發(fā)布時間：2020-08-07 15:06

【摘要】：隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展,大量地下空間結(jié)構(gòu)和綜合管廊等地下設施的服役耐久性成為國內(nèi)外學者和工程技術(shù)人員關(guān)注的熱點課題。土壤中含水量、鹽分、酸堿性等因素都是影響地下結(jié)構(gòu)及其設施耐久性的因素。本文以砂土的電化學理論、含易溶鹽砂土的電化學特性和砂土中X80鋼電化學腐蝕應用為研究主線,研究了含易溶鈉鹽砂土的電化學特性及其腐蝕機理。首先通過理論計算、室內(nèi)試驗和統(tǒng)計分析研究了的試驗砂土顆粒形貌和孔隙結(jié)構(gòu)特性,基于電化學理論和砂土的電傳導特性建立了砂土的電化學等效電路模型;其次通過試驗研究了孔隙溶液、砂土顆粒、不同含水量砂土和含單一含易溶鈉鹽(NaCl、Na_2SO_4和NaHCO_3)砂土的電化學行為,揭示了砂土顆粒(固相)、孔隙溶液(液相)和易溶鈉鹽對砂土電化學行為影響規(guī)律;最后研究了不同濃度易溶鈉鹽溶液和含不同濃度易溶鈉鹽砂土中X80鋼的腐蝕極化曲線,以及基于宏觀、微觀形貌以及腐蝕產(chǎn)物的極差和方差分析,研究了砂土中易溶鈉鹽對X80鋼腐蝕的影響,揭示了X80鋼在砂土中的腐蝕機理。主要成果如下:砂土的基本物理特性和電化學等效電路模型研究表明:試驗用砂土各粒徑組顆粒邊界光滑,無碎屑附著,顆粒多屬次圓狀、圓狀和極圓狀;試驗用砂土在中等密實程度下,對應液橋極限體積下含水量應約在6%到12%之間;砂土—電極體系基本等效電路為R(C(R(Q(RW))))。當頻率較高時,各路徑均為導通狀態(tài),低頻時部分不連續(xù)相路徑將被阻斷;非飽和狀態(tài)砂土呈現(xiàn)電阻和電容特性;當含水量達到飽和以后,砂土整體呈現(xiàn)電阻特性。不同含水量砂土的電化學行為研究表明:沒有液相路徑的干砂在Bode圖(log|(5|-log1))中整體呈現(xiàn)斜率約為-1的斜線,為近純電容元件;不同含水量砂土體系Nyquist圖由高頻區(qū)的扁平容抗弧半圓和低頻區(qū)的近45°斜線組成,在擴展型等效電路模型:R(C(R(Q(RW))))(CR)下擬合良好;隨著含水量的增加,容抗弧和擴散弧半徑以及阻抗模值都呈減小的趨勢,砂土體系的腐蝕性增強;砂土顆粒對孔隙水有分散作用,使溶液電阻R_e增加了一個數(shù)量級,砂土單位面積對應水力半徑值在2 mS以下波動,而表示迂曲度(L)變化的擴散阻抗數(shù)量級在10~(-7)~10~(-8)之間波動。含易溶鈉鹽砂土的電化學行為研究表明:含NaCl、Na_2SO_4和NaHCO_3孔隙溶液體系的阻抗譜特征與對應砂土類型一致,但形狀和相位角有差異;含易溶鈉鹽砂土和孔隙溶液中的電化學過程相同,陽極均為電極的溶解,陰極為吸氧過程。在電化學過程中Cl~-的遷移性和攻擊性較大,HCO_3~-有助于鈍化膜形成,SO_4~(2-)電荷量較多。電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct可直接反應砂土初期電化學過程的快慢,在含混合易溶鈉鹽砂土中三種離子對電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct影響大小順序為:HCO_3~-SO_4~(2-)Cl~-。因此,可根據(jù)砂土電化學阻抗譜判斷砂土的腐蝕性。含單一易溶鈉鹽砂土中X80鋼的腐蝕機理研究表明:隨著砂土中含水量的增加,X80鋼的腐蝕速率逐漸增加了2個數(shù)量級。NaCl和Na_2SO_4兩種鹽使含易溶鹽砂土和孔隙溶液中X80鋼腐蝕從輕微加速到中等、嚴重等級,其中NaCl腐蝕作用更顯著;NaHCO_3可起到減慢X80鋼腐蝕的作用,腐蝕速率減小了1~2個數(shù)量級。砂土中NaCl和Na_2SO_4主要影響X80鋼腐蝕電流密度I_(corr),NaHCO_3主要影響X80鋼自腐蝕電位E_(corr)。含混合易溶鈉鹽砂土中X80鋼的腐蝕機理研究表明:含混合易溶鈉鹽砂土中X80鋼的腐蝕均表現(xiàn)為局部腐蝕,Cl~-,SO_4~(2-)和HCO_3~-離子具有較大的交互作用,砂土顆粒在堿性環(huán)境下也可能參與了腐蝕電化學過程。根據(jù)電化學阻抗譜和極化的測試分析綜合判斷砂土對X80鋼的腐蝕性,得出腐蝕性從小到大排序為:No.9No.6No.3No.4No.5No.8No.2No.7No.1;砂土顆粒對電化學腐蝕性的影響機理為:砂土顆粒起到了促進低頻過程阻礙高頻過程的作用。砂土顆粒對X80鋼的腐蝕電流和腐蝕電位的影響與易溶鈉鹽環(huán)境有關(guān),NaCl環(huán)境中砂土顆粒加速了X80鋼的腐蝕;Na_2SO_4環(huán)境中砂土顆粒對X80的腐蝕影響較小;NaHCO_3環(huán)境中砂土顆粒減慢了X80鋼的腐蝕。綜合分析易溶鈉鹽砂土的電化學特性及其腐蝕機理得出:砂土中固—液—氣三相共存的不均勻性為電化學過程的陰極反應提供了充足的氧環(huán)境,增加了局部腐蝕傾向;等效電路中的元件電荷轉(zhuǎn)移電阻R_(ct)反映砂土的腐蝕性;溶液電阻R_e和常相位角元件Q_(dl)反應電極表面活性區(qū)狀態(tài);砂層電容C_s和電阻R_s一定程度上反映粒徑、含水量和導電路徑的狀態(tài),與砂土的物理力學性質(zhì)相關(guān)。含易溶鹽砂土中砂土顆粒、含鹽量和鹽類共同影響砂土的腐蝕性。因此在選材時應選用粘附系統(tǒng)界面能量較低的管道材質(zhì),同時在管道鋪設設計中應盡量保持管道周圍土壤的均勻性。
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TU441
【圖文】：

中國土壤類型[10]

中國主要油田、天然氣田與管道運輸[10]

太原理工大學博士研究生學位論文的形成及其工程性質(zhì)研究現(xiàn)狀研究涉及到巖土工程、環(huán)境工程、土壤科學、化學及測試技術(shù)等多學科領域，是介于這些學科邊緣的棄物，由于無組織的排放或排放系統(tǒng)失效，使其滲性質(zhì)發(fā)生變化，如圖 1-3 所示。污染介質(zhì)與土體之宏觀上所體現(xiàn)出土體工程性質(zhì)變化[12-14]。

本文編號：2784154