Corros. Sci. ：CO2-饱和NaCl溶液环境中乙酸及氢离子诱导N80碳钢缝隙腐蚀的机理研究

【引言】

碳钢作为管道传输中的重要材料，具有成本低廉、力学性能优异等诸多优点。然而碳钢材料本身很容易发生腐蚀，处于管道连接处的碳钢更是往往具有发生缝隙腐蚀的倾向；缝隙腐蚀一经发生，通常会给工程带来灾难性的后果。因此，缝隙腐蚀一直是工程上极为关注的重点问题。

目前对于缝隙腐蚀机理有两种理论，临界缝隙溶液理论（CCST）认为，由于缝隙处原子扩散速率较低，因此往往会发生H⁺和Cl^-的积累，进而产生自催化，加速腐蚀的发生；而IR降理论则认为，腐蚀主要是由于两电极间的电势差处于极化曲线的活性区间内，与缝隙内溶液成分无关。进一步研究表明，在富CO₂环境中，溶液中有无乙酸对于碳钢是否会发生缝隙腐蚀至关重要。乙酸不仅可以降低溶液的pH，也会提高阴极的反应速率，加快腐蚀过程。根据CCST理论，腐蚀过程中氧气的消耗，Cl^-的积累，金属离子水解产生的H⁺也会起到自催化作用。目前研究的重点在于各因素的具体影响机理，以期之后能为减缓材料腐蚀提供更多思路。

【成果简介】

近日来，华中科技大学的张国安（通讯作者）团队在Corrosion Science上发表题为“The role of acetic acid or H+ in initiating crevice corrosion of N80 carbon steel in CO₂-saturated NaCl solution”的文章，重点介绍了该团队在N80碳钢缝隙腐蚀机理方面的最新研究进展。研究表明，缝隙内外氢离子或乙酸的浓度差是发生腐蚀的重要诱因，而通过将电化学腐蚀的两电极连接起来，可以有效减缓整体材料的腐蚀速率。在同样pH值的条件下，乙酸环境中的缝隙腐蚀比硫酸环境中的更为严重。

【图文导读】

图一：实验装置示意图

(a) 缝隙配置

(b) 实验装置原理图

图二：CO₂-饱和NaCl溶液环境中的开路电位的时间依赖性

(a) 600mg/L HAc溶液环境

(b) 45mg/L H2SO4溶液环境

(c) 缝隙内外电势差

图三：CO₂-饱和NaCl溶液环境中的电偶电流的时间依赖性

等pH条件下(pH=3.24)，醋酸和硫酸溶液中碳钢缝隙腐蚀的电解偶电流-时间谱

图四：缝隙内外连接前后CO₂-饱和NaCl溶液环境中电极的EIS图

(a) 缝隙内电极的Nyquis图

(b) 缝隙内电极的Bode图

(c) 缝隙外电极的Nyquis图

(d) 缝隙外电极的Bode图

图五：CO₂-饱和NaCl溶液环境中缝隙内外电极的极化曲线

(a) 缝隙外电极的极化曲线(45 mg/L H₂SO₄ (pH =3.24))

(b) 连接前后缝隙内电极的极化曲线

图六：未腐蚀电极和与被腐蚀电极相连电极的XPS

(a) C1s的XPS谱

(b) O1s的XPS谱

(c) Fe2p_3/2的XPS谱

图七：CO₂-饱和NaCl溶液环境中缝隙内外的腐蚀速率

 pH=3.24条件下缝隙内外电极连接前后的腐蚀速率

图八：缝隙内外电极连接后的电化学腐蚀机理

(a) 假设缝隙内溶解情况不变时的腐蚀情况

(b) 假设缝隙内溶解情况被加剧时的腐蚀情况

【小结】

缝隙内外乙酸分子或氢离子的浓度差能诱发N80碳钢在富CO₂环境的缝隙腐蚀。将缝隙内外电极连接起来后，缝隙内腐蚀速率加快，缝隙外腐蚀速率降低，且总体腐蚀速率降低。缝隙内氯离子的富集和pH的升高都会促进阴极电解反应的进行。此外，由于乙酸的平衡电势比氢离子更大，因此乙酸会增大阴极体系的浓度差，加速电解反应的发生，使碳钢腐蚀加剧。

文献链接：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)

本文由材料人编辑部黄子芸编译，陈炳旭审核，点我加入材料人编辑部。

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