CN112539996A - 确定阴极保护负临界电位区间的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开确定阴极保护负临界电位区间的方法，通过拟合分析不同阴极保护电位下的电化学阻抗谱，得到一个电荷转移电阻的峰值电位，以该电位作为阴极保护负临界电位区间的上限；以慢应变速率拉伸实验得到不同保护电位下的拉伸应变‑应力曲线并以此计算断裂能E随阴极保护电位变化关系曲线，曲线中第一个拐点为阴极保护负临界电位区间的下限。本发明的技术方案方便简洁，快速科学，适用于工程实际需要。

Description

确定阴极保护负临界电位区间的方法
技术领域
本发明属于金属防腐技术领域，更加具体地说，涉及一种阴极保护过程中确定负临界电位区间的方法。
背景技术
阴极保护作为目前广泛应用的一种遏止金属腐蚀的手段，在其应用过程中，阴极保护电位的选择对金属能否被有效保护至关重要。保护电位过正，金属保护不足，不能有效减缓腐蚀损伤；保护电位过负，则可能导致阴极过保护析氢，产生的氢原子渗透金属基体内，导致金属材料氢脆失效。现有阴极保护制度是依据低强度钢制定的，其保护电位范围为-0.85V到-1.2Vvs.CSE。但对于应用日益广泛的高强度钢，其氢脆敏感性大，现有阴极保护准则的适用性引起相关科研工作者的普遍关注。
发明内容
本专利的目的在于克服现有技术的不足，提供一种确定阴极保护负临界电位区间的方法。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。
确定阴极保护负临界电位区间的方法，按照下述步骤进行：
步骤1，将样品进行动电位阴极极化曲线测试，以得到电流基本不发生变化的阴极极化电流和与之对应的氧渗透检测电位范围；
在步骤1中，选择样品在3.5wt％NaCl水溶液中20℃下进行实验。
步骤2，在步骤1确定的氧渗透检测电位范围内选择不同保护电位，对样品进行电化学阻抗谱测试，并对测得数据进行拟合，得到不同保护电位下的体系电荷转移电阻随保护电位变化的关系曲线图，图中电荷转移电阻峰值所对应电位为样品材料的阴极保护负临界电位区间的上限。
在步骤2中，选择样品在3.5wt％NaCl水溶液中20℃下进行实验。
在步骤2中，选择采用ZSimpWin软件对电化学阻抗谱测试数据进行拟合。
步骤3，在步骤2选择的不同保护电位下，对预充氢的样品进行慢应变速率拉伸实验，以得到不同保护电位下的拉伸应变-应力曲线并计算断裂能E，得到断裂能E—不同(阴极)保护电位的变化关系曲线；在该曲线中，断裂能变化情况相对最大的范围所对应的电位范围内的最大电位，作为阴极保护负临界电位区间的下限。
在步骤3中，在断裂能E—不同(阴极)保护电位的变化关系曲线中，出现两个明显拐点，拐点之间反应了材料由塑性到脆性的转变过程，选择第一个拐点对应的电位作为阴极保护负临界电位区间的下限，该电位称之为脆变电位。
在步骤3中，在步骤2选择的不同保护电位下，对样品进行预充氢，如6—24小时，使得氢原子能有足够时间进入材料内部。
在步骤3中，进行慢应变速率拉伸实验时，以10-6/s的应变速率进行拉伸至试样断开。
与现有技术相比，高强钢氢脆敏感性受环境影响大，不同服役状况下的阴极保护准则需视条件而定，本发明公开一种结合电化学测试与慢应变速率拉伸实验确定阴极保护负临界电位区间的方法，这一能够及时准确，方便快捷地予以确认电位区间，适合于工程推广使用。
附图说明
图1为本发明中X80钢在3.5wt％NaCl介质中20℃下动电位阴极极化曲线图。
图2为本发明中X80钢在3.5wt％NaCl介质中20℃下Rt-E曲线图。
图3为本发明中X80钢在3.5wt％NaCl介质中20℃下断裂能-电位关系曲线图。
图4a为本发明中X80钢在不同阴极保护电位下的应力-应变曲线图(1)。
图4b为本发明中X80钢在不同阴极保护电位下的应力-应变曲线图(2)。
图4c为本发明中X80钢在不同阴极保护电位下的应力-应变曲线图(3)。
图4d为本发明中X80钢在不同阴极保护电位下的应力-应变曲线图(4)。
图4e为本发明中X80钢在不同阴极保护电位下的应力-应变曲线图(5)。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。以X80钢为例进行详细说明。
首先，确定阴极保护大致的电位区间
利用美国普林斯顿公司生产的PARSTAT 2273电化学工作站以0.5mV/s的扫描速率测得X80钢在相应条件下的动电位阴极极化曲线，如图1所示。X80钢在3.5wt％NaCl水溶液中20℃下的实验，曲线中氧扩散控制区段(大约-700～-1000mV)，电位随电流变化快(或者说在一定范围的电位下，电流基本不发生变化)，即在氧渗透检测电位下对应的阴极极化电流，通常阴极保护就在这个电位范围内选择，从而减小能源的浪费。
