一种金属材料土壤腐蚀速率的预测方法及其模型技术

本发明专利技术提出了一种金属材料土壤腐蚀速率的预测方法及其模型，属于金属寿命评估及环境岩土防灾减灾技术领域；基于电极系统响应的基本反应过程而确定的数学模型，用于预测土壤环境下金属的腐蚀速率；计算出溶解反应电流I1，钝化反应电流I2，腐蚀产物层覆盖率θ来表示金属腐蚀性的强弱；该方法中明确包括了金属在不同土壤环境作用下，其表面电化学反应的关键特征，弥补了现有数据分析方面的不足；本发明专利技术可以更可靠地预测金属表面与周围土壤之间的电荷转移机制，解决了传统分析方法在解释阻抗数据方面的不确定性。据方面的不确定性。据方面的不确定性。

【技术实现步骤摘要】
一种金属材料土壤腐蚀速率的预测方法及其模型


[0001]本专利技术属于金属寿命评估及环境岩土防灾减灾
，涉及一种金属材料土壤腐蚀速率的预测方法及其模型。

技术介绍

[0002]应用于石油和天然气运输的地下管道主要是由大量的低碳钢建成，然而由于涂层的老化和局部损坏，导致管道的外壁暴露在土壤中，使管道遭受电化学腐蚀的危害。长期的腐蚀破坏会导致管道在土壤和地表荷载的作用下坍塌，进而出现地面沉降现象。除此之外，由于管道腐蚀而造成的燃料泄漏还可能导致严重的生态环境问题，并对附近的住宅和工业产生负面影响。因此，埋地金属管道的腐蚀危害是运输管道系统中不可忽视的重要现象。
[0003]电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS)可以表征任何一种固相或液相材料的本体或界面区域中的束缚或移动电荷的动力学规律，以及电子与导电电极的相互作用。然而，鉴于导电体系阻抗响应的各种过程，其总阻抗可能与各种复杂的变量相关联，例如介质传递，化学反应速率，腐蚀，介电性能，微观结构以及化学组成对体系导电性的影响。因此，检验和评价特定频域中的相关腐蚀过程具有挑战性和不确定性。
[0004]基于现有电化学阻抗谱分析金属腐蚀中存在的缺陷，有必要开发新的且适宜的数学方法，以便更可靠地预测金属表面与周围土壤之间的电荷转移机制，并解决传统分析方法在解释阻抗数据方面的不确定性。

