磁场对航空拖缆碳钢材料腐蚀行为影响研究

曹勇，杨志成

（中国人民解放军92419部队，辽宁 兴城 125106）



磁场对航空拖缆碳钢材料腐蚀行为影响研究

曹勇，杨志成

（中国人民解放军92419部队，辽宁 兴城 125106）

目的 鉴于航空拖缆海洋环境使用的实际需要以及海洋环境中磁场对腐蚀的影响，展开磁场对航空拖缆碳钢材料腐蚀行为影响的研究。方法 分别运用线性极化、交流阻抗以及电化学噪声等试验方法研究施加磁场扰动下碳钢腐蚀速度变化以及腐蚀机理。结果 施加磁场后，阴极氧去极化过程和中间产物的形成过程在碳钢不同腐蚀状态下分别占主导地位。当磁场强度较低时，阴极氧去极化被抑制，是腐蚀速度的控制步骤，电荷转移电阻增大，腐蚀速度减小。磁场强度逐渐增大，中间产物的形成和转化过程逐渐成为主导因素，噪声电阻增大，腐蚀速度减小。结论 磁场对航空拖缆碳钢材料的腐蚀速度产生影响。

电化学；腐蚀；磁场

航空拖缆作为拖靶与拖带母机的连接体［1—3］经常在海洋环境中使用，易发生腐蚀［4—7］，而且海洋环境复杂，尤其磁场对腐蚀影响较大［8］。因此笔者运用电化学方法初步研究在磁场影响下，航空拖缆碳钢材料在海洋环境中的腐蚀速度变化规律，并通过电化学交流阻抗和电化学噪声测试初步分析磁场作用下碳钢的腐蚀机理，为航空拖缆的安全使用提供依据。

1　试验

1.1材料

试验所用材料为某型航空拖缆用碳钢，材料成分（以质量分数计）为：Si 0.23%，Mn 0.57%，P 0.020%，C 0.74%，S 0.025%，Fe余量。试验介质为3%NaCl溶液。

1.2测试方法

选取方形固体磁铁作为磁场发生源，通过控制试验电极表面与方形磁铁表面的距离来调节外加与电极表面的磁场强度大小。固定装置设置试样表面与磁铁表面的距离分别为4，2，1，0.5 cm，测量相应距离下外加于电极表面的磁场强度分别为523，1220，1915，2280 G。

试验开始前，试样在固定外加磁场强度的溶液中浸泡20 min，使试样表面处于比较稳定的状态。记录不同磁场下试样浸泡前10 min和磁场增大过程中碳钢的自腐蚀电位变化曲线。

线性极化曲线测量时，电位扫描范围为开路电位±10 mV，扫描速率为0.167 mV/s；阴极极化曲线测量时，电位从开路电路向阴极反应方向扫描，幅度为400 mV；交流阻抗测试时，频率扫描范围为10-2～105Hz，通过Zview软件对Nyquist图进行等效电路拟合和分析；电化学噪声监测时，取样频率为4 Hz，每组数据时间长度为256 s。

2　试验结果与分析

2.1极化曲线测试

外加磁场强度下，碳钢在3%NaCl溶液中浸泡10 min的开路电位变化曲线如图1所示。可以看出，随着磁场强度逐渐增大，碳钢的开路电位越负，当磁场强度增大到2280 G时，碳钢开路电位较其它磁场强度下的开路电位正。

图1　不同磁场强度下的开路电位Fig.1　OCP at different magnetic field intensity

分析图2曲线和表1数据可知，施加523 G磁场强度，极化电阻Rp增大，腐蚀速率减小，说明施加某种强度的磁场能抑制腐蚀的发生扩展。继续施加磁场强度至1220，1915，2280 G时，极化电阻Rp则明显减小，且极化电阻Rp和腐蚀速率变化不大，说明超过某种磁场强度，磁场强度的改变对腐蚀的影响程度有限。