第二，阴极保护负临界电位区间上限的确定
在步骤1中确定的电流基本不发生变化的电位区段选择不同保护电位，在相应条件下对所研究材料(X80钢)在不同阴极保护电位下进行电化学阻抗谱测试，采用ZSimpWin软件并选择合适模拟电路对测得数据进行拟合，得到不同保护电位下的体系电荷转移电阻随保护电位变化的关系曲线图，如附图2所示。电荷转移电阻随电位负移，先增大后减小，峰值所对应电位为材料在该条件下的真实析氢电位，以该电位作为阴极保护负临界电位区间的上限，以图2所示的X80钢在3.5％NaCl溶液中20℃下的Rt—E曲线图，该条件下的保护负临界电位区间上限为-850mV(vs.SCE)。
第三，阴极保护负临界电位区间下限的确定：
采用上海凯尔孚应力腐蚀实验设备有限公司生产的CFS-100应力腐蚀实验设备以10-6/s的应变速率进行慢应变速率拉伸实验得到不同阴极保护电位下的应力-应变曲线，如附图4a—4e所示，每次拉伸开始前，试样都使用ZF3恒电位仪在相应的阴极保护电位下预充氢6h，使得氢原子能有足够时间进入材料内部，此后根据应力—应变曲线计算不同阴极保护电位下的断裂能并做出断裂能随阴极保护电位的变化关系曲线，如附图3所示。其中断裂能的计算参考黄彦良等编著的《海洋大气腐蚀环境下钢材氢脆理论及应用》，科学出版社，2016年2月1日出版第27页及相关页。
如附图3所示，断裂能-电位关系曲线图出现两个拐点A和B，拐点之间对应的电位区间内材料塑性衰减相对较快，图中其他区域的塑性衰减相对较慢，因此定义第一个拐点(即点A)所对应的电位为材料在该条件下的脆变电位，以此电位作为阴极保护负临界电位区间的下限，即在曲线中，断裂能变化相对最大的范围对应的电位范围内的最大电位。以图3所示的X80钢在3.5％NaCl溶液中20℃下的实验为例：该条件***极保护负临界电位区间下限为-900mV(vs.SCE)。
通过以上方法判定的X80钢在3.5％NaCl介质中20℃下的阴极保护负临界电位区间为-850mV到-900mV(vs.SCE)，也就是说阴极保护过程中，施加的阴极保护电位的下限需在这个范围内，负于这个范围，则会因为过保护析出大量氢致使材料变脆失效。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.确定阴极保护负临界电位区间的方法，其特征在于，按照下述步骤进行：
步骤1，将样品进行动电位阴极极化曲线测试，以得到电流基本不发生变化的阴极极化电流和与之对应的氧渗透检测电位范围；
步骤2，在步骤1确定的氧渗透检测电位范围内选择不同保护电位，对样品进行电化学阻抗谱测试，并对测得数据进行拟合，得到不同保护电位下的体系电荷转移电阻随保护电位变化的关系曲线图，图中电荷转移电阻峰值所对应电位为样品材料的阴极保护负临界电位区间的上限；
步骤3，在步骤2选择的不同保护电位下，对预充氢的样品进行慢应变速率拉伸实验，以得到不同保护电位下的拉伸应变-应力曲线并计算断裂能E，得到断裂能E—不同(阴极)保护电位的变化关系曲线；在该曲线中，断裂能变化情况相对最大的范围所对应的电位范围内的最大电位，作为阴极保护负临界电位区间的下限。
2.根据权利要求1所述的确定阴极保护负临界电位区间的方法，其特征在于，在步骤1中，选择样品在3.5wt％NaCl水溶液中20℃下进行实验。
3.根据权利要求1所述的确定阴极保护负临界电位区间的方法，其特征在于，在步骤2中，选择样品在3.5wt％NaCl水溶液中20℃下进行实验。
4.根据权利要求1所述的确定阴极保护负临界电位区间的方法，其特征在于，在步骤2中，选择采用ZSimpWin软件对电化学阻抗谱测试数据进行拟合。
5.根据权利要求1所述的确定阴极保护负临界电位区间的方法，其特征在于，在步骤3中，在断裂能E—不同(阴极)保护电位的变化关系曲线中，出现两个明显拐点，拐点之间反应了材料由塑性到脆性的转变过程，选择第一个拐点对应的电位作为阴极保护负临界电位区间的下限，该电位称之为脆变电位。
6.根据权利要求1所述的确定阴极保护负临界电位区间的方法，其特征在于，在步骤3中，进行慢应变速率拉伸实验时，以10-6/s的应变速率进行拉伸至试样断开。
7.根据权利要求1所述的确定阴极保护负临界电位区间的方法，其特征在于，在步骤3中，在步骤2选择的不同保护电位下，对样品进行预充氢，如6—24小时，使得氢原子能有足够时间进入材料内部。
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