试验研究对埋地金属管道的腐蚀影响机械性能

文摘

腐蚀被发现是最主要原因的失败埋地金属管道。回顾文献发表管道腐蚀显示小的研究一直在进行管道材料的腐蚀对力学性能的影响,几乎没有研究了腐蚀对断裂韧性的影响。本文的目的是提出一个全面的测试程序设计调查土壤中腐蚀对金属力学性能的影响。两种类型的金属,即铸铁和钢,在三个不同的腐蚀环境中进行测试。之间的关系金属腐蚀和力学性能恶化。本文发现,酸性环境越多,越腐蚀金属发生腐蚀,减少了金属的抗拉强度和断裂韧性。本文中给出的结果可以导致腐蚀行为的知识及其对力学性能的影响的金属在土壤环境中,进而使更准确预测埋地金属管道的失败。

1。介绍

管道是必不可少的基础设施,扮演了一个重要的角色在一个国家的经济中,社会福利和生活质量。大部分管道的金属,例如,铸铁和钢,位于地下土壤中。据估计,大约85%的配水管道是铸铁和钢(1]。由于他们长期服务和接触积极的环境土壤中,金属管道的老化和恶化导致了意外的失败。例如,失败率的铸铁管道可高达39爆发在加拿大每年每100公里(2澳大利亚]而水管的失败率是20打破平均每年每100公里(3]。很欣赏,可以社会管失败的结果,经济和环境灾难,导致日常生活的大规模破坏,相当大的经济损失,大范围的洪灾,以及随之而来的环境污染,甚至人员伤亡等等。因此,有一个有理由需要彻查管失败的原因。

管失败的经验和调查表明,腐蚀金属,铸铁和钢、管失败的最主要原因4,5]。管道腐蚀与几乎所有失败以来,它已成为一个全球性问题对所有利益相关者,特别是工程师和埋地金属管道的资产管理公司6,7]。因此,很多研究工作已在过去的几十年里在金属管道的腐蚀,更或许铸铁管道,尤其是Doleac等为代表的。8),院长jr .和抓取9O’day), et al。10),Randall-Smith et al。11),Kirmeyer et al。12),Camarinopoulos et al。13),Sadiq et al。14),Panossian et al。15),等等。由于不同的环境,腐蚀力的机制是不同的内部和外部表面的管道。为内部腐蚀,这取决于物质在管,转达了各种因素,包括微生物的影响,会导致腐蚀(16],而外部的腐蚀主要是由于土壤的腐蚀性化学物质(17]。管道土壤腐蚀是一个管道材料之间的相互作用和土壤环境(18]。有一些刺激因素导致土壤环境(外部腐蚀管道5,19]。水分、温度、pH值、矿盐含量、硫化物、有机物、沉淀等是主要因素,导致外部腐蚀管道的土壤(20.]。土壤中金属腐蚀主要取决于这些因素的综合效应。这也取决于土壤的物理和化学特征。

回顾文献发表管道腐蚀,如上面提到的(和也看到引用),表明,目前大多数的研究主要集中在腐蚀机制,腐蚀进展,从材料角度和腐蚀速率。小的影响研究一直在进行腐蚀管道材料的力学性能变化,和几乎没有研究了腐蚀管道材料的断裂韧性的影响。众所周知,管道材料的机械性能,管理行为和最终失败的管道。因此,必须彻底检查金属腐蚀对其力学性能的影响。腐蚀引起的理解和知识的力学性能恶化金属可以防止未来的金属管道的失败。

管失败的主要有两种模式:通过破裂由于减少壁厚的管道和骨折由于裂缝尖端的应力集中,例如,腐蚀坑,或者一般来说,缺陷管道(21]。这两种失效模式对应的力学性能是金属的抗拉强度和断裂韧性。详细检查大多数发表的研究在这一领域(参见参考资料)表明,当前研究腐蚀诱导管失败更关注于强度比韧性的损失。主干管道的检验失败的服务显示,大多数铸铁水管断裂的故障类型;也就是说,失败是由于裂缝的发展和后续崩溃的管22]。所以有必要研究恶化金属的抗拉强度和断裂韧性,使更准确预测管道故障。

