一种钢材的最负阴极保护电位的测定方法与流程

1.本发明涉及一种高强钢的最负阴极保护电位确定方法，属于材料耐腐蚀性能研究的技术领域。


背景技术：

2.随着我国海洋事业的发展和海洋资源开发的不断深入，海洋工程高强钢的开发和应用越来越广泛，在不断提高其强度的同时，其耐腐蚀性能也备受关注。
3.在海洋环境中，通常会采用阴极保护来抑制钢材的腐蚀，阴极保护首先要确定合理的阴极保护电位区间，电位过正阳极溶解不能有效抑制，而电位过负会造成钢材“过保护”，导致材料表面析氢，从而吸附于基体表面渗透到金属内部，更容易发生氢脆开裂。阳极溶解往往伴有表面腐蚀、阳极泥生成等现象，可直接观察或通过实验前后材料质量变化来判定，如公布号cn 107782662 a的专利文献《阴极保护测试探头、装置及评价金属在海水中阴极保护效果的方法》使用失重法对材料发生阳极腐蚀进行分析，通过腐蚀速率得出保护度进而确定最正阴极保护电位，但这种方法对电位过负造成的“过保护”无法判断，目前尚没有评价金属在海水中阴极保护的试验方法标准，也无关于最负阴极保护电位测定方法的相关专利。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种全面且准确的测定钢材最负阴极保护电位的方法，为阴极保护电位的确定提供更多支持。
5.本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种钢材的最负阴极保护电位的测定方法，其特征在于：包括步骤：(1)配制试验溶液；(2)电化学测试试验：取钢材试样，镶嵌到电机上进行极化曲线试验，测定其自腐蚀及拐点电位；(3)慢应变速率应力腐蚀试验：利用慢应变速率试验研究钢材试样在试验溶液中不同阴极极化电位下的氢脆敏感性，计算氢脆系数；(4)tds测试：步骤(3)的试验结束后，取试样断口部分，测定不同极化电位试验后样试样中的氢含量，并计算步骤(3)应力腐蚀试验过程中不同电位对应试样的氢渗透速率；(5)断口形貌分析：取步骤(3)中断口试样，观察其断口形貌；(6)数据分析：根据步骤(3)、(4)的结果，结合步骤(5)的断口形貌，绘制氢脆系数-极化电位和氢渗透速率-极化电位曲线，从而确定样品最负阴极保护电位。
6.步骤(1)(3)中的试验溶液是指人工海水溶液，以氯化钠、氯化镁、硫酸钠、氯化钙为主要溶质的人工海水溶液；或者直接以海水作为试验溶液，试验溶液的ph为7～10。
7.一般地，步骤(5)是指利用扫描电子显微镜对试样的断口进行形貌分析。
8.具体地，步骤(2)中，利用电化学工作站测定试样的极化曲线，其中试样的尺寸为10mm*10mm*3mm，使用环氧树脂密封，电位扫描范围为开路电位
±
0.5v。
9.具体地，步骤(3)中，选用φ5mm的拉伸样品作为工作电极，和参比电极、辅助电极组成三电极体系，在试验溶液中进行慢应变速率应力腐蚀试验，直至试样断裂，记录试验时
间t，并计算其断面收缩率、氢脆系数fh＝(φ
0-φ)/φ0，式中φ0为空白试验时的断面收缩率，φ为不同阴极极化电位下的断面收缩率。
10.具体地，步骤(4)中，tds试验样品取步骤(3)断裂试样的断口部分，在步骤(3)的ssrt试验结束后0.5h内开始tds扩氢试验，以100-200℃/h的速度升温至600-800℃，获得氢含量ppm。
11.具体地，步骤(4)获得氢含量后，根据步骤(3)中的试验时间t，计算不同电位下应力腐蚀试验中氢渗透速率，氢渗透速率＝样品中氢含量/试验时间t。
12.具体地，步骤(6)中，一般将氢脆系数fh≤25％视为安全区，根据绘制的氢脆系数-电位二维曲线，得到氢脆系数fh为25％时的电位e1；根据步骤(4)计算的氢渗透速率，绘制得到氢渗透速率-电位二维曲线，对应曲线拐点的电位e2，结合步骤(5)中断口形貌分析结果，取e1和e2中数值较高的，即绝对值较小者为最负阴极保护电位。
