Corrors. Sci.：含乙酸的飽和二氧化碳NaCl溶液中，應力和縫隙對N80碳鋼腐蝕行為的協同效應

【引言】

縫隙腐蝕，是最危險的局部腐蝕之一，在短時間內就會在金屬表面產生局部缺陷，易形成隱患。開采石油和天然氣的井下管道，由于腐蝕性介質通過螺紋進入縫隙，易產生縫隙腐蝕。在CO₂氣氛中，尤其是在含有有機酸的腐蝕性介質中，碳鋼經常產生局部腐蝕。目前，在只有縫隙或應力存在時，對縫隙腐蝕和應力腐蝕裂紋敏感性有廣泛的研究，但是在裂縫和應力共存下對鋼的腐蝕研究很少，尚不清楚鋼的腐蝕中應力和裂紋的關系。本文則研究了拉伸應力和縫隙共存時，N80碳鋼在含有600mg/LHAc飽和CO₂的1.65wt％NaCl溶液中的腐蝕行為。

【成果簡介】

近日，華中科技大學張國安教授（通訊作者）在Corrosion Science上發表了題為“Synergistic effect of stress and crevice on the corrosion of N80 carbon steel in the CO₂-saturated NaCl solution containing acetic acid”的文章。該文章研究了在含有600mg/LHAc飽和CO₂的1.65wt％NaCl溶液中，N80碳鋼在應力和縫隙共存下的腐蝕行為，證明了腐蝕活性隨應力增加而增強。在縫隙口形成深腐蝕坑，導致應力集中，增加了應力腐蝕裂紋（SCC）的敏感性。同時應力集中也增大了縫隙腐蝕的驅動力。因此，應力和縫隙對鋼的腐蝕有協同作用。

【圖文解讀】

圖一 N80碳鋼在空氣中的應力（σ）- 應變（ε）曲線

拉伸強度和屈服強度分別為706.4 MPa和479.2 MPa。

圖二 平面拉伸試樣

按照GB / T 15970的標準進行加工。除了暴露區域的表面外，用絕緣漆涂覆試樣。測試前，用800粒度的碳化硅紙將所有樣品磨損，然后用丙酮脫脂并用蒸餾水清洗。

圖三 電化學阻抗譜（EIS）測量示意圖

不同應力（無縫隙）下的電化學測量，通過壓縮彈簧對樣品施加不同的拉伸應力。

圖四 電流測量示意圖

WE1：具有應力和/或縫隙的試樣

WE2：沒有應力和縫隙的試樣

圖五 腐蝕溶液中開路電位的時間相關性

腐蝕介質中，N80碳鋼在各種應力（無縫隙）下的腐蝕電位的時間相關性。可以看出，在初始階段腐蝕電位向負方向偏移，然后逐漸達到相對穩定的值。

圖六 不同應力下N80碳鋼的EIS圖

(a) 0 MPa，奈奎斯特圖

(b) 0MPa，伯德圖

(c) 100 MPa，奈奎斯特圖

(d) 100 MPa，伯德圖

(e) 300 MPa，奈奎斯特圖

(f) 300 MPa，伯德圖

(g) 450 MPa，奈奎斯特圖

(h) 450 MPa，伯德圖

圖七 不同時間下EIS的等效電路模型

(a) 2h

(b) 4h, 46h, 120h

圖八 N80碳鋼電荷轉移電阻（Rct）的時間相關性

在不同應力（無縫隙）的情況下，N80碳鋼在腐蝕介質中電荷轉移電阻（Rct）的時間相關性。

圖九 不同應力下，腐蝕前后的SEM表面形貌

(a)腐蝕前

(b) 0 MPa，腐蝕120h后

(c) 100 MPa，腐蝕120h后

(d) 300 MPa，腐蝕120h后

(e) 450 MPa，腐蝕120h后

圖十 不同應力下，腐蝕120h后樣品的EIS曲線

（a）0 MPa

（b）100 MPa

（c）300 MPa?

（d）450 MPa

圖十一 腐蝕后樣品縫隙口處的三維腐蝕剖面和橫截面深度

(a,b) 0 MPa

(c,d) 100 MPa

(e,f) 300 MPa

圖十二 不同應力下，腐蝕后樣品的電位曲線與電流效應

(a) 0 MPa

(b) 100 MPa

(c) 300MPa

(d) 450 MPa

(e) 電流

圖十三 腐蝕后樣品的電流效應

(a)WE1&WE2無縫隙，無應力。

(b)WE1有縫隙，無應力；WE2無縫隙，無應力。

(c)WE1無縫隙，300MPa；WE2無縫隙，無應力。

(d)WE1有縫隙，300MPa；WE2無縫隙，無應力。

圖十四 試樣腐蝕前的馮.米塞斯應力分布

(a) 800N

(b) 2400N

(c) 3600N

圖十五 試樣腐蝕后的馮.米塞斯應力分布

(a) 整體試樣網格

(b) 整體試樣馮.米塞斯應力分布

(c) 試樣腐蝕槽網格

(d) 腐蝕槽區域馮.米塞斯應力分布

圖十六 腐蝕槽深度與應力臨界值

試樣腐蝕168h后，腐蝕槽深度隨應力增大而增大，687MPa時達到屈服強度，產生塑性變形。

【小結】

本文介紹了在含有600mg/LHAc飽和CO₂的1.65wt％NaCl溶液中，N80碳鋼的腐蝕行為中，拉伸應力與裂紋的關系，得出了如下結論：

（1）隨著N80碳鋼的腐蝕應力增加，腐蝕電位變大，腐蝕速率提高。

（2）在縫隙存在的情況下，可能發生N80碳鋼的縫隙腐蝕，并且在縫隙口處形成深腐蝕槽，施加應力時，腐蝕槽會引起應力集中，提高鋼的SCC敏感性。

（3）腐蝕槽處的應力集中導致縫隙口處電位的負向偏移。碳鋼內外縫隙之間產生較大的腐蝕驅動力，對鋼鐵造成更嚴重的腐蝕。因此，600mg/LHAc飽和CO₂的1.65wt％NaCl溶液中，縫隙和應力對N80碳鋼的腐蝕具有協同效應。

文獻鏈接：Synergistic effect of stress and crevice on the corrosion of N80 carbon steel in the CO₂-saturated NaCl solution containing acetic acid（Corrors. Sci, May 05, 2017, DOI: 10.1016/j.corsci.2017.05.005）

本文由材料人編輯部陳炳旭編譯，周夢青審核，點我加入材料人編輯部。