技术实现思路

[0005]本专利技术克服了现有技术的不足，提出一种金属材料土壤腐蚀速率的预测方法及其模型。本专利技术基于电极系统响应的基本反应过程和动力学理论，分析金属在不同土壤环境作用下，其表面电化学反应的关键特征，以弥补传统等效电路方法在解释阻抗数据中出现的不足。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术是通过如下技术方案实现的。
[0007]一种金属材料土壤腐蚀速率的预测方法，包括以下步骤：
[0008]步骤一：基于阴离子辅助溶解反应和金属钝化反应，建立反应速率表达式分别是I1和I2，如公式(3)和公式(4)所示：
[0009][0010][0011]其中，E表示相对于参比电极的电位：E＝E
ss
+ΔE，E
ss
是稳态下的电位，ΔE是扰动电位；C
Cl
‑
是阴离子浓度，C
Cl
‑
被合并到参数k1中，k1，k2，r1和r2均是动力学参数；θ是腐蚀产物覆盖的表面积比例；θ变化的速率如公式(6)所示：
[0012][0013]其中K是转换系数。
[0014]步骤二：腐蚀产物的表面覆盖变化率是所有系统变量的函数，在电位扰动的条件下，将变化率根据泰勒级数变换，得到公式(12)和公式(13)：
[0015][0016][0017]Z
F
表达式等效于由电阻R和复合元件(RC)串联组成的电路；因此，Z
F
的等效电路符号可以用R(RC)给出，如公式(14)所示：
[0018][0019]建立与复阻抗曲线对应的等效电路模型R
s
(C
dl
(R
t
(R
p
C
p
)))，其中R
s
是土壤的体积电阻，C
dl
是电极表面的双电层电容，R
t
是金属溶解反应的电荷转移电阻，R
p
和C
p
分别是金属钝化反应电阻行为和电容行为。
[0020]通过计算氧化膜的分数表面覆盖率的变化来解释影响金属界面腐蚀动力学的演变规律；
[0021]动力学参数I1，I2和物理参数θ的计算公式如下所示：
[0022]I1＝1/(R
t
+R
p
)(r1‑
r2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(29)
[0023]I2＝R
t
+R
p
‑
r1R
t
‑
2r1R
p
/r2R
t
(R
t
+R
p
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(30)
[0024][0025]溶解反应电流I1表示金属基体损失的速率，钝化反应电流I2表示腐蚀产物的生成速率，腐蚀产物层覆盖率θ表示金属基体表面腐蚀产物层的覆盖率。
[0026]进一步的，步骤一所述的阴离子辅助溶解反应如方程(1)所示：
[0027][0028]金属钝化反应如方程(2)所示：
[0029]Fe + 3OH
‑
→
FeOOH + H2O + 3e
‑
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)。
[0030]进一步的，总电流密度I由法拉第电流密度I
F
和非法拉第电流密度I
dl
组成，如公式(5)所示：
[0031][0032]其中C
dl
是双电层电容；影响I
F
的状态变量X为电极电位E和腐蚀产物的表面覆盖率。
[0033]进一步的，所述的步骤二基于偏微分方程，建立法拉第电流表达式与等效电路模型的关系；通过数学建模分解腐蚀过程中的阻抗响应过程，从而建立阻抗响应的数学模型，
[0034]法拉第电流密度如公式(7)所示：
[0035]I
F
＝f(E,X,C)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0036]其中E是电极电位，X是电极表面上的系统变量，C是电极表面附近的离子浓度。
[0037]在基于足够的氧气可以到达金属表面并且土壤的环境温度大致保持恒定，则溶解和钝化随时间的变化趋于恒定；在这些条件下，不考虑浓度极化；故将法拉第电流密度I
F
如公式(8)所示：
[0038][0039]通过将多元函数I
F
扩展为泰勒级数来表示为ΔE和ΔX的函数，用于表示函数I
F
产生的变化ΔI
F
，如公式(9)所示：
[0040][0041]其中ΔE＝|ΔE|
·
exp(jωt)是小振幅的正弦波电位扰动，X
ss
和E
ss
是稳态值，ΔX是受到电位扰动后的状态变量变化值；
[0042]通过法拉第定义推出Y
F
，如公式(10)所示：
[0043][0044]法拉第阻抗Z
F
＝1/Y
F
，如公式(11)所示：
[0045][0046]进一步的，所述公式(14)中的参数R
t
，R
p
，C
p
分别由公式(15)，公式(16)和公式(17)
解得：
[0047][0048][0049][0050]进一步的，联立公本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属材料土壤腐蚀速率的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：基于阴离子辅助溶解反应和金属钝化反应，建立反应速率表达式分别是I1和I2，如公式(3)和公式(4)所示：，如公式(3)和公式(4)所示：其中，E表示相对于参比电极的电位：E＝E
ss
+ΔE，E
ss
是稳态下的电位，ΔE是扰动电位；C
Cl
‑
是阴离子浓度，C
Cl
‑
被合并到参数k1中，k1，k2，r1和r2均是动力学参数；θ是腐蚀产物覆盖的表面积比例；θ变化的速率如公式(6)所示：其中K是转换系数；步骤二：腐蚀产物的表面覆盖变化率是所有系统变量的函数，在电位扰动的条件下，将变化率根据泰勒级数变换，得到公式(12)和公式(13)：根据泰勒级数变换，得到公式(12)和公式(13)：Z
F
表达式等效于由电阻R和复合元件(RC)串联组成的电路；因此，Z
F
的等效电路符号可以用R(RC)给出，如公式(14)所示：建立与复阻抗曲线对应的等效电路模型R
s
(C
dl
(R
t
(R
p
C
p
)))，其中R
s
是土壤的体积电阻，C
dl
是电极表面的双电层电容，R
t
是金属溶解反应的电荷转移电阻，R
p
和C
p
分别是金属钝化反应电阻行为和电容行为；通过计算氧化膜的分数表面覆盖率的变化来解释影响金属界面腐蚀动力学的演变规律；动力学参数I1，I2和物理参数θ的计算公式如下所示：I1＝1/(R
t
+R
p
)(r1‑
r2)
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(29)I2＝R
t
+R
p
‑
r1R
t
‑
2r1R
p
r2R
t
(R
t
+R
p
)
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(30)溶解反应电流I1表示金属基体损失的速率，钝化反应电流I2表示腐蚀产物的生成速率，
腐蚀产物层覆盖率θ表示金属基体表面腐蚀产物层的覆盖率。2.根据权利要求1所述的一种金属材料土壤腐蚀速率的预测方法，其特征在于，步骤一所述的阴离子辅助溶解反应如方程(1)所示：金属钝化反应如方程(2)所示：Fe + 3OH
‑→
FeOOH + H2O + 3e
‑
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(2)。3.根据权利要求1所述的一种金属材料土壤腐蚀速率的预测方法，其特征在于，总电流密度I由法拉第电流密度I
F
和非法拉第电流密度I
dl
组成，如公式(5)所示：其中C
dl
是双电层电容；影响I
F
的状态变量X为电极电位E和腐蚀产物的表面覆盖率。4.根据权利要求1所述的一种金属材料土壤腐蚀速率的预测方法，其特征在于，所述的步骤二基于偏微分方程，建立法拉第电流表达式与等效电路模型的关系；通过数学建模分解腐蚀过程中的阻抗响应过程，从而建立阻抗响应的数学模型，法拉第电流密度如公式(7)所示：I
F
＝f(E,X,C)
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(7)其中E是电极电位，X是电极表面上的...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙辅南，白向灵，郭天天，王星毅，何斌，韩鹏举，马富丽，王效渊，李灏，杨景超，王迎心，秦健栋，秦新皓，刘嘉江，陈涛，朱佳敏，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：