本文的目的是通过实验研究金属的腐蚀对力学性能的影响作为管材。综合测试程序的目的是观察、监控和评估金属的腐蚀行为及其对其力学性能的影响在不同的环境中。两种类型的金属,即铸铁和钢,在三种环境下腐蚀测试由pH值表示。从测试结果的分析,腐蚀和金属力学性能恶化之间的关系。相信测试金属的腐蚀对力学性能的影响是很少的。测试的结果会导致身体的知识的金属腐蚀行为及其对力学性能的影响在土壤环境中,可以使工程师在降低失败的风险和资产管理公司的金属管道。

2。设计的测试标本

2.1。样品的材料

铸铁和钢一直是最主要的管道材料在1980年代(21]。在各种类型的铸铁和钢中,灰口铸铁和碳钢管道可能是最广泛使用的材料(12,23]。因此,它是合理的选择这两种材料腐蚀调查也因其广泛使用和长期服务。铸铁和钢截然不同的力学性能虽然他们已经使用了相同的管道的目的。铸铁脆性材料同时钢韧性。铸铁已广泛应用于管道行业由于其相对较低的成本,但它已经取代了钢在管道行业的更大的强度和延性。

众所周知,金属的机械性能是影响其化学组成、形貌和微观结构发生显著的变化。在这项研究中,Q235碳素钢和选择灰色HT200铸铁材料试验由于其广泛应用在管道行业在中国市场(和可用性1,24]。Q235钢和HT200铸铁的化学成分如表所示1。

2.2。标本进行抗拉强度

标本进行抗拉强度测试是根据ASTM E8M13标准测试金属材料的张力测试方法(25]。测试标本推荐单刃弯曲(SE (B))标准,的尺寸应符合下列要求: 在哪里测量长度和吗中间部分的直径的标本在标距长度。为了比较,两种不同的标本材料抗拉强度测试是故意用相同的维度。抗拉强度如图的标本1(一)。

2.3。标本进行断裂韧性

标本进行断裂韧性试验是根据ASTM E1820-13断裂韧度的标准测试方法测量(26]。在这个标准的关键是控制试样的宽度,因为它是最重要的因素影响产生的断裂韧性。根据标本的宽度,可以有两种类型的骨折:飞机应力性骨折,平面应变断裂。平面应力断裂,断裂韧性随试样宽度的增加和稳定在一定宽度的平面应变断裂发生。这个宽度是根据ASTM E1820-13决定如下: 在哪里试样的宽度,断裂韧性,材料的屈服强度。

由(2),宽度选择与年级HT200铸铁试样进行了计算= 20毫米。然而,对于选中的Q235钢,计算试样宽度是1700毫米大,太大是实际腐蚀和断裂试验。由于本研究的主要目的是()实验研究腐蚀如何影响Q235钢的断裂韧性,但不确定其精确值的断裂韧性和()来比较不同金属的腐蚀对断裂韧性的影响(即。,steel and cast iron), it is justifiable to select a smaller but with same size as that for cast iron specimens for both corrosion and fracture toughness tests. This is because all test specimens should be under the same corrosion and fracture conditions and hence relative comparison of fracture toughness change over time and with each other is valid. Besides, the accurate value of fracture toughness of the Q235 steel has been determined with different methods as shown in, for example, Zhao et al. [27和盾等。28]。小尺寸试样钢的断裂韧性测试也被用于其他研究见文献[29日]。因此,标本的宽度为Q235钢断裂韧性试验被选为铸铁一样。断裂韧性的标本是图所示1 (b)。

2.4。生产的标本

所有测试标本由专业机械制造技术人员。对拉伸标本制作简单。断裂韧性,标本理论上应该precracked疲劳。经验和文献调查表明,它是不切实际的获得可以大幅地,狭窄的加工切口,将模拟天然裂缝足以提供一个令人满意的断裂韧度测试结果(27]。最有效的方法是生成precrack,相对较短的疲劳裂纹,扩展从狭窄的缺口。有三种形式的等级开始疲劳裂纹(称为疲劳裂纹起始等级),直接通过切口,雪佛龙切口,切口以钻洞。不同形式的疲劳裂纹起始等级应满足不同尺寸的要求。在这项研究中,直接通过切口采用疲劳裂纹起动器。样本大小的详细规格、配置和准备,指ASTM E1820 [26]。

