阴极保护对X70钢在卵石黄泥土中腐蚀行为的影响

费小丹，李明齐，蔡铎昌，唐敬友，李江波

1.西南科技大学国防科技学院，四川 绵阳 621010

2.西华师范大学化学化工学院，四川 南充 637002

地下的金属管道，如果不采取合理的防腐措施，或措施不当、管理不善，都有可能引起管道腐蚀穿孔，造成管道泄漏事故，甚至使整段管道报废。阴极保护是防止腐蚀的重要措施。90年代以来，能源、交通、城市建设等行业飞跃发展，对阴极保护的需求猛增。阴极保护有牺牲阳极的阴极保护和外加电流的阴极保护。进行防腐研究的工作者采用不同方法研究了阴极保护对金属腐蚀行为的影响。葛艾天等研究了陕京管道站场的区域阴极保护[1]。孙魁对阴极保护系统的供电方式、阳极材料及安装方式、排流方式、监测系统等方面进行了探讨[2]。韩国的Jung-Gu Kim等用塔菲尔曲线法研究了25～95 ℃下，阴极保护电位对绝热管线在模拟地下水的腐蚀的影响[3]。尼日利亚的M.T.Lilly等研究表明牺牲阳极的阴极保护和外加电流的阴极保护可有效减小油气管线腐蚀[4]。

X70钢是西气东输工程指定用钢。西气东输工程是我国建国以来距离最长的天然气管道工程，干线线路总长约4000 km，途经的土壤的类型繁多。卵石黄泥土是一种分布广泛的酸性土壤，其腐蚀性很强。但是关于X70钢在这种土壤中腐蚀规律的研究还未见报道。所以有必要评价阴极保护对X70钢在该种土壤中的腐蚀速率，为工程的安全运行提供依据。本文采用外加电流的阴极保护，通过失重法和交流阻抗法研究阴极保护电位对X70钢在卵石黄泥土中腐蚀行为的影响规律，探讨要使X70钢获得较好的保护效果所需施加的保护电位。

1 实验方法

1.1 实验土壤

土壤取自四川省南充地区的卵石黄泥土。将取回的土壤自然风干，除去其中的草根、石块等杂物，仔细研磨，使其通过20目的土壤筛。然后在烘箱中105 ℃烘6h以除去土壤中残余的水分，杀死土壤中的微生物。处理后的土壤与蒸馏水均匀混合，配成湿度20%的土壤介质，装于500 ml的塑料烧杯中。为防止水分蒸发，加盖密封，24h后待体系稳定进行测定。

1.2 实验材料

将 X70钢 加 工 成10 mm×10 mm×4 mm和 30 mm×30 mm×4 mm的试样，并在样品背后焊上铜导线，然后将非工作面用沥青封装。电化学测试前工作表面依次用120#～1000#的金相砂纸磨光后，酒精及丙酮去油，蒸馏水洗净。

1.3 测试方法

阴极极化电位分别为-850 mV、-950 mV、-1050 mV(相对Cu/CuSO4电极)。试验周期为30天。

1.3.1 电化学阻抗谱测试

交流阻抗测试采用CHI618B电化学分析仪(上海辰华仪器公司)。阻抗测试激励信号为5 mV的正弦波，测试频率范围为5 mHz～100 kHz。用Zsimpwin软件进行交流阻抗曲线拟合处理，确定交流阻抗的各参数值。

1.3.2 腐蚀失重测试

实验结束后，将试样表面的沥青除去（难于去除的用二甲苯溶剂清洗），在500 ml盐酸加500 ml蒸馏水加20 g六次甲基四胺溶液中除去试样表面的腐蚀产物。水洗、吹干后，在分析天平上称重，精确到0.1 mg，计算腐蚀失重。

1.4 试验结果及讨论

1.4.1 阴极极化电位对阴极保护效率的影响

图1是采用失重法测得的卵石黄泥土中X70钢腐蚀速率随着阴极极化电位的变化情况。可以发现，随着阴极极化电位负移的增大，X70钢在卵石黄泥土中的腐蚀速率逐渐减小。在阴极极化电位为-850 mV条件下，X70钢的阴极保护效率为58.7%；在阴极极化电位为-950 mV条件下，X70钢的阴极保护效率为77.3%；在阴极极化电位为-1050 mV条件下，X70钢的阴极保护效率达到了94.5%。因此，本试验说明在卵石黄泥土中的阴极保护电位应负于-950 mV，否则土壤中的钢铁仍然会以较大的速率腐蚀。

