一种土壤环境阴极保护电位范围评价方法

技术领域

本发明属于金属材料阴极保护技术领域，特别是提供了一种在土壤环境下阴极保护电位范围评价方法。

背景技术

阴极保护技术是防腐蚀领域最重要的技术之一。特别是埋地管线等承压设施，其所经或所处地区土壤条件复杂多变，再加上可能存在一定的交流杂散电流（通常认为腐蚀性弱、不做针对性防护）的干扰，往往导致常规阴极保护条件不能有效减缓埋地钢制管道或承压设备发生土壤环境腐蚀破坏，导致巨大的经济损失甚至人员伤亡，因此必须要用阴极保护技术进行防腐蚀。依据国际标准NACE RP 0169，通常情况下埋地管线的阴极保护范围是-850mV_CSE~-1200mV_CSE(相对饱和 Cu /CuSO₄参比电极，CSE)或-775 mV_SCE~-1125 mV_SCE(相对饱和甘汞电极，SCE)。但是实际的施工过程发现依据此标准进行阴极保护的管道仍然会发生点蚀、应力腐蚀等局部腐蚀，因此标准中规定的阴极保护范围只能对均匀腐蚀的防止有很好的效果，而不能解决局部腐蚀的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种土壤环境阴极保护电位范围有效性的快速评价方法，可以解决利用国际标准阴极保护范围不能够有效的防止土壤中材料的局部腐蚀问题。

本发明的技术方案是：一种土壤环境阴极保护电位范围评价方法，具体包括以下步骤：

步骤1：将待测土壤经过烘干在温度为85~105℃、研磨，用20目的筛子过筛后，用水与土壤1：1的比例配制成土壤溶液，备用；

步骤2：将待测金属用环氧树脂把实验用的材料镶嵌起来，工作面积为10mm×10mm，用200、600、800号金相砂纸逐级打磨至光亮，用无水乙醇和丙酮进行脱脂，用蒸馏水冲洗，吹干，作为工作电极，将所述工作电极浸入到步骤1制备得到的土壤溶液的浸出液中15~50 min，待电位稳定后进行测量，与辅助电极和参比电极，装入三电极体系进行极化曲线的测量；

步骤3：选取0.5 mV/s、5 mV/s、10 mV/s、25 mV/s、50 mV/s、100 mV/s和150 mV/s7种不同扫描速率做出极化曲线，其中，0.5 mV/s扫描速率处于准平衡态，是电化学极化曲线测试中常用的稳态扫描速率，为慢速扫描曲线；当扫描速率≤50 mV/s时的极化曲线达到亚稳态，50mV/s、100mV/s和150mV/s三条极化曲线基本一致，均具有代表性，选择100mV/s的曲线作为快速扫描极化曲线；根据慢速和快速扫描曲线的零电流电位的差异将电位范围分成三个区间，三个区分别为：快速和慢速扫描曲线的零电流电位之间的电位区间为I区，从快速扫描的零电流电位至-1125mV_SCE为Ⅱ区，-1125mV_SCE以下为Ⅲ区；根据国际标准NACE RP 0169，I区、Ⅱ区为阴极保护电位区。但是，I区虽然能够有效减低均匀腐蚀速率，但有发生局部腐蚀的可能；Ⅱ区均匀腐蚀和局部腐蚀均不易发生；Ⅲ区可能处于过保护电位范围内，存在氢脆的风险；因此，Ⅱ区为本方法所确定的适宜的阴极保护电位区。

进一步，所述参比电极为饱和甘汞电极SCE；铂片为辅助电极

根据国际标准，Ⅰ区和Ⅱ区的电位均可以起到阴极保护的作用，但是在实际施工过程发现：如果将阴极保护电位设为Ⅰ区的电位，则仍然不可避免的会发生点蚀、应力腐蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀；同时由于杂散电流等外部不利条件的存在，都会使土壤中的材料发生腐蚀。

如果将阴极保护的电位设为Ⅲ区的电位，则土壤中的材料会发生“过保护”的现象，即过低的保护电位会造成土壤中的材料的防腐层漏点处大量析出氢气，造成涂层阴极剥离，不仅使防腐层失效，而且还可导致金属材料产生氢脆进而导致管道断裂事故。

