CN101726455A

CN101726455A - 一种采用外加恒电流快速评价焊管沟槽腐蚀敏感性的方法

Info

Publication number: CN101726455A
Application number: CN200810201900A
Authority: CN
Inventors: 王炜; 齐慧滨; 钱余海; 周庆军
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2008-10-29
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2028-10-29
Also published as: CN101726455B

Abstract

一种采用外加恒电流快速评价焊管沟槽腐蚀敏感性的方法，通过测量焊缝样品的电化学阻抗EIS曲线，得到其极化电阻R_p，根据对不同焊管产品沟槽腐蚀测试结果的统计推断出ΔE值，由公式i＝ΔE/R_p计算出测试时所应施加的外加电流，将测试方法由采用恒电位加速改为恒电流加速，并按照不同比例提高外加电流，因此在测试试样腐蚀程度相同的前提下，测试时间可以与提高电流等比例缩减，实现准确、快速评价沟槽腐蚀敏感性。

Description

一种采用外加恒电流快速评价焊管沟槽腐蚀敏感性的方法

技术领域

本发明涉及焊管沟槽腐蚀敏感性测试方法，特别涉及一种采用外加恒电流快速评价焊管沟槽腐蚀敏感性的方法。

背景技术

在国内外通行的评价方法中，一般将试样加工成20×15×3mm的试样(20mm为垂直焊缝方向)，外加-550mV/SCE的电位，在3.5％NaCl溶液中加速腐蚀144h，然后通过金相观察的方法测定沟槽腐蚀深度h₂并计算出沟槽腐蚀系数：α＝1+h₂/h₁(h₂为沟槽腐蚀深度，h₁为试样按失重计算所得平均腐蚀深度)，利用α≤1.3作为HFW焊管产品沟槽腐蚀性能合格的判据。

实践证明，上述测试方法存在两个明显缺陷：

(1)外加电位数值不合理：外加电位的目的是要使热影响区(熔合线)及基材的腐蚀加速，凸显两者之间的腐蚀速度差异，但由于焊管材料本身电化学性质存在差异，其腐蚀电位相差较大，外加统一的一550mV/SCE电位，对不同母材和焊缝实际起到的加速程度相差很大，导致所测不同品种焊管的沟槽腐蚀性能不具可比性，甚至有的焊管焊缝区由于腐蚀电位较正，外加-550mV电位相反起到阴极保护作用，热影响区(熔合线)和基材的腐蚀速度都将受到抑制，因而测量的沟槽腐蚀系数不准确。

(2)测试周期过长：在测试过程中，仅电解腐蚀试验就需要144h，整个测试周期超过150h，成为影响产品交货周期的重要因素之一。

电化学阻抗(Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS)测试技术以往多应用于涂层失效电化学分析或材料耐蚀性能的评价，至目前为止，还未有文献报道将其应用于沟槽腐蚀敏感性的表征。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用外加恒电流快速评价焊管沟槽腐蚀敏感性的方法，准确、快速评价沟槽腐蚀敏感性。

本发明的技术方案是，为了改进以上恒电位加速腐蚀测试方法中的缺陷，本发明通过测量焊缝样品的EIS曲线，得到其极化电阻R_p，根据对不同焊管产品沟槽腐蚀测试结果的统计推断出ΔE值，由公式i＝ΔE/R_p计算出测试时所应施加的外加电流，将测试方法由采用恒电位加速改为恒电流加速，并按照不同比例提高外加电流，因此在测试试样腐蚀程度相同的前提下，测试时间可以与提高电流等比例缩减。

具体地，一种采用外加恒电流快速评价焊管沟槽腐蚀敏感性的方法，具包括如下步骤：

1)样品制备和称量：在试样外表面焊接导线，用环氧树脂封固试样，对内表面进行水砂纸打磨抛光；然后对样品进行称量；

2)在电解池中注入电介质溶液，将工作电极即试样、参比电极和辅助电极安装到位：

工作电极：试样的连接采用硬质包皮铜芯导线，将其中的一端与处理好的试样的非测量面焊接，然后用树脂封固和进行常规表面打磨和处理，形成工作电极；

参比电极：将鲁金毛细管插入电解池，鲁金毛细管内注入琼脂和饱和氯化钾溶液，调整毛细管尖部与工作电极的相对位置；然后将饱和甘汞电极插入鲁金毛细管中，并注入饱和氯化钾溶液；

辅助电极：辅助电极采用方形或者圆形石墨片，将硬质包皮铜芯导线去掉绝缘层穿过石墨片并固定，调整好辅助电极与工作电极的相对位置；

3)电化学阻抗EIS曲线测试，将试样在电介质溶液中浸泡1～3h后，采用恒电位/恒电流仪测量试样的电化学阻抗EIS曲线、记录此时试样的开路电位E_corr；按照等效电路模式R_s(C_dlR_p)或R_s(Q_dlR_p)拟合EIS曲线，得到焊缝试样的极化电阻R_p，R_s为溶液电阻，C_dl或Q_dl为双电层电容；