1.4.2 阴极极化电流密度的变化情况

图2为在不同的外加阴极极化电位下电流密度随试验时间的变化情况，从图中可以发现，试验刚开始时几种阴极极化电位下X70钢所需施加的电流密度很大，随着试验时间的增加所需施加的电流密度逐渐减小并趋于稳定，而且随着阴极极化电位负移的增大，所需施加的电流密度稳定值越大。

图1 土壤中X70钢腐蚀速率随阴极极化电位的变化曲线Fig.1 Curve of the corrosion rate of X70steel versus cathodic potential in soil

图2 阴极极化电流密度随试验时间的变化曲线Fig.2 The variation of CP current density with test time

1.4.3 交流阻抗法研究阴极极化对X70钢腐蚀的影响

图3为外加阴极极化电位下卵石黄泥土中X70钢的交流阻抗图。从图中可以发现，随着阴极极化电位负移，X70钢的交流阻抗图半圆逐渐增大，说明阴极极化电位越负，X70钢的腐蚀速率越小，保护效率就越高。这与失重法测得的结果一致。图4为在-950 mV的阴极保护电位下，卵石黄泥土中X70钢的交流阻抗图随着试验时间的变化情况。从图中可以发现，随着试验时间的增加，卵石黄泥土中X70钢的交流阻抗弧逐渐增大，这说明随着试验的进行，卵石黄泥土中X70钢的腐蚀速率逐渐减小。表1和表2分别图3和图4的阻抗图谱数据解析结果。Rl表示电极表面腐蚀产物和土粒组成的结合层的电阻，Rt表示电荷转移电阻，由于土壤腐蚀的EIS弥散效应很强，所以均用常相位角元件CPE1 代替腐蚀产物结合层电容元件， CPE2代替双电层电容元件。由表1可知，电荷转移电阻随着极化电位的负移而增大，腐蚀速率减小；由表2可知，在-950 mV的极化电位下，电荷转移电阻随着腐蚀时间的增加而增大。

图3 在土壤中不同阴极极化电位下X70钢第16天的阻抗图Fig.3 EIS for X70 steel at different potentials in soil after 16 days

图4 -950mV极化电位下土壤中X70钢阻抗图谱随着试验时间变化Fig.4 EIS for X70 steel with different test times at -950 mV in soil

2 结论

1）随着阴极极化电位的负移，卵石黄泥土中X70钢的腐蚀速率逐渐减小，阴极保护效率逐渐增大。阴极保护电位应负于-950 mV才能使卵石黄泥土中的X70钢获得较高的保护效率；

2）在不同的阴极极化电位下，随着试验时间的增长，所需施加的电流密度逐渐减小并趋于稳定，而且随着阴极极化电位负移的增大，所需施加的电流密度稳定值越大。

表1 X70钢在不同阴极电位下阻抗图谱数据解析结果Table 1 Fitted results for EIS of X70 steel in soil at different potentials

表2 X70钢在-950m V的阴极极化电位下阻抗图谱随时间变化的数据解析结果Table 2 Fitted results for EIS of X70 steel in soil after different days at -950 mV

[1]葛艾天,涂明跃.区域阴极保护在陕京管道站场的应用[J].腐蚀与防护,2009,30(5):343-345.

[2]孙魁.西气东输管道工程阴极保护技术的探讨[J].石油工程建设,2001,30(5):5-8.

[3]Jung-Gu Kim，Yong-wook Kim.Cathodic Protection criteria of thermally insulated pipeline buried in soil[J].Corrosion Science，2001，43：2011-2021.

[4]M.T.Lilly ，S.C.Ihekwoaba ，S.O.T.Ogaji，S.D.Probert.Prolonging the lives of buried crude-oil and natural-gas pipelines by cathodic protection[J].Applied Energy 2007(84)：958-970.