交流干扰下相邻涂层缺陷管道的腐蚀机制：界面过程分析与动态电化学域转移研究

推荐：针对埋地管道在交流(AC)杂散电流作用下的腐蚀风险，研究人员通过双电池电化学装置和pH荧光膜原位分析技术，揭示了AC密度对缺陷间电位差的非依赖性影响及界面pH反转现象。研究发现AC电场通过增强界面传质形成氢氧根/氢离子浓度梯度，导致阳极区pH升高(抑制腐蚀)而阴极区pH降低(促进腐蚀)，动态改变了Pourbaix图中电化学域分布。该工作为理解AC腐蚀的界面机制提供了新视角。

　　

埋地管道作为能源输送的"动脉"，其安全运行长期受到杂散电流腐蚀的威胁。传统研究多聚焦于直流(DC)干扰，而随着高压输电、轨道交通等基础设施的密集建设，交流(AC)杂散电流导致的腐蚀问题日益突出。尽管早期认为AC腐蚀效应远弱于DC，但近年现场调查显示，在涂层缺陷区域，AC干扰可引发局部腐蚀速率激增，甚至导致管道穿孔失效。这种特殊腐蚀行为的机制尚不明确，特别是相邻缺陷间电化学相互作用、界面微环境演变等关键科学问题亟待破解。

针对这一挑战，中国的研究团队创新性地设计了双电池电化学系统，结合原位pH荧光成像技术，首次揭示了AC杂散电流作用下碳钢涂层缺陷区域的动态腐蚀机制。研究发现，AC电流密度并不直接影响缺陷间电位差，但会显著改变界面pH分布特征——阳极区pH随AC电流增加而升高，这与传统腐蚀理论预期相反。通过Nernst-Planck方程建模分析，团队发现AC电场能在双电荷层界面形成氢氧根(OH^-)和氢离子(H⁺)的陡峭浓度梯度，这种独特的质量传递效应导致阳极腐蚀电位负移减缓(pH升高)，而阴极区则呈现更显著的电位负移(pH降低)，最终引发腐蚀反应在Pourbaix图上的动态域转移。该成果发表于《Materials》期刊。

关键技术方法包括：1) 设计对称/非对称面积的双电池电化学装置，隔离相邻缺陷的电化学相互作用；2) 采用8-羟基芘三磺酸(HPTS)荧光膜实现界面pH原位监测；3) 结合超深场显微镜(UDM)和扫描电镜(SEM)表征三维腐蚀形貌；4) 建立基于Nernst-Planck方程的离子迁移模型，量化AC电场对传质过程的影响。

【3.1 不同AC密度下的腐蚀电位】
通过Q235钢双电池系统发现：当左右电极面积相等时(S_left=S_right=1 mm²)，AC密度从200增至1000 A/m²时两侧电位差始终<0.05 mV；而当面积不等时(S_left=1 mm², S_right=18 mm²)，电位差呈现先增大后减小趋势，在800 A/m²时最小(37.03 mV)。极化曲线显示，小面积电极更易成为阳极区，但电位差与AC密度非单调相关。

【3.2 腐蚀特性与界面pH分析】
形貌表征表明：面积不等时，小面积阳极区出现深度达47.26 μm的点蚀坑，而大面积阴极区仅12.07 μm。XRD检测到阳极区主要腐蚀产物为FeOOH，阴极区则为Fe₃O₄。荧光pH成像显示，阳极区pH最高达8.5(初始6.8)，且随AC密度增加呈上升趋势，形成明显的空间非均匀分布。

【3.3 模型假设与分析】
建立包含AC正弦电场(频率50 Hz)和双电荷层直流场的复合模型，计算得出：H⁺在AC/DC叠加场中的迁移速度(3.01×10^-3 m/s)是纯DC场的10倍。这种强化传质导致界面形成超高浓度梯度——阳极区OH^-富集(pH↑)，阴极区H⁺积累(pH↓)，进而通过Nernst方程(E_x=(RT/zF)ln(c_out/c_in))改变局部电极电位。

该研究突破了传统AC腐蚀研究的界面传质认知局限，首次揭示了"pH反转"现象对腐蚀热力学的调控机制。提出的双电荷层-质量传递耦合模型为预测AC干扰下管道腐蚀风险提供了新理论框架。实践层面，研究提示现行阴极保护标准需考虑AC诱导的界面pH变化，为开发新型AC腐蚀防护技术指明了方向——通过调控涂层缺陷的几何分布或引入pH缓冲层，可有效抑制阳极/阴极区的动态域转移。这些发现对保障我国长输管道的安全运行具有重要工程指导价值。