3所示。测试方法

3.1。模拟腐蚀性土壤

管道腐蚀是电化学反应之间的管道材料和土壤环境中的腐蚀。为了表示这个反应在实验室,有必要模拟管道的工作环境。有两种方法来模拟工作环境;一个是埋管在一个盒子里的土壤,另一个是沉浸管在一个解决方案,包含主要化学元素提取真正的土壤(称为土壤溶液)。文献回顾表明,目前的研究大部分采用的土壤中管道腐蚀试验解决方案(30.,31日]。因此,本研究还采用土壤溶液腐蚀试验。使用土壤溶液的一个优点是易于控制的测试变量以及监控腐蚀行为。

为了方便起见,在当地土地土壤下面的管道被选中。选择土壤的化学成分进行了分析,如表所示2。这篇作文是用来使土壤溶液。土壤的化学分析表明,土壤的pH值是8.0。所以基本解决方案用于腐蚀试验pH值为8.0。的化学成分中使用的土壤溶液腐蚀试验如表所示3这是基于土样的主要化学元素的原则和土壤溶液是相同的(30.,31日]。

因为自然土壤条件下金属腐蚀将需要很长时间才能有任何显著的影响在其材料属性和实现研究目标在项目的时间,加速腐蚀为几乎所有的腐蚀测试似乎是必要的(例如,5,32])。因此,采用加速腐蚀试验。文献综述表明,pH值将会加速金属的腐蚀指数(33]。由于这个原因,三个值模拟土壤溶液的pH值被选中,pH值的变化可以影响腐蚀的影响。基于研究经验和审前,充分的pH值3.0将加速腐蚀,金属的机械性能产生重大影响的项目。自然土壤的pH值是8.0,一个中间值的pH值5.5被选中。

不同的pH值是通过添加硫酸和维护在整个测试周期相同。这可能指出,添加硫酸可能与溶液中的化学反应,但这种反应会发生以完全相同的方式与自然土壤中可溶性化学物质(30.,31日]。关键是pH值的所有解决方案都保持相同的和使用的测量解决方案。

3.2。测试变量

作为讨论的指导,许多因素影响腐蚀的金属在土壤及其对力学性能的影响,土壤的化学成分和金属是最有影响力的。在这项研究中,土壤的化学成分是由pH值,金属的品位。因此,土壤溶液的pH值和金属的类型选择为主要测试变量以及它们随时间变化。三个值土壤溶液的pH值选择正如上面所讨论的,是8.0,5.5和3.0。选择两种类型的金属腐蚀试验及其对力学性能的影响,是碳钢和灰口铸铁。获得腐蚀的变化及其对力学性能的影响的金属随着时间的推移,三分的时间选择90、180和270天(或3、6和9个月),分别,除了初始时间,也就是说,在腐蚀。因此,总共有四个时间点。这些时间选择基于文献综述和研究经验,确保测量腐蚀和力学性能的重要属性改变的标本(如,[5,32])。

统计研究三个副本为每个标本与指定的测试变量。因此,试样的总数量是3 (pH值)2(两种类型的金属)2(属性)4(时间点)3(副本)= 144。

测试的测量包括(i)腐蚀电流;(2)减肥;(3)抗拉强度;及(iv)断裂韧性。腐蚀电流测量每天在第一周的测试,然后每周到最后的测试。其他三个参数测量在初始点和三个指定点的时候,给四个测量随着时间的推移。

3.3。测试设置和程序

浸泡腐蚀试验是根据ASTM g31 - 2012 a标准指导实验室浸金属的腐蚀测试(34在室温下与土壤的解决方案三个pH值(3.0,5.5,和8.0)的持续时间90年三个时期,180年,270天。标本采用Q235钢和HT200铸铁用50%丙酮洗。他们接着干,放置在指定的容器土壤的解决方案。在每个容器,6个标本,2力学性能(拉伸和断裂)和3重复,都沉浸在解决方案如图2。总共有18个集装箱代表不同的pH值(3.0,5.5,和8.0)和材料(铸铁和钢)。浸泡时间期间,pH值在不同的容器用酸度计测定和控制通过添加硫酸。在所有18个容器腐蚀测试并行地运行。

