Q2 3 5 B钢在不同土壤环境中的腐蚀研究

黄志鹏

（福建省特种设备检验研究院漳州分院，福建 漳州 363000）

土壤腐蚀是指土壤中的水分、溶盐和微生物等组分的作用下对地下的设施、构建物以及输送管道等设备不断侵蚀而发生的腐蚀破坏现象。由于土壤腐蚀现象一般发生在地下，所造成的腐蚀破坏较难以发现及检测，对设备的安全运行有着重大的影响。为此有必要对土壤腐蚀的影响因素进行深入的研究。Q235B钢是实际工程中被应用最广泛的碳钢之一，尤其是被应用于埋地设施中，因此对Q235B钢在土壤中的腐蚀研究具有较强的理论意义和实际应用价值[1-4]。

选择漳州市郊区的土壤，能过室内化学实验，利用电化学测试手段，对Q235B钢在4种不同土壤环境下的腐蚀速率进行了研究，从理论和实验上研究Q235B钢在土壤中的腐蚀规律并总结了一些防腐措施。

1 实验装置及测量方法

1.1 实验装置及研究试样

实验所用仪器是CR-6型腐蚀性测量仪，采用I型电极电缆线（适用同种材料三电极），实验装置如图1-1所示。研究试样为Q235B钢，其为圆柱体（高25mm，直径6mm）。试样工作面积是5cm2。试样工作面在使用前经砂纸打磨并用无水乙醇清洗，然后晒干，等待实验。

1.2 土壤介质的制备处理

1.2.1 土壤样品的采集与制备

采集漳州市郊区的土壤，取出一小份进行原始土壤理化性质分析。其余的加入去离子水静置一天后，去除水分，再经过一个星期的晒干，研磨，用20目的筛子过筛，所得土壤即为实验所需土壤。在要进行实验前，先在105℃下烘干3小时，再进行实验。

1.2.2 土壤样品的理化分析

1.2.2.1 氯离子含量的测量

将采集好的原始土壤在实验室内进行化学分析，氯离子采用硝酸银与其反应在铬酸钾做指示剂到沉淀结束为止。

1.2.2.2 土壤含水量测量

测量100g的原始土壤，放入烘箱内至105℃高温烘干，用电子测量仪称量出烘干后的土壤重量，所减少的质量即为土壤含水量。

1.2.2.3 PH值的测量

向50g的原始土壤内加入去离子水50g，混合后取其浸出液，用PH试纸测出土壤PH值。

1.2.2.4 孔隙率的测量

采用排水法测量。取原始土壤100ml,放向量筒里，再加入100ml的水，静置一段时间后，测量混合之后的体积，所减少的体积即为孔隙体积。

测得原始土壤的相关理化性质数值见表1。

1.2.3 试验参数模拟

采用室内模拟土壤环境的方法研究Q235B钢在土壤中的腐蚀情况，由于影响土壤腐蚀的影响因素众多，考虑现有实验室条件的限制，现主要进行以下几个实验参数的模拟：

1.2.3.1 土壤含水量

按标准土样的质量计算出相应条件下所需要水的质量，用量筒量取蒸馏水，并精确至小数点后两位，将量取的蒸馏水用均匀地喷洒在标准土样上，并用玻璃棒搅拌均匀，即得到相应含水量的土壤。

1.2.3.2 孔隙率

采取足够量已烘干的土壤，向土壤内加入离子水，配制含水量为10%的土壤，取出100g用排水法测量其孔隙率，然后按公式算出不同孔隙率下的体积。

1.2.3.3 PH值

计算出所需H+或OH-的量，然后换算成相应的醋酸或NaOH的质量，并使用电子天平称量。将其溶于蒸馏水中待完全溶解后，均匀地喷洒在标准土样上，并用玻璃棒搅拌均匀，就可以得到相应PH值的土壤试样。例如要配制PH=6的土壤50kg，则c（H+）=10-6mol/l，需要添加的醋酸的质量为：10-6×50×60=3.0×10-3g。

1.2.3.4 氯离子浓度

实验要配制不同氯离子浓度的土壤。计算出所需的Cl-的量，然后换算成相应的NaCl的质量，并使用电子天平称量。然后将称量后的NaCl溶于蒸馏水中，用玻璃棒搅拌均匀后均匀喷洒在土样上，搅拌均匀，即可得到相应氯离子浓度的土壤。