图2　不同磁场强度下的线性极化曲线Fig.2　Linear polarization curves at different magnetic field intensity

表1　线性极化曲线拟合结果Table 1　Fit results of the linear polarization curves

分析图3阴极极化曲线，观察到阴极氧去极化过程对应的电流密度，如果扫描电位继续降低，则阴极可能出现析氢反应，当扫描电位达到析氢电位后，阴极曲线出现转折。磁场强度为523，1220 G时，电位从-700 mV向阴极扫描至-1000 mV的过程对应了碳钢的氧去极化反应，电位继续往阴极方向扫描，碳钢的阴极出现析氢反应。磁场强度为1915，2280 G时，阴极极化曲线与未施加磁场条件下的阴极极化曲线差异不大，氧去极化过程的电流密度增大，在-1000 mV时没有出现析氢反应。可见，施加较小磁场强度能够减缓阴极氧去极化反应，继续增大磁场强度，碳钢阴极氧去极化过程增强，阴极析氢反应延缓出现［9—10］。

图3　不同磁场强度下的阴极极化曲线Fig.3　Cathodal linear polarization curves at different magnetic field intensity

2.2交流阻抗测试

为深入弄清楚磁场对碳钢腐蚀影响机理，测试了不同磁场强度下碳钢腐蚀的交流阻抗，如图4所示。对电化学交流阻抗谱图进行等效电路拟合和分析［11—13］。经过尝试，难以找到一个模型能够同时很好符合这五种磁场强度下的阻抗图，这就意味着不同磁场强度下的腐蚀模型和机理是不同的。用图5的等效模拟电路对无磁场影响和磁场强度为523 G情况下的腐蚀交流阻抗图谱进行拟合，拟合结果见表2。施加强度523 G的磁场时，极化电阻Rp即R1增大。

图4　不同磁场强度下的交流阻抗Fig.4　EIS curves at different magnetic field intensity

图5　523 G和无磁场强度下的等效模拟电路Fig.5　Equivalent circuit at 523G magnetic field intensity and no magnetic field intensity

表2　采用图5等效模拟电路的拟合结果Table 2　Fit results of equivalent circuit

用图6的等效模拟电路对磁场强度为1220，1915 G情况下的腐蚀交流阻抗图谱进行拟合，拟合结果见表3。

图6　1220 G和1915 G磁场强度下的等效模拟电路Fig.6　Equivalent circuit at 1220 G magnetic field intensity and 1915 G magnetic field intensity

表3　采用图6等效模拟电路的拟合结果Table 3　Fit results of equivalent circuit in Fig.6

图6所示的等效模拟电路为典型的低频区出现感抗弧的电化学体系。施加磁场下的感抗是由电极腐蚀过程的中间产物引起的，中间产物吸附于金属电极表面产生表面吸附络合物，吸附过程的弛豫时间常数要比双层电容Cd1与Rt组成的充放电过程的弛豫时间常数RtCd1大得多，因此在阻抗图的低频部分会出现感抗弧。R1为电荷转移电阻，等效电阻R2和等效电感L1串联表示形成感抗弧的电路示意图，极化电阻Rp一般小于电荷转移电阻R1。分析表4中的拟合数据，磁场强度从1220 G提高到1915 G，电荷转移电阻R1增大，而代表感抗元件的阻抗值变化不大，感抗值略有增加。

用图7的等效模拟电路对磁场强度2280 G的腐蚀交流阻抗图谱进行拟合，得到Rs，Ws-R，Ws-T，Ws-P分别为2.475 Ω，29.7 Ω，0.010 252 Ω，0.513 37 Ω。

图7　2280 G磁场强度下的等效模拟电路Fig.7　Equivalent circuit at 2280 G magnetic field intensity

图7所示的等效模拟电路图为典型有限扩散层厚度的电极阻抗图，低频下的腐蚀完全由浓差扩散控制，高频部分则相当于RC串联电路。实际测量中，当电极表面存在扩散层控制时，在低频下，离子的迁移过程可以通过延长时间来扩散到金属表面。

