海底管线焊接接头电偶腐蚀过程的精确建模及跨尺度表征

It remains unknown that the evolution and its electrochemical mechanism of internal galvanic corrosion process of welded joints within submarine pipelines, and it is difficult to characterize this multi-phase, multi-interface and highly heterogeneous localized corrosion process using traditional electrochemical methods. Therefore, we here propose to investigate the galvanic corrosion process of the welded joints accurately modeled by a micro-electrode array, prepared with meso-scale discrete partition, thermal simulation treatment and modular re-construction, exposed to the precipitated liquids from natural gas fluids, and characterize the local anodic dissolving electrochemical behavior of them and their time-space evolution pattern by incorporating classical electrochemical technique, micro-electrode array technique with micro-electrochemical technique. We aim to establish a dynamics model reflecting local anodic dissolution of welding joints of submarine pipelines, to clarify the quantitative relationship between the local anodic dissolution rate and its influence factors including temperature, liquid composition, pH value and etc., and to correlate variety of electrode/liquid interface information obtained by above electrochemical techniques with different spacial dissolution and scale. Furthermore, we will focus our efforts on identifying the rate-determine-step and its transition within the localized corrosion process. Not only is there a significant meaning to thoroughly understand the phenomena and scientific issues in multi - phase reaction process, but also it will play an important role in guiding the in-situ welding and corrosion control of submarine natural gas transportation pipelines.

海底管线的焊接接头是一个由焊缝金属、热影响区和母材等多个部分组成的、存在宏观腐蚀电池和微观腐蚀电池耦合的非均匀结构，在天然气凝析液中易产生严重的电偶腐蚀，已造成多起管线失效事故及巨大损失，迫切需要研究解决。传统的电化学手段在表征这种多相、多界面、高度不均匀分布的电化学反应过程时存在一定的困难和局限性，导致焊接接头局部腐蚀演化过程的电化学机制目前仍不十分清楚。本项目拟通过离散、焊接热模拟处理和模块化重构的方式来实现焊接接头的精确建模，并通过发展微电极阵列技术与经典电化学技术和微区电化学技术耦合测试的跨尺度研究新方法，用以澄清焊接接头的电偶腐蚀行为及其演化规律，分别获取宏观、介观和微观尺度的电化学动力学信息并建立跨尺度关联，进而阐明这一局部腐蚀演化过程的电化学机制。研究成果有助于深化对多相反应过程中的介尺度现象和科学问题的理解和认识，亦可为海底输气管线的现场焊接和腐蚀控制提供科学依据。

海底管线的焊接接头是一个由焊缝、热影响区和母材等多个部分组成的、存在宏观腐蚀电池和微观腐蚀电池耦合的非均匀结构，在天然气凝析液中易产生严重的电偶腐蚀。X80管线钢焊接接头在模拟天然气凝析液中的失重腐蚀测试结果表明，当各自孤立存在时，母材和焊缝的耐蚀性高于热影响区，而三者一旦耦合，焊缝在腐蚀宏电池的作用下阳极溶解加速，而母材及热影响区的腐蚀则减缓。在决定焊接接头腐蚀速率的众多因素中，乙酸浓度和温度是主要的环境因素，而热影响区的微观结构则是主要的材料因素，并且焊接接头在一定温度范围内的腐蚀速率与凝析液pH值满足一阶衰减指数函数关系。.通过采用离散、焊接热模拟和模块化组装，项目组建立了X80钢焊接接头的模块化结构重构方法；通过阵列电极测试与经典电化学和微区电化学测试联用，发展了焊接接头局部腐蚀机制的多尺度表征新方法，可分别获取并相互关联焊接接头整体、各组成部分、微电极和局部微区等不同分析尺度的电极过程动力学信息。发现焊接接头各组成部分的电极过程主要在阳极溶解反应上存在差异，微电偶效应导致熔合线附近的焊缝区微电极具有最大的阳极电偶电流；宏观上表现为阴极的热影响区及母材在微观上均存在局部阳极活性点，在腐蚀微电池与腐蚀宏电池的耦合作用下，局部阳极反应或阴极反应被强化或抑制，在一定条件下会发生微电极和微区之间的电流极性反转现象；焊接接头的电偶腐蚀强度对焊缝的面积变化比较敏感，而乙酸会显著提高电偶腐蚀强度；另外，在焊接接头表面活性溶解区和腐蚀产物覆盖区之间会形成新的电偶对，影响电偶腐蚀进程的发展。.项目组提出了定量表征焊接接头局部腐蚀破坏风险的电偶腐蚀强度因子和跨尺度关联的焊接接头局部腐蚀模型，并在应力场和电化学场耦合的条件下构建了其数值仿真模型，获得的X80钢焊接接头局部腐蚀数值模拟结果与实验结果高度吻合，在弹性应变条件下电化学作用占主导，在塑性应变条件下则是力学作用为主导。.以上研究成果将有助于深化对非均匀结构、多相反应过程中的多尺度现象和科学问题的理解和认识，亦可为海底管线的焊接工艺改进和腐蚀控制提供科学依据，保障管道的长期安全运行。