【摘要】：隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,大量地下空間結(jié)構(gòu)和綜合管廊等地下設(shè)施的服役耐久性成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員關(guān)注的熱點(diǎn)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(shè)施耐久性的因素。本文以砂土的電化學(xué)理論、含易溶鹽砂土的電化學(xué)特性和砂土中X80鋼電化學(xué)腐蝕應(yīng)用為研究主線,研究了含易溶鈉鹽砂土的電化學(xué)特性及其腐蝕機(jī)理。首先通過(guò)理論計(jì)算、室內(nèi)試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析研究了的試驗(yàn)砂土顆粒形貌和孔隙結(jié)構(gòu)特性,基于電化學(xué)理論和砂土的電傳導(dǎo)特性建立了砂土的電化學(xué)等效電路模型;其次通過(guò)試驗(yàn)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(xué)行為,揭示了砂土顆粒(固相)、孔隙溶液(液相)和易溶鈉鹽對(duì)砂土電化學(xué)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(duì)X80鋼腐蝕的影響,揭示了X80鋼在砂土中的腐蝕機(jī)理。主要成果如下:砂土的基本物理特性和電化學(xué)等效電路模型研究表明:試驗(yàn)用砂土各粒徑組顆粒邊界光滑,無(wú)碎屑附著,顆粒多屬次圓狀、圓狀和極圓狀;試驗(yàn)用砂土在中等密實(shí)程度下,對(duì)應(yīng)液橋極限體積下含水量應(yīng)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(dāng)頻率較高時(shí),各路徑均為導(dǎo)通狀態(tài),低頻時(shí)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(dāng)含水量達(dá)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(xué)行為研究表明:沒(méi)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(kuò)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(kuò)散弧半徑以及阻抗模值都呈減小的趨勢(shì),砂土體系的腐蝕性增強(qiáng);砂土顆粒對(duì)孔隙水有分散作用,使溶液電阻R_e增加了一個(gè)數(shù)量級(jí),砂土單位面積對(duì)應(yīng)水力半徑值在2 mS以下波動(dòng),而表示迂曲度(L)變化的擴(kuò)散阻抗數(shù)量級(jí)在10~(-7)~10~(-8)之間波動(dòng)。含易溶鈉鹽砂土的電化學(xué)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(duì)應(yīng)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(xué)過(guò)程相同,陽(yáng)極均為電極的溶解,陰極為吸氧過(guò)程。在電化學(xué)過(guò)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(yīng)砂土初期電化學(xué)過(guò)程的快慢,在含混合易溶鈉鹽砂土中三種離子對(duì)電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct影響大小順序?yàn)?HCO_3~-SO_4~(2-)Cl~-。因此,可根據(jù)砂土電化學(xué)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(jī)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(gè)數(shù)量級(jí)。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(yán)重等級(jí),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(gè)數(shù)量級(jí)。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(jī)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(xué)過(guò)程。根據(jù)電化學(xué)阻抗譜和極化的測(cè)試分析綜合判斷砂土對(duì)X80鋼的腐蝕性,得出腐蝕性從小到大排序?yàn)?No.9No.6No.3No.4No.5No.8No.2No.7No.1;砂土顆粒對(duì)電化學(xué)腐蝕性的影響機(jī)理為:砂土顆粒起到了促進(jìn)低頻過(guò)程阻礙高頻過(guò)程的作用。砂土顆粒對(duì)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(duì)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(xué)特性及其腐蝕機(jī)理得出:砂土中固—液—?dú)馊喙泊娴牟痪鶆蛐詾殡娀瘜W(xué)過(guò)程的陰極反應(yīng)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(yīng)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(dǎo)電路徑的狀態(tài),與砂土的物理力學(xué)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(shí)應(yīng)選用粘附系統(tǒng)界面能量較低的管道材質(zhì),同時(shí)在管道鋪設(shè)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量保持管道周圍土壤的均勻性。
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TU441
【圖文】：

中國(guó)土壤類型[10]

中國(guó)主要油田、天然氣田與管道運(yùn)輸[10]

太原理工大學(xué)博士研究生學(xué)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(xué)、化學(xué)及測(cè)試技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域，是介于這些學(xué)科邊緣的棄物，由于無(wú)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(hào)：2784154