监控腐蚀行为电线焊接两个标本的每种类型对拉伸试样(标记为1 #和4 #韧性标本)在每个标本的容器和腐蚀电流测量使用电流表。在每个指定的3倍,也就是90年,180年,270天,采集标本测量解决方案的减肥,抗拉强度和断裂韧性三钢和铸铁pH值。减肥的标本根据ASTMG31-12a测量。抗拉强度测试帕- 1000材料测试系统如图3(一个)。断裂韧性测试在MTS具有里程碑意义的测试系统如图3 (b)。拉伸和断裂韧性测试都是由实验室技术人员,以确保检测结果的质量。

4所示。测试结果和分析

4.1。腐蚀电流

腐蚀电流一直被用作金属的腐蚀行为的一个主要指标(4,12- - - - - -15,35]。在这项研究中,腐蚀电流监控在整个测试周期和记录使用电流表如图4。提出了腐蚀电流的结果数据5和6钢和铸铁标本,分别。从这些数据可以看出,腐蚀电流一般非常分散。这不是意外由于随机事件和腐蚀的发展。也可能归因于精度测量当前由于积极的环境。

数据5和6表明,尽管每个点测量腐蚀电流分布,腐蚀电流的一般趋势是明确的,这是减少曝光时间。这意味着目前高初的腐蚀速度,减少。众所周知,腐蚀是一种电化学过程。酸性环境可以开始腐蚀的腐蚀,但进展需要氧气的供应不是现成的腐蚀率高。这些结果与其他研究结果一致的文献以及研究经验(5]。

数据5和6还表明,腐蚀电流通常是更大更多的酸溶液,也就是说,较小的pH值,特别是在开始。这也是符合结果发表在文学。例如,一项研究Panossian et al。15)表明,pH值越小,更大的腐蚀电流,这表明酸更能引起腐蚀。尽管在溶液中腐蚀电流较小的pH值比较大,腐蚀电流(即降低利率。曲线的斜率)不规则,出现腐蚀行为的随机性。腐蚀电流的解决方案与pH值8.0和5.5有最大和最小的降低利率,分别。一般来说,腐蚀电流的变异率的差异(曲线的斜率)不同pH值在3.0和5.5之间,−25.0% 26.6% 5.5和8.0之间。

数据的比较5和6还表明,铸铁的腐蚀是略高于钢。所建议的院长jr .)和抓取9),其中一个原因可能是,一个更高的金属的碳含量可以产生一个更大的腐蚀速率。

4.2。减肥

在测试前,所有标本清洗和体重。在浸泡后,采集标本三个指定点的时候,也就是90年,180年,和270天。图7显示腐蚀活动的进展的变化颜色,铁锈积累和分布。然后他们干,清洗,并再次重。减肥是计算每个标本浸泡前后重量减轻。减肥是规范化的表面积和表达消除不同形状和接触区域的影响。图8显示了减肥的结果对钢和铸铁标本,分别,每个点的平均三个测量体重。减肥的系数的变化范围从0.09到0.22在每一点的测试周期。

图8表明体重随时间几乎线性的钢和铸铁标本的结果不同于腐蚀电流随时间(非线性)。原因可能是减肥代表腐蚀更逐渐的累积效应而腐蚀电流代表更波动的瞬时腐蚀速度。可以看出,体重较大与较小的pH值,也就是说,pH = 3.0。这是与腐蚀电流的结果一致。它还可以看到从图8减肥的趋势钢和铸铁标本几乎是相同的铸铁虽然减肥标本由于腐蚀略大。这是与腐蚀电流的结果一致。从图可以看出,在减肥并没有太多不同之处pH值在5.5和8.0之间特别是铸铁。

4.3。屈服强度降低

本研究的主要目的是研究金属的腐蚀对力学性能的影响为代表的抗拉强度和断裂韧性。为了这个目的,采集标本的沉浸在90年之后,180年,和270天的腐蚀。然后他们清洗和加载失败在拉力试验机的图3(一个)。拉伸测试的结果在图所示9平均,每个点代表了三个测试结果。的抗拉强度降低系数的变化范围从0.11到0.19在每一点的测试周期。

