Corros. Sci. ：CO2-飽和NaCl溶液環境中乙酸及氫離子誘導N80碳鋼縫隙腐蝕的機理研究

【引言】

碳鋼作為管道傳輸中的重要材料，具有成本低廉、力學性能優異等諸多優點。然而碳鋼材料本身很容易發生腐蝕，處于管道連接處的碳鋼更是往往具有發生縫隙腐蝕的傾向；縫隙腐蝕一經發生，通常會給工程帶來災難性的后果。因此，縫隙腐蝕一直是工程上極為關注的重點問題。

目前對于縫隙腐蝕機理有兩種理論，臨界縫隙溶液理論（CCST）認為，由于縫隙處原子擴散速率較低，因此往往會發生H⁺和Cl^-的積累，進而產生自催化，加速腐蝕的發生；而IR降理論則認為，腐蝕主要是由于兩電極間的電勢差處于極化曲線的活性區間內，與縫隙內溶液成分無關。進一步研究表明，在富CO₂環境中，溶液中有無乙酸對于碳鋼是否會發生縫隙腐蝕至關重要。乙酸不僅可以降低溶液的pH，也會提高陰極的反應速率，加快腐蝕過程。根據CCST理論，腐蝕過程中氧氣的消耗，Cl^-的積累，金屬離子水解產生的H⁺也會起到自催化作用。目前研究的重點在于各因素的具體影響機理，以期之后能為減緩材料腐蝕提供更多思路。

【成果簡介】

近日來，華中科技大學的張國安（通訊作者）團隊在Corrosion Science上發表題為“The role of acetic acid or H+ in initiating crevice corrosion of N80 carbon steel in CO₂-saturated NaCl solution”的文章，重點介紹了該團隊在N80碳鋼縫隙腐蝕機理方面的最新研究進展。研究表明，縫隙內外氫離子或乙酸的濃度差是發生腐蝕的重要誘因，而通過將電化學腐蝕的兩電極連接起來，可以有效減緩整體材料的腐蝕速率。在同樣pH值的條件下，乙酸環境中的縫隙腐蝕比硫酸環境中的更為嚴重。

【圖文導讀】

圖一：實驗裝置示意圖

(a) 縫隙配置

(b) 實驗裝置原理圖

圖二：CO₂-飽和NaCl溶液環境中的開路電位的時間依賴性

(a) 600mg/L HAc溶液環境

(b) 45mg/L H2SO4溶液環境

(c) 縫隙內外電勢差

圖三：CO₂-飽和NaCl溶液環境中的電偶電流的時間依賴性

等pH條件下(pH=3.24)，醋酸和硫酸溶液中碳鋼縫隙腐蝕的電解偶電流-時間譜

圖四：縫隙內外連接前后CO₂-飽和NaCl溶液環境中電極的EIS圖

(a) 縫隙內電極的Nyquis圖

(b) 縫隙內電極的Bode圖

(c) 縫隙外電極的Nyquis圖

(d) 縫隙外電極的Bode圖

圖五：CO₂-飽和NaCl溶液環境中縫隙內外電極的極化曲線

(a) 縫隙外電極的極化曲線(45 mg/L H₂SO₄ (pH =3.24))

(b) 連接前后縫隙內電極的極化曲線

圖六：未腐蝕電極和與被腐蝕電極相連電極的XPS

(a) C1s的XPS譜

(b) O1s的XPS譜

(c) Fe2p_3/2的XPS譜

圖七：CO₂-飽和NaCl溶液環境中縫隙內外的腐蝕速率

?pH=3.24條件下縫隙內外電極連接前后的腐蝕速率

圖八：縫隙內外電極連接后的電化學腐蝕機理

(a) 假設縫隙內溶解情況不變時的腐蝕情況

(b) 假設縫隙內溶解情況被加劇時的腐蝕情況

【小結】

縫隙內外乙酸分子或氫離子的濃度差能誘發N80碳鋼在富CO₂環境的縫隙腐蝕。將縫隙內外電極連接起來后，縫隙內腐蝕速率加快，縫隙外腐蝕速率降低，且總體腐蝕速率降低。縫隙內氯離子的富集和pH的升高都會促進陰極電解反應的進行。此外，由于乙酸的平衡電勢比氫離子更大，因此乙酸會增大陰極體系的濃度差，加速電解反應的發生，使碳鋼腐蝕加劇。

文獻鏈接：The role of acetic acid or H+ in initiating crevice corrosion of N80 carbon steel in CO₂-saturated NaCl solution?(Corros. Sci., August 28, 2017, DOI: 10.1016/j/corsci.2017.08.028)

本文由材料人編輯部黃子蕓編譯，陳炳旭審核，點我加入材料人編輯部。

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