其中，电介质溶液采用浓度为1％～5％NaCl溶液，溶液温度范围为15℃～60℃，扫描频率范围为1M～10mHz；频率振幅范围为5mV～20mV；

4)外加电流以及加速时间的确定：

外加电流：从EIS曲线得到极化电阻R_p，由公式i＝ΔE/R_p计算出所应施加的外加电流i，其中ΔE值的确定来自于已有测试结果的统计，ΔE近似选择50～200mV；

加速时间：增大外加电流可以进一步缩短加速时间，外加电流范围为i～48i，加速时间相应地为144h～3h；

5)加速电解测试：在恒电位/恒电流仪中输入所选择的外加电流，对样品加速电解相应的时间；

6)加速电解试验结束后，清理、清洗样品，对样品进行称量，由样品腐蚀失重换算出其平均腐蚀深度h₁，然后测量腐蚀沟槽深度h₂，由公式α＝1+h₂/h₁可以得到沟槽腐蚀系数α。

进一步，试样测试前浸泡时间范围为0.5h～2h。

又，本发明中，试样尺寸为20～40mm(垂直焊缝方向)×15～40mm(平行焊缝方向)×2～5mm(焊缝深度方向)。

本发明中，用金相比图测量或者千分尺直接测量腐蚀沟槽深度h₂。

用ZSimp Win软件按照等效电路模式R_s(C_dlR_p)或R_s(Q_dlR_p)拟合EIS曲线。

另外，本发明中，恒电位/恒电流仪选用普林斯顿VMP3多通道。

本发明的有益效果：

本发明通过测量焊缝样品的EIS曲线，得到其极化电阻R_p，根据统计推断出的ΔE值，由公式i＝ΔE/R_p计算出测试时所应施加的外加电流大小，据此适当加大外加电流，改恒电位加速为恒电流法加速，与现有测量方法相比，本发明显著缩短了测试时间，测试结果更为准确、可靠。

附图说明

图1为本发明焊管沟槽腐蚀敏感性测试电解池的结构示意图；

图2为本发明以N80-Q钢HFW焊管为例在25℃、3.5％NaCl溶液中浸泡1.5h所测得的Nyquist图；

图3a～图3c为本发明N80-Q钢HFW焊管在不同腐蚀试验条件下的微观形貌、沟槽深度和沟槽腐蚀系数；

其中，图3a所示为外加电位-550mV，加速腐蚀144h，沟槽腐蚀系数α＝1+0.29/0.95＝1.31；

图3b所示为外加电流为135.864mA，加速腐蚀6h，沟槽腐蚀系数α＝1+0.21/0.89＝1.24；

图3c所示为常规的测试方法，3.5％NaCl溶液，自然浸泡90d，沟槽腐蚀系数α＝1+0.17/0.81＝1.21。

具体实施方式

参见图1，本发明焊管沟槽腐蚀敏感性测试电解池，其包括容器1，具有一腔体101，其顶面开有排气孔102及溶液注入口103，底部设排出口104；

样品制备和称量：线切割内焊缝得到20mm(垂直焊缝方向)×15mm(平行焊缝方向)×3mm(焊缝深度方向)的试样，在试样外表面焊接导线，用环氧树脂封固试样，对内表面进行水砂纸打磨抛光，表面光洁度Ra值小于1μm。将样品用无水乙醇脱脂处理，并放入干燥器中存放24h。然后用电子天平对样品进行称量，精确至0.001g。

工作电极：试样2的连接采用硬质包皮铜芯导线3，首先将导线3两端的绝缘层去掉10mm左右，将其中的一端与处理好的试样2的背面(非测量面)焊接，然后用树脂封固和进行常规表面打磨和处理，试样2、导线3形成工作电极。将硬质包皮铜芯导线3穿过电解池容器1外盖上固定的接线柱9，确定试样2的上下位置和方向，用紧固螺栓固定。

参比电极：将鲁金毛细管5(内注入琼脂+饱和氯化钾溶液)插入容器1，调整毛细管尖部与工作电极即试样2、导线3的相对位置，二者相距2～3mm为宜。鲁金毛细管5顶端要从容器1上盖突出1～2cm，用防滑套6固定，以防止鲁金毛细管5滑脱。然后将饱和甘汞电极7插入鲁金毛细管5中，并注入饱和KCl溶液。此处特别强调在毛细管与饱和甘汞电极的接口处采用石蜡密封，防止长期试验中毛细管内KCl溶液蒸发。

辅助电极：辅助电极8采用方形或者圆形石墨片。以圆片电极为例，直径可选40～50mm，在靠近边部钻一直径为2～3mm小孔，将硬质导线4去掉绝缘层穿过小孔并固定，然后用704胶或石蜡对接头部位进行防水密封。将硬质导线4穿过上盖的接线柱10，调整好辅助电极与工作电极的相对位置(相距10～15mm)后，拧紧螺栓固定；