2 实验结果与分析

2.1 不同含水量情况下的腐蚀速率变化

为获得Q235B碳钢在不同含水量的土壤中的腐蚀情况，根据土壤理化性质的分析，按含水量参数模拟配制含水量分别为5%、15%、25%、35%、45%的土壤样本。实验所测量的结果如图2-1：

由上图中可以看出，随着土壤含水量的增加，碳钢试样的腐蚀失重也不断增大，当含水量达到25%的时候出现了极大值，即腐蚀速率出现极大值，随着土壤含水量的不断增加，土壤的腐蚀速率反而下降了，整个曲线呈现抛物线趋势。在土壤中，金属表面与土壤的接触主要有两部分，一是与土壤直接接触，二是与土壤孔隙率接触，两部分的氧浓度不一样，导致产生因氧浓度差引起的电池反应，当含水量达到一平衡值时，该电池反应最大，即腐蚀失重量达到最大。当含水量超过平衡值，多出的水分将填满土壤间的空隙，土壤的透气性将随着含水量的增加而不断减弱，从而导致土壤中的溶解氧减少，使腐蚀的阴极反应减弱，从而导致土壤腐蚀速率的降低。

2.2 不同孔隙率情况下的腐蚀速率变化

为获得Q235B碳钢在不同孔隙率的土壤中的腐蚀情况，根据土壤理化性质的分析，按孔隙率参数模拟配制孔隙率分别为30%，35%，40%，45%，50%的土壤样本。实验所测量的结果如图2-2：

由图表2-2可以发现，土壤腐蚀失重随着土壤孔隙率的增大呈先增大后减小的规律，并且在孔隙率为40%时达到最大。这与含水量的变化趋势基本相同，越小的孔隙率其土壤的透气性越差，不利于土壤中的溶解氧接触到金属表面，导致氧的去极化作用减缓，抑制了阴极过程，减缓了金属的腐蚀过程；但是当孔隙率超过40%后，由于溶解氧含量过多，电极金属表面反而会出现氧的钝化现象，使土壤腐蚀速率减小。

2.3 不同PH值情况下的腐蚀速率变化

为获得土壤中PH值大小对Q235B碳钢的腐蚀影响，根据土壤理化性质的分析，按PH值参数模拟配制PH值分别为5、6、7、8、9的土壤样本。实验处理曲线图如图2-3。

由图2-3可知，随着PH值的增加，腐蚀速率呈下降趋势。当土壤PH值﹤7时，曲线斜率较大，试样的腐蚀速率随PH值的变化幅度较大，其中PH值=5时的腐蚀速率最大；当土壤PH值﹥7时，曲线趋于平缓，说明PH值对金属的腐蚀速率的影响较小。土壤的PH值对金属腐蚀的阴极反应具有较大的影响，试样在酸性土壤中会发生析氢反应，而且由于析氢腐蚀速率比吸氢腐蚀速率大，导致腐蚀失重量随PH值的增大而明显减小；在土壤PH值≥7时，阴极过程主要是氧的还原反应，与氢离子浓度不存在直接的关系，所以曲线与在酸性土壤中的变化相比趋于平缓[5]。

由于自然环境大多数土壤是中性的，但腐蚀质土壤上土壤的酸性程度最大，pH值大约在5左右，从实验结果上看pH值越小，土壤腐蚀性越强。由于在自然环境中，一般的土壤环境的pH值不会在5以下，所以此次实验就进行到pH=5为止，没有再往下进行研究。

2.4 不同Cl-浓度情况下的腐蚀速率变化

为获得土壤中Cl-浓度对Q235B钢腐蚀的影响，根据土壤理化性质的分析，按Cl-浓度参数模拟配制Cl-浓度分别为0、0.05%、0.2%、0.4%、0.6%、1%的土壤样本，实验处理曲线图如图2-4。

由图2-4可知，整个腐蚀过程试样腐蚀失重与Cl-含量的变化呈现抛物线趋势，随着Cl-质量分数不断增大，腐蚀失重初期变化较为平缓，当质量分数达到0.4%后，腐蚀失重量突然增加，在0.6%处达到最大值；Cl-质量分数继续增大，土壤腐蚀失重量反而出现下降的趋势。其原因是氯离子的含量增大了土壤的电导率，会不断破坏金属表面的钝态，促进了腐蚀的阳极极化过程，从而加快试样的腐蚀。但是当Cl-质量分数超过一定值后，氯离子会阻碍其他阴离子参与电极反应，还会是土壤中的溶解氧减少，反而降低了土壤的腐蚀性[6]。

3 结论