观察Nyquist图并比较分析采用不同模拟电路的拟合结果在数据，可见，未施加磁场时，碳钢的腐蚀阻抗图谱只表现出一个容抗弧。对碳钢腐蚀体系施加一定强度磁场之后，在高频部分依然表现出一个容抗弧，但是在低频部分开始出现感抗弧。磁场强度为523 G时，容抗弧直径增大；增大磁场强度到1220 G时，容抗弧反而急剧减小；继续增大磁场强度时，交流阻抗谱图变化较小。分析数据可知，磁场强度为523 G时，腐蚀体系阻抗值增大；增大磁场强度到1220 G时，腐蚀体系阻抗值减小；继续增大外加磁场强度到1915 G和2280 G时，腐蚀体系阻抗值变化较小，与线性极化曲线结果一致。

2.3电化学噪声试验

分析图8不同磁场强度下碳钢腐蚀的电化学噪声图谱。未施加磁场时，电化学噪声信号中有明显的波动峰，施加一定强度磁场后，波动峰明显减少，电位和电流变化比较平缓。

图8　不同磁场强度下的电化学噪声图谱Fig.8　EN spectra at different magnetic field intensity

观察表4电化学噪声谱图去除直流分量的时域统计结果，随着磁场强度增大，δV先减小后增大，δi不断减小。噪声电阻Rn先减小，磁场强度1915 G时，Rn又增大，继续增强磁场强度，Rn又减小。

观察表5电位噪声积分统计结果可得，b值均很小。说明磁场条件下，金属表面的腐蚀方向性很强，可“修复”或者易“反向”的腐蚀发生几率低，b值对统计结果的修正作用不大［14—15］。

表4　电化学噪声统计学结果Table 4　Statistical results of EN

表5　电位噪声积分统计结果Table 5　Statistical result of integral

3　结论

1）施加523 G磁场强度，极化电阻增大，腐蚀速度减小。

2）磁场强度较低时，阴极氧去极化被抑制，是腐蚀速度的控制步骤，电荷转移电阻增大，导致腐蚀速度减小。

3）磁场强度逐渐增大，中间产物的形成和转化过程逐渐成为主导因素，噪声电阻增大，腐蚀速度减小。

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Effect of Magnetic Field on Corrosion Behavior of Aerial Cable’s Carbon Steel

CAO Yong，YANG Zhi-cheng
（No.92419 Unit of PLA，Xingcheng 125106，China）

Objective The effect of magnetic field on corrosion behavior of aerial cable’s carbon steel is researched，because aerial cable is used in the sea environment and magnetic field in ocean always effects corrosion.Methods The polarization，electrochemical impedance spectrum and electrochemical noise skills were employed to study variation of corrosion rate and mechanism of corrosion of the carbon steel in magnetic field.Results The experimental results showed that after adding the external magnetic field，the depolarization process of cathode oxygen and the formation process of the intermediate product took leading positions respectively under different corrosion status of carbon steel.When the magnetic field strength was low，the depolarization of cathode oxygen was inhibited.That was the control step of corrosion rate，resulting in decrease of the corrosion rate and increase of charge transfer resistance.When the magnetic field strength got stronger gradually，the formation and transformation of intermediate product gradually became a dominant factor.The noise resistance increased and the corrosion speed decreased.Conclusion The magnetic field has certain effect on the corrosion rate of aerial cable’s carbon steel.

electrochemistry；corrosion；magnetic field

2016-04-13；Revised：2016-05-22

10.7643/issn.1672-9242.2016.04.007

TJ04；TG172.5

A

1672-9242（2016）04-0042-06

2016-04-13；

2016-05-22

曹勇（1988—），男，辽宁葫芦岛人，主要研究方向为金属材料的腐蚀与防护等。

Biography：CAO Yong(1988—),Male,from Huludao,Liaoning,Research focus:corrosion&protection of metal materials.