同一退役Q355C压力钢管内外壁腐蚀差异的多证据比较：锈层结构控制与720 h连续电偶监测

《Materials》：Effects of Unconventional Supplementary Cementitious Materials on the Mechanical Strength and Environmental Benefits of Cement-Based Materials—Multi-Objective Optimization for Separately Modified Mortars

　　

水电站压力钢管的两面共享同一钢壁，但几乎不共享其他条件：内表面持续被流动水库水润湿，而外表面仅被电站大气间歇润湿。研究人员采用截面电子显微镜、动电位极化（PDP）、阻抗谱（EIS）、除锈表面的共聚焦轮廓术以及每分钟采样一次的720 h连续电偶电流监测，对一根退役Q355C压力钢管的两表面进行比较。外表面锈层更厚，并呈现裂纹、层间剥离和孔隙，而其拟合锈层电阻低于内表面。实验室电化学测量未能建立两表面服役腐蚀速率的可靠比较。31个外表面点蚀中有1个超过0.5的深度与等效口部直径比，而59个内表面点蚀中无一超过；然而该比例差异无统计学显著性。现有720 h电偶电流记录显示两表面总体下降，并伴时间波动。

需指出，上传文本题名所述非常规补充胶凝材料对水泥基材料机械强度和环境效益及砂浆多目标优化，与摘要和正文实际研究的Q355C压力钢管双面腐蚀不一致；以下解读依据摘要和正文内容。压力钢管是水电站中承担荷载并将水库水输送至水轮机的管道，其结构完整性关系到发电可用性和电站安全。由于压力钢管属于薄壁承压结构，腐蚀造成的截面损失会直接削弱承载能力，局部点蚀还会形成应力集中并可能促进疲劳或脆性断裂。内表面长期浸没于流动水库水，且可能承受水动力剪切和颗粒冲击，腐蚀形式涉及均匀腐蚀、点蚀和冲刷腐蚀；外表面处于厂房廊道或露天环境，受大气暴露、冷凝、渗漏和外涂层状态控制，间歇润湿与持续浸没并非只是程度差异。现有压力钢管研究多集中于检查实践、安全评估和保护策略，内腐蚀成因已有较多文献，但缺乏对同一管道内外两表面的直接、同条件比较。不同结构之间或现场表面与实验室试片之间的比较，会混入钢化学成分、热机械历史、焊缝位置和服役时长差异；只有同一退役构件能在同一基体上同时承载两种环境，并隔离环境贡献。与此同时，连续传感器监测和三维表面计量的发展，使研究人员能够解析离散采样难以观察的随时间行为和完整点蚀群体。基于此，研究人员对一根退役Q355C压力钢管同一管段的内外表面并行表征，采用锈层截面结构与成分、锈蚀表面稳态和阻抗响应、除锈后点蚀形状统计以及720 h连续电偶电流记录四类独立证据，目的不仅是判断哪一表面腐蚀更快，而是确定锈层的何种物理性质区分两表面以及该性质如何控制损伤形状。研究结果强调锈层结构而非厚度对保护性的影响，同时表明实验室电化学结果、有限点蚀样本和连续监测记录均不能直接等同于服役腐蚀速率或穿透风险，对压力钢管检测中结合点蚀测量与壁厚数据具有参考意义。

关键技术与方法（不超过250字）：样本取自某水电站退役Q355C压力钢管同一管段，以保留原始内外表面锈层；每种表面条件设置3个独立重复。采用截面扫描电子显微镜（SEM）与能谱仪（EDS）观察锈层厚度、裂纹和元素分布；在3.5 wt.% NaCl中进行三电极PDP和EIS测试，并以Butler–Volmer关系拟合表观动力学参数；化学除锈后用激光扫描共聚焦显微术测量Sa、点蚀深度和口部直径，计算点蚀形状因子K并以bootstrap和Fisher检验统计；在现场安装七对叉指Cu/Q355C电偶传感器，连续720 h、每分钟采样，获得每面4.32×10⁴个电流数据。