从图9可以看出,由于腐蚀抗拉强度随时间减少。这是钢和铸铁材料。的结果图9提供充分的证据表明腐蚀金属的机械性能的影响。这主要是由于腐蚀穿透表面的标本,破坏试样表面的密实度。图中可以看到7表面的腐蚀标本是粗糙和比完整的多孔金属,这使得它更容易腐蚀或其他元素,例如,O和Cl,进入到金属。腐蚀和/或元素的入口可以改变金属的化学成分通过化学反应这些代理和元素。它还可以改变形态或金属的微观结构。众所周知,化学成分和形态是决定金属的机械性能的主要因素。因此,金属的机械性能变化。

表4显示了腐蚀诱导恶化钢和铸铁的机械性能测试的三个时期。可以看出,减少抗拉强度随钢和铸铁的曝光时间。这些结果与减肥的结果,显示了一个随时间线性增加(图8正如上面所讨论的。从表中也看到是减少铸铁的抗拉强度比钢的大。这也是符合腐蚀电流和减肥的结果,表明高碳含量金属不仅可能导致更多的腐蚀9),但也有更多对拉伸强度的影响。表4还表明,在第一段接触减少抗拉强度(即更大更多的酸性环境。pH = 3.0),但后来在第三期抗拉强度更大的减少(即减少酸性环境。,pH值= 8.0), indicating that high acidity may accelerate corrosion of metal but may not necessarily accelerate the corrosion effect on its mechanical properties which is determined by its chemical position, morphology, and microstructure as discussed previously.

4.4。断裂韧性降低

断裂韧性的金属是由三点弯曲试验,如图3 (b)。从这个测试中,断裂韧性可以计算如下: 在哪里 和是计算弯曲试样在加载,是跨越的支持,和分别是标本的宽度和净宽度,当前的裂纹长度,是样品的高度(参见图1 (b))。在这项研究中,断裂韧性值,也就是说,,直接从试验机测定输出,使用内置的程序。

断裂韧性降低的结果如图所示10再次,每个点代表平均三个测试结果。系数的变化范围的断裂韧性降低每一点是在测试期间从0.12到0.17。从图可以看出,由于腐蚀断裂韧性也随时间。这是真的对钢和铸铁材料。的结果图10再次提供证据表明,腐蚀是影响金属的力学性能同样的原因解释的抗拉强度。此外,它可以看到在图7腐蚀的渗透到金属的分布并不均匀。在大多数情况下,受损的位置产生腐蚀,形成局部腐蚀坑。尤其如此,当有一个precrack腐蚀最严重,导致试样的裂纹的扩展。众所周知,裂纹扩展是最影响因素的确定断裂韧性(21]。

此外,从表4可以看出,断裂韧性的腐蚀引起的恶化是明显大于相同条件下的抗拉强度。这表明腐蚀对断裂韧性有较大的影响比金属的抗拉强度。原因可以是,如上所述,腐蚀坑扩展现有的缺陷减少断裂韧性的金属。也减少断裂韧性铸铁几乎是钢的两倍。所有四个测量的结果(腐蚀电流、减肥、抗拉强度和断裂韧性)表明,金属的高碳含量不仅能导致更多的腐蚀也招致更大的对力学性能的影响。

5。观察和讨论

从测试和测试结果进一步观察和讨论。腐蚀标本的照片可以提供一些见解腐蚀的行为在不同的环境和状态。从数据5和6可以看出,腐蚀电流最高的腐蚀,但从图7(一)可以看出小可见的变化可以看到改变的颜色(锈)标本虽然腐蚀电流也到了一个顶峰。这再次表明,腐蚀电流瞬时腐蚀速率而不是累积腐蚀措施。在这个阶段,腐蚀渗透氧化膜而产生了少量的腐蚀。这表明,试样的腐蚀速率很高,但实际的腐蚀,在产品方面,也就是说,生锈,不累积。腐蚀反应可以表示如下(例如,35):(一)阳极反应 (b)阴极反应 经过6天的浸泡,腐蚀电流急剧下降表明腐蚀速率降低,但腐蚀本身仍在继续。这是显示在图7(一),溶液变成了棕色尤其是溶液pH = 5.5。腐蚀反应在他的舞台可以表示如下35]: 随着腐蚀的增加,氢泡沫出现在特定的酸性更强的解决方案,例如,pH = 3.0,这可以解释为(6)。

