交流杂散电流和微生物耦合作用下X80管线钢应力腐蚀机理研究

Corrosion failure of high-strength pipeline steels is one of the major threats to safe services of pipelines. Many investigations in fields and laboratories have verified that stray currents and microorganisms participate in and significantly influence corrosion behaviors of stress corrosion cracking (SCC) of the steels. However, studies of coupling effects of the stray currents and the microorganisms on the SCC of the steels have not been yet reported. In this project, some experiments will be conducted in the field and laboratory, and simulating devices will be made according to different experimental conditions. By using electricity, electrochemistry, microelectrode, microbial technique, chemical analysis, surface analysis, and so on, the coupling effects of the alternating stray currents and the microorganisms on the initiation and propagation of the SCC cracks, and the variations of chemical/electrochemical micro-environments in the tips of the SCC cracks; the effects of the metabolic sulfide and biofilm on the initiation and propagation of the SCC cracks; and the effects of the alternating stray currents, the microorganisms and the stress on the relationship between the generation and consumption and the penetration and diffusion of hydrogen atoms are investigated. Theory and method of safety evaluation of stress corrosion cracking expansion of the high-strength steels are established under the coupling action of the alternating stray currents and microbes in soils. The finish of the project will provide theoretical basis for performance optimization, protection of pipeline, and safety-evaluation of the high-strength pipeline steels.

高强度管线钢应力腐蚀开裂（SCC）是管线安全运行的重要威胁，现场调查和实验室研究表明，杂散电流和微生物参与并显著影响了管线钢应力腐蚀行为，然而对于二者耦合作用下埋地管线钢SCC的研究却未见报道。本项目拟通过现场埋设试验和实验室模拟试验，利用自制模拟试验装置，采用电学、电化学、微电极、微生物、化学分析、表面分析等测试技术，研究交流杂散电流和微生物耦合作用下，埋地管线钢SCC裂纹萌生和扩展不同演化阶段的腐蚀机理，裂纹尖端局部微环境化学/电化学过程变化规律，及代谢产物硫化物和微生物膜对SCC裂纹萌生和扩展不同演化阶段的影响规律；研究交流杂散电流、微生物和外应力共同作用下，管线钢表面氢原子生成和消耗关系，氢渗透及扩散机理，以及微生物膜对此过程的影响。建立土壤环境中交流杂散电流和微生物共同影响下管线钢应力腐蚀裂纹扩展安全评价理论和方法，为我国埋地高强度管线钢的性能优化、防护及安全评价提供科学依据。

随着国民经济的飞速发展，对交通及能源的需求也随之增大。现今我国电气化铁路总里程已突破11万公里，跃升成为世界第一位。220千伏及以上高压输电线路总长度也超过了70万公里。预计到2025年长输油气管线总里程将超过24万公里。由于地理位置的限制，电力设施与地下管线不可避免的发生近距离并行和交叉穿越等情况，即形成“共用走廊”。在此情况下，高压线路及电气化铁路就会对邻近的埋地管线产生强烈的交流干扰，从而加速其腐蚀。本项目对土壤环境中交流电、微生物和应力多因素耦合作用下X80高强度管线钢腐蚀进行了研究。研究结果表明，（1）土壤环境中X80管线钢交流电腐蚀规律。交流电加剧了X80钢在饱和酸性土壤中的腐蚀，即使撤去交流干扰后，试样的腐蚀仍有加速的趋势。当施加10 A/m2时，钢的腐蚀速率是无AC干扰试样的3倍。试样的腐蚀速率与电流密度遵循幂指数方程。X80钢最大坑深度随着电流密度的增加呈线性增大规律。在AC作用下形成具有电化学活性的γ-FeOOH，作为氧化剂促进了X80钢腐蚀；（2）交流电和微生物耦合作用下X80管线钢腐蚀规律。交流电作用下，SRB的生长与繁殖受到了抑制。SRB促进了试样表面点蚀坑的形成，并增大X80钢的腐蚀速率。交流电和SRB对管线钢腐蚀具有协同加速作用；（3）交流电、微生物和应力耦合作用下X80钢腐蚀规律。SRB和交流电都可以促进X80钢发生点蚀，这些点蚀坑可以作为裂纹萌生的核心，一旦施加应力，形成的裂纹就开始扩展。交流电负半周期形成的氢原子在裂纹尖端富集，从而加速裂纹尖端的局部塑性变形，最终导致了裂纹的扩展。生物因素在协同中的影响大于非生物因素的影响。交流电、SRB和拉伸应力共同作用时X80钢的腐蚀速率最高，是空白条件下的26倍。