13.与现有技术相比，本发明的特点或优点在于：
14.本发明的有益效果是：
15.本技术针对钢材尤其是合金含量多的高强度钢材在海洋环境中易于腐蚀的问题，出于阴极保护的目的，设计了一种最负阴极保护电位的确定方法，解决了阴极保护一直以来的首要难题，保护电位的合理设定既能从本质上抑制钢材发生吸氧腐蚀，又能防止因析氢反应而产生氢脆开裂，从源头上解决了钢材在海洋环境中易于腐蚀的难题。
16.本技术利用了极化曲线试验，依据样品在人工海水中的tafer图中阴极极化曲线上的拐点(由氧的活化极化控制到析氢活化控制)，为后续试验阴极极化电位的选择提供依据。
17.本技术创新性地使用了氢渗透速率这一概念，对应力腐蚀试验中不同阴极电位下氢渗透进入样品的难易程度进行量化，更直观地反应材料的氢脆敏感性。
18.本技术中将电化学工作站与应力腐蚀试验结合起来，通过使用三电极体系(工作、辅助、参比电极)，准确还原了样品在海洋环境中处于不同阴极极化电位下的腐蚀状态，所以本文不仅详细描述了阴极保护电位的确定方法，而且呈现了一套完整的阴极保护装置，具有双重意义。
19.本技术为高强钢尤其是海洋用钢的研究开发提供了一个新的方向。
附图说明
20.图1为本发明实施例步骤(3)慢应变速率应力腐蚀试验示意图；
21.图中，1、结杆2、夹具3、辅助电极4、变形传感器5、参比电极6、钢材试样。
具体实施方式
22.以下结合实施例对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
23.本实施例海洋环境中高强钢阴极保护电位的确定方法，具体包括以下步骤：
24.(1)配制人工海水溶液：配制以氯化钠、氯化镁、硫酸钠、氯化钙为主要溶质的人工海水溶液，调节溶液ph呈弱碱性(ph7.0—8.0)。
25.(2)电化学测试试验：利用电化学工作站，对镶嵌的样品进行极化曲线试验，其中
样品尺寸为10*10*3mm，使用环氧树脂密封，电位扫描范围为开路电位
±
0.5v；试验中使用三电极体系，以铂片作为辅助电极，以甘汞电极作为参比电极，试样作为工作电极，先测定开路电位，选择tafel试验技术，通过阴极极化曲线拐点确定下步试验的电位范围。
26.(3)慢应变速率应力腐蚀试验：选用φ5mm的拉伸样品，如图1所示，将样品以穿釜式通过反应釜安装在夹具上，确保样品标距部分完全浸没在溶液中，利用电化学工作站连接三电极体系，设定极化电位、拉伸速率开始实验，试样断裂后准确记录试验时间t，并计算其断面收缩率、氢脆系数fh＝(φ
0-φ)/φ0，φ0为空白试验时的断面收缩率，φ为不同阴极极化电位下的断面收缩率。
27.(4)tds测试：应力腐蚀实验结束后的半小时内，取样品断口部分，利用tds设备，以100-200℃/h的速度将样品升温至600-800℃，在高真空状态下准确测定不同电位下样品氢含量，精确到0.01ppm，计算步骤(3)试验下的氢渗透速率。
28.(5)断口形貌分析：取步骤(3)试验另一部分断口样品进行sem电镜分析，观察其断口形貌。
29.(6)数据分析：根据(3)(4)实验结果，绘制氢渗透速率-极化电位和氢脆系数-极化电位曲线，氢脆系数fh为25％时的电位e1,氢渗透速率-电位二维曲线的拐点电位e2，结合断口形貌分析结果，确保在最负阴极保护电位处，断口以韧性断裂为主，无大量解理、沿晶组织，取e1和e2中绝对值较小者作为最负阴极保护电位。
30.除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。