研究结果如下。3.1 基体显微组织：通过光学显微和SEM观察，管体呈铁素体–珠光体两相组织，珠光体片层完整、相界清晰，未见脱碳层、带状组织或异常晶粒；但未分别表征内外近表面，不能排除其微结构差异。3.2 锈层结构与元素分布：通过截面背散射SEM和EDS元素图，内表面锈层平均65.52 μm，连续、致密、缺陷少且界面平缓；外表面锈层平均167.21 μm，约为内表面的2.6倍，但存在平行于基体的长裂纹、横向连接裂纹、层间剥离和孔隙，不能形成连续屏障，锈/钢界面更不规则。两层均富集Fe和O；内层O集中于窄带，外层O贯穿全层并被裂纹网络打断；两层均可检出S，外层可能与大气含硫物种有关，内层可能来源包括MnS夹杂溶解、水中硫酸盐和微生物生成含硫物种；外层Cl分布异质，内层Cl强度接近检测噪声；Cr和Ni图谱处于技术噪声水平，未据此作元素分配结论。3.3 锈蚀表面的电化学响应：通过PDP和EIS，内表面开路电位（OCP）为?0.643 V（vs SCE），外表面为?0.690 V，内表面正47 mV。极化曲线无长恒定斜率段，不能采用直线Tafel外推；经iR校正的Butler–Volmer拟合给出表观腐蚀电流密度内表面32.23 μA/cm²、外表面41.21 μA/cm²，这些值表征参考电解液中的响应，不直接解释为服役腐蚀速率。EIS谱宽而重叠，且10 mHz处未闭合，拟合依赖低频外推。拟合电荷转移电阻R_ct内表面140.7 Ω·cm²、外表面138.9 Ω·cm²，数值接近但不能证明本征电荷转移动力学相同；锈层电阻R_f内表面14.8 Ω·cm²、外表面6.21 Ω·cm²；R_f/R_ct分别为0.105和0.045，R_f/(R_f+R_ct)分别为9.5%和4.3%。Q_dl为恒相位元件（CPE）系数，n_dl分别为0.538和0.478，响应强非理想，不能直接据此推断活性面积。3.4 除锈后的损伤形貌与点蚀形状统计：通过化学除锈后激光扫描共聚焦，分析面积为31.425 mm²。内表面有59个点蚀，密度1.877 pits mm^?2，算术平均高度Sa为11.05 μm，最大点蚀深度65.48 μm；外表面有31个点蚀，密度0.986 pits mm^?2，Sa为23.98 μm，最大深度80.44 μm；Sa相差2.2倍，而最大深度仅相差1.2倍。内表面最大点深与内锈层平均厚度数值接近，但二者分别由表面轮廓术和截面显微术独立获得，属数值巧合。点蚀形状因子K均值内表面0.250、外表面0.295，差异不显著（Mann–Whitney检验p=0.10；Welch检验p=0.11）；分布形态不同：内表面偏度0.61、峰度?0.35、最大K=0.493；外表面偏度1.934、超额峰度6.349，bootstrap 95%置信区间分别为?0.537~2.551和?1.268~9.322，剔除最大K=0.83149后变为?0.176和?0.919，说明强右偏受单个极端点蚀影响。31个外表面点蚀中1个K>0.5，59个内表面点蚀中0个，双侧Fisher精确检验p=0.344，比例差异不显著；Shapiro–Wilk检验拒绝正态（内表面p=0.028，外表面p=0.0002）。样本量有限，不能据此开展服役寿命预测或穿透风险的极值分析，且缺少壁厚数据。3.5 连续电偶电流记录：通过现场连续电偶电流监测720 h、每分钟采样，每面4.32×10⁴个、总计8.64×10⁴个数据，并以腐蚀钟图呈现。内表面电流总体下降，环平均由前72 h约16.9 μA降至末72 h约16.4 μA，全记录均值约16.7 μA，超过90%位于16.50–17.00 μA，色场平滑；外表面电流全程约高1.1 μA，均值约17.8 μA，约60%位于17.75–18.00 μA，环平均在17.5–17.9 μA间变化，高低电流带沿径向反复交替，色场更斑驳。Spearman相关内表面为?0.911、外表面为?0.558；线性斜率内表面?0.01853 μA d^?1、外表面?0.00711 μA d^?1，block bootstrap 95%置信区间分别为[?0.02239, ?0.01473]和[?0.01138, ?0.00286] μA d^?1。两表面均呈总体下降并伴时间波动。该传感器使用裸新Q355C钢与铜，监测现场环境中新形成锈层的演化，不直接复现退役管壁厚服役锈层的动态；电偶电流也不能直接换算为钢的绝对腐蚀速率。

