02s/點(diǎn)），傳統(tǒng)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

 

雙校準(zhǔn)保障：采用CAL300腔室（大氣氧）和抗壞血酸鈉（缺氧參照），確保數(shù)據(jù)可靠性。

 

（2）科學(xué)價(jià)值

 

1.揭示腐蝕驅(qū)動(dòng)機(jī)制：

 

DO驟降（圖4a）引發(fā)缺氧-酸化惡性循環(huán)：Fe → Fe2? + 2e? → Fe2?水解（Fe2? + 2H?O → Fe(OH)? + 2H?）→ pH↓ + Cl?遷移富集。

 

底部電位（-704.5 mV）高于析氫電位（-538 mV???），驅(qū)動(dòng)強(qiáng)HER（方程式：2H? + 2e? → H?）。

2.量化SCC邊界條件：

 

臨界pH=5：低于此值HER顯著增強(qiáng)（Nernst方程：E? = -0.0591×pH）。

 

臨界電位=-750 mV：低于此值陰極保護(hù)失效（圖3）。

3.指導(dǎo)工程防護(hù)：

 

電位監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化：需在剝離區(qū)底部增設(shè)參比電極。

 

保護(hù)電位調(diào)整：酸性土壤中-1000 mV???加劇底部HER，建議調(diào)至-850~-900 mV???。

 

6. 研究結(jié)論

 

1.局部環(huán)境演化：陰極保護(hù)下剝離底部形成酸性（pH~5）、高Cl?（629 mg/L）、缺氧環(huán)境。

2.SCC機(jī)制分區(qū)：

 

入口/底部：強(qiáng)HER引發(fā)氫脆（延伸率損失>37%）。

 

中部：有效陰極保護(hù)，SCC敏感性低。

3.防護(hù)啟示：酸性土壤中需避免過(guò)保護(hù)（-1000 mV???），優(yōu)化電位監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的工程意義

 

該技術(shù)不僅闡明微觀機(jī)制，更提供管道完整性管理新策略：

 

 

風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位定位：基于DO/pH梯度精準(zhǔn)識(shí)別高SCC風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（剝離底部）。

 

陰極保護(hù)智能調(diào)控：結(jié)合實(shí)時(shí)電位-DO數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出。

 

涂層修復(fù)優(yōu)先級(jí)：優(yōu)先修復(fù)檢測(cè)到DO驟降的剝離區(qū)。