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

酸性土壤環境下，X80鋼剝離涂層下的局部化學-電化學和應力腐蝕敏感性

來源：Construction and Building Materials 243 (2020) 118203

 

1. 論文摘要核心內容

 

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行為與應力腐蝕開裂（SCC）機制：

 

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

 

 

 

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

 

SCC敏感性分布呈“兩端高、中間低”特征：剝離區入口（-1000 mV）和底部（-704.5 mV）因析氫反應（HER）和局部腐蝕呈現高SCC風險（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-電化學狀態演變規律，定量評估X80鋼SCC敏感性，為管道陰極保護優化提供理論依據。

 

3. 研究思路

 

1.模擬剝離系統構建：

 

設計有機玻璃-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，通過預埋電極監測電位梯度（圖3）。

 

 

2.局部環境監測：

 

Unisense微電極實時測量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敏感性評估：

 

基于實測數據配制模擬溶液（YTD0-YTD25，表3）。

 

慢應變速率拉伸試驗（SSRT，應變率10?? s?1）評估不同位置SCC敏感性（圖7, 圖8）。

 

 

掃描電鏡（SEM）分析斷口形貌（圖9, 圖10）。

 

 

 

4. 關鍵數據及其意義

（1）Unisense微電極DO/pH數據（圖4）

 

數據：

 

DO在2天內從8.3 mg/L驟降至<2 mg/L（全剝離區缺氧）。

 

pH梯度分化：近入口區升至11，底部降至~5（酸積累）。

 

意義：首次揭示酸性土壤中陰極保護下閉塞區化學狀態的動態演化，解釋底部酸性腐蝕環境成因。

 

（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（遷移數效應+Fe2?水解驅動）。

 

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

 

意義：Cl?富集與低pH協同促進局部腐蝕，HCO??耗竭削弱緩沖能力。

 

（3）電位梯度（圖3）

 

數據：底部電位僅-704.5 mV（無法達到-1000 mV設定值）。

 

意義：證實剝離區存在IR降，陰極保護電流難以到達底部。

 

（4）SCC敏感性（圖7, 圖8）

 

數據：

 

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：電位和局部環境共同決定SCC空間異質性。

 

（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）。

 

意義：驗證HER主導入口/底部SCC，中部以陽極溶解抑制為主。

 

5. 丹麥Unisense電極數據的專項解讀

（1）技術突破性

 

毫米級分辨率：穿透生物膜層實時監測DO/pH（0.02s/點），傳統方法無法實現。

 

雙校準保障：采用CAL300腔室（大氣氧）和抗壞血酸鈉（缺氧參照），確保數據可靠性。

 

（2）科學價值

 

1.揭示腐蝕驅動機制：

 

DO驟降（圖4a）引發缺氧-酸化惡性循環：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???），驅動強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（Nernst方程：E? = -0.0591×pH）。

 

臨界電位=-750 mV：低于此值陰極保護失效（圖3）。

3.指導工程防護：

 

電位監測點優化：需在剝離區底部增設參比電極。

 

保護電位調整：酸性土壤中-1000 mV???加劇底部HER，建議調至-850~-900 mV???。

 

6. 研究結論

 

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

2.SCC機制分區：

 

入口/底部：強HER引發氫脆（延伸率損失>37%）。

 

中部：有效陰極保護，SCC敏感性低。

3.防護啟示：酸性土壤中需避免過保護（-1000 mV???），優化電位監測點位。

 

Unisense電極數據的工程意義

 

該技術不僅闡明微觀機制，更提供管道完整性管理新策略：

 

 

風險點位定位：基于DO/pH梯度精準識別高SCC風險區（剝離底部）。

 

陰極保護智能調控：結合實時電位-DO數據動態調整輸出。

 

涂層修復優先級：優先修復檢測到DO驟降的剝離區。