而Ⅱ区中阴极保护电位则能有效的防止这些问题，是理想的阴极保护电位区间。

基于钢质材料在土壤环境中的不同腐蚀模式的发生过程中的稳态和非稳态电化学信息的差异的系统研究，确定快速区分均匀腐蚀、点蚀、应力腐蚀以及交流电流耦合的局部腐蚀的电化学防护的电位范围的电化学方法；确定测试的试验流程；通过实验测试确定阴极保护电位范围。

本发明的优点就在于该方法可以快速、有效地的确定材料阴极保护的范围，为材料得到有效地阴极保护提供了切实可行的方法。实验方法简单，结果可靠。

附图说明

图1是用不同扫描速率确定合适的扫描速率而测得的极化曲线。

图2是确定适合的扫描速率后绘制的快、慢扫描极化曲线。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明一种土壤环境阴极保护电位范围评价方法，具体包括以下步骤：将取回来的土壤经过烘干（85~105℃）、研磨，用20目的筛子过筛后，用水与土壤1：1的比例配制成土壤溶液，装入三电极体系（埋入土壤中的材料制备成工作电极，铂片为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极）准备进行极化曲线的测量。

工作电极是用环氧树脂把实验用的材料镶嵌起来，电极工作面积为10mm×10mm，工作电极用200、600、800号金相砂纸逐级打磨至光亮，用无水乙醇和丙酮进行脱脂，用蒸馏水冲洗，吹干，然后浸入被测溶液中15~50 mins，待电位稳定后进行测量。

分别选取0.5 mV/s、5 mV/s、10 mV/s、25 mV/s、50 mV/s、100 mV/s、150 mV/s等7种不同扫描速率做出极化曲线，如图1所示。

其中，0.5 mV/s扫描速率处于准平衡态，是电化学极化曲线测试中常用的稳态扫描速率，当扫描速率≤50 mV/s时的极化曲线达到亚稳态，50mV/s、100mV/s和150mV/s三条极化曲线基本一致，均具有代表性，故选择100mV/s的曲线作为本方法中的典型快速扫描极化曲线。从上述7条极化曲线中选取两条具有代表性的极化曲线，慢扫描速率和快速扫描速率的极化曲线各一条进行作图，如图2所示，选取了慢速扫描速率0.5 mV/s和快速扫描速率100mV/s的两条极化曲线。根据图2中慢速和快速扫描曲线的零电流电位的差异将电位范围分成三个区间，其中，快速和慢速扫描曲线的零电流电位之间的电位区间为I区，从快速扫描的零电流电位至-1125 mV_SCE为Ⅱ区，-1125 mV_SCE以下为Ⅲ区。

根据国际标准NACE RP 0169中采用的埋地管线的阴极保护电位范围为-850mV_CSE~-1200mV_CSE(相对饱和 Cu /CuSO₄参比电极，CSE)或-775 mV_SCE~-1125 mV_SCE(相对饱和甘汞电极，SCE)。实际上，在较弱的阴极保护下管道会发生点蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀。Ⅰ区和Ⅱ区的电位均可以起到阴极保护的作用，但是在实际施工过程发现：如果将阴极保护电位设为Ⅰ区的电位，则仍然不可避免的会发生点蚀、应力腐蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀；同时由于杂散电流等外部不利条件的存在，都会使土壤中的材料发生腐蚀。

如果将阴极保护的电位设为Ⅲ区的电位，则土壤中的材料会发生“过保护”的现象，即过低的保护电位会造成土壤中的材料的防腐层漏点处大量析出氢气，造成涂层阴极剥离，不仅使防腐层失效，而且还可导致金属材料产生氢脆进而导致管道断裂事故。

而Ⅱ区中阴极保护电位则能有效的防止这些问题，是理想的阴极保护电位区间。

与现有的技术相比，本发明的特点在于方法相对简单、成本低廉、能快速测定特定土壤中阴极保护电位的适宜范围；所确定的阴保电位范围不仅可以防止均匀腐蚀，还能有效地抑制点蚀、应力腐蚀以及交流杂散电流导致的局部腐蚀。