测试电介质采用25℃、3.5％NaCl溶液，在电解池中注入溶液，将工作电极(试样)、参比电极和辅助电极安装到位，将试样在溶液中浸泡1.5h，开启电化学设备，进行EIS曲线测试。扫描频率范围为100KHz～100mHz，频率振幅选为10mV，测试结果见图2。用ZSimpWin阻抗解析软件拟合得到焊缝样品的极化电阻R_p＝53Ω·cm²。

外加电流以及加速时间的确定：

由公式i＝ΔE/R_p计算得到测试时间为144h时所应施加的外加电流密度i为1.887mA·cm^-2，为了快速得到可靠的结果，设计进行24倍加速，此时外加在试样上的总电流为I＝24i×A＝24×1.887mA·cm^-2×(2×1.5)cm²＝135.864mA(A为试样测试面积)，相应的腐蚀加速时间为6h。

加速电解试验结束后，用软毛刷清理样品表面的腐蚀产物并用酒精清洗，热风吹干，用电子天平对样品进行称量，精确至0.001g。由样品腐蚀失重换算出其平均腐蚀深度h₁，然后通过金相比图测量或者千分尺直接测量腐蚀沟槽深度h₂，由公式α＝1+h₂/h₁可以得到沟槽腐蚀系数α。

恒电流加速法与恒电位法和自然浸泡90d所得结果的比较：

(a)外加电位一550mV，加速腐蚀144h，

沟槽腐蚀系数α＝1+0.29/0.95＝1.31；

(b)外加电流为135.864mA，加速腐蚀6h，

沟槽腐蚀系数α＝+0.21/0.89＝1.24；

(c)3.5％NaCl溶液，自然浸泡90d，

沟槽腐蚀系数α＝1+0.17/0.81＝1.21；

为了显示恒电流加速测试方法的可靠性，对同一种试样采用不同方法进行了测试对比，结果如图3a～图3c所示，其中，h₂为腐蚀沟槽深度，L₀为测量基准线。

由图3a～图3c可见：与常规的恒电位加速测试方法相比，恒电流加速测试的结果与自然浸泡90d的结果更为一致，而长时间自然浸泡的结果能真实反映焊缝的沟槽腐蚀性能，因此恒电流加速测试方法更为可靠。此外，上述恒电流法24倍加速测试总耗时(制样、浸泡、EIS曲线测试、加速腐蚀......)不超过8h，比“外加电位-550mV、加速腐蚀144h”的方法所耗时间(150h左右)大幅缩短。

本发明通过测量焊缝样品的EIS曲线，得到其极化电阻R_p，根据统计推断出的ΔE值，由公式i＝ΔE/R_p计算出测试时所应施加的外加电流大小，据此适当加大外加电流，改恒电位加速为恒电流法加速，显著缩短了测试时间，使测试结果更为准确、可靠。

Claims

1.一种采用外加恒电流快速评价焊管沟槽腐蚀敏感性的方法，其包括如下步骤：

4)外加电流以及加速时间的确定：

外加电流：从EIS曲线得到极化电阻R_p，由公式i＝ΔE/R_p计算出所应施加的外加电流i，其中ΔE值的确定来自于已有测试结果的统计，ΔE选择50～200mV；

加速时间：增大外加电流进一步缩短加速时间，外加电流范围为i～48i，加速时间相应地为144h～3h；

6)加速电解试验结束后，清理、清洗样品，对样品进行称量，由样品腐蚀失重换算出其平均腐蚀深度h₁，然后测量腐蚀沟槽深度h₂，

由公式α＝1+h₂/h₁可以得到沟槽腐蚀系数α。

2.如权利要求1所述的采用外加恒电流快速评价焊管沟槽腐蚀敏感性的方法，其特征是，试样测试前浸泡时间范围为0.5h～2h。

3.如权利要求1或2所述的采用外加恒电流快速评价焊管沟槽腐蚀敏感性的方法，其特征是，试样尺寸为20～40mm(垂直焊缝方向)×15～40mm(平行焊缝方向)×2～5mm(焊缝深度方向)。

4.如权利要求1所述的采用外加恒电流快速评价焊管沟槽腐蚀敏感性的方法，其特征是，采用金相比图测量或者千分尺直接测量腐蚀沟槽深度h₂。

5.如权利要求1所述的采用外加恒电流快速评价焊管沟槽腐蚀敏感性的方法，其特征是，用ZSimpWin软件按照等效电路模式R_s(C_dlR_p)或R_s(Q_dlR_p)拟合EIS曲线。

6.如权利要求1所述的采用外加恒电流快速评价焊管沟槽腐蚀敏感性的方法，其特征是，恒电位/恒电流仪选用普林斯顿VMP3多通道。