讨论部分总结：两表面锈层结构受润湿制度控制。内表面长期浸没，温度较缓冲且氧传输受限，形成薄而致密的锈层；外表面间歇润湿，经历反复水合、脱水和氧化还原循环，文献报道涉及γ-FeOOH与Fe₃O₄，但本研究未采用XRD或Raman直接鉴定晶相。厚度与保护性排序相反。研究人员以混合电极和Stern–Geary关系讨论极化行为，并以R_p=R_f+R_ct联系阻抗结果；极化分析给出的直流极化电阻为453.0和485.3 Ω·cm²，阻抗推导值为155.4和145.1 Ω·cm²，二者在大小和排序上不同；由于两表面Stern–Geary系数也不同，电阻排序不能直接等同于腐蚀速率排序，同一极化拟合所得量之间也不构成独立验证，直流与EIS差异的原因未被确定。将锈层视为多孔导体时，外表面较低R_f与其裂纹和层间剥离结构一致，但有效电化学面积不确定，限制电阻比和连通孔隙率比的定量解释。讨论中概括外表面平均锈厚约为内表面三倍，提示流动水可能剥离内表面疏松锈，因此厚度不能用于比较累计金属损失，验证仍需壁厚数据。研究局限包括：所有试样来自单一退役压力钢管段、仅用一种参考电解液、阻抗弧截断、监测仅720 h、点蚀样本共90个，不足以进行尾部极值分析；实际管道中的局部涡流、焊缝和冷凝微区可能调控腐蚀行为，将本构件结论推广至其他压力钢管工程需谨慎。

研究结论（翻译）：1. 所检查表面的锈层形貌不同。拟合的电荷转移电阻点估计接近，内、外表面分别为140.7和138.9 Ω·cm²，但其解释受拟合不确定性和低频外推限制，这些值不能证明本征电荷转移动力学相同。外锈层呈现裂纹和层间剥离。在拟合等效电路中，锈层电阻占总界面电阻的比例在外表面为4.3%、内表面为9.5%。因此，锈层厚度与保护性排序相反。厚度比较描述的是残留锈层，可能受未量化的锈层去除（包括可能的流动诱导剥离）影响。2. 实验室测试条件下，极化测量给出外表面更高的表观腐蚀电流密度。然而，直流与阻抗导出的极化电阻存在差异，限制了其定量比较；这些结果不能确定服役腐蚀速率差异，也不能证明速率等价。3. 外表面样本含一个高K点蚀，强烈影响其偏度和峰度。K>0.5点蚀比例在两面间无显著差异。由于样本量有限且对单一极端观测敏感，这些发现需谨慎解释。在已测点蚀中，内表面59个均未超过K=0.5，外表面31个中1个超过。该有限样本不能确定整条压力钢管的极端点蚀行为。4. 在可用720 h内，两表面的电偶电流均呈总体下降。仅凭这些观察不能确定外表面不存在下降趋势，也不能确认具体锈层生长机制。点蚀测量应与壁厚数据结合考虑，当前发现受点蚀样本量小限制。