也观察到腐蚀在不同条件下的不同形式。腐蚀后表面形成氧化膜渗透,这是所有三个场景的pH值。然而,腐蚀坑标本在酸性更强的解决方案,例如,pH = 3.0,比那些标本更少和更均匀分布在酸性的解决方案,例如,较大的pH值。这是显示在图7 (b)30天,局部腐蚀坑更明显和腐蚀产物开始成为碎片。两种解决方案的腐蚀产物沉淀pH值较低(3.0和5.5)在较大的金额。

图7 (c)表明标本进一步腐蚀,腐蚀产物摔倒了底部的容器和掩盖表面的标本。后者将防止标本进一步腐蚀,腐蚀电流在标本所有解决方案达到最低的值后90天。

它也被观察到的数据9和10减少机械性能,抗拉强度和断裂韧性,不遵循相同的趋势,因为腐蚀电流和减肥。较小的pH值,也就是说,更多的酸溶液,不会导致更大的机械性能降低抗拉强度和断裂韧性。这可能是因为当pH值可以加速腐蚀的金属,它既不可能加速腐蚀的金属化学元素的反应和加速金属的微观结构的变化。换句话说,金属的腐蚀对力学性能的影响可能不是在同一比例的pH值在腐蚀,进一步表明腐蚀行为的随机性及其对金属力学性能的影响。力学性能的降低分散对pH值大于腐蚀电流和减肥。测量的精度也可以有助于分散的程度。显然需要更多的实验来产生足够的开发模型和质量数据腐蚀诱导金属力学性能的恶化。

为实际应用对力学性能的金属腐蚀的影响,需要开发一个可测量的腐蚀参数之间的关系,例如,减肥,减少机械性能,例如,抗拉强度和断裂韧性。这是试图在这个研究。因为在前一节中提出的分析结果表明,减肥可以更好地衡量腐蚀的腐蚀电流,用于发展的关系。理想情况下更多的数据点(四)也可以产生更好的相关关系但时间和资源总是约束。文学和研究经验(例如,32)建议的三个数据点最低。数据11和12抗拉强度和断裂韧性的变化展示减肥钢和铸铁试样在三个测试环境。从这些数据可以看到,抗拉强度和断裂韧性的降低是大体上与减肥的线性关系。尽管低pH值导致更大的重量损失,力学性能在高pH值对减肥更敏感,也就是说,陡趋势线如图11和12。在实践中,土壤pH值不能低于5。因此本研究的结果对pH值低于5可以更接近现实,因此可以更多的实际应用。

需要指出的是,本文中给出的测试结果是一个一步建立理解和知识对力学性能的金属腐蚀的影响。这些结果的意义更在于他们比定量定性的趋势。承认,更多的测试是必要的生产更多数据明智的定量分析,在此基础上我们开发理论和模型对腐蚀诱导金属力学性能的恶化。这项工作是由通讯作者继续与更多的测试标本的研究团队在不同的测试变量和环境,如真正的土壤环境。更多的结果将提交出版一旦生产,加工,和分析。

6。结论

一个全面的测试程序提出了本文探讨腐蚀对埋地金属管道的力学性能的影响。两种广泛使用的金属的腐蚀,也就是说,铸铁和钢,及其对其力学性能的影响观察,监测和评估在三种不同环境中由pH值表示。从测试结果的分析,腐蚀和金属力学性能恶化之间的关系了。人们已经发现,酸性环境越多,越金属发生腐蚀和灰口铸铁腐蚀碳钢在同样的环境下。它也发现腐蚀降低金属的抗拉强度和断裂韧性,后者减少超过前者。它可以得出结论,本文中给出的结果可以导致腐蚀行为的知识及其对力学性能的影响在土壤环境中金属。这些知识可以使更准确的预测失败的金属管道。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

金融在中国湖北省自然科学基金的支持下2015 cfb510,基础研究基金由中国武汉科技大学2015 iva012,和澳大利亚研究理事会在DP140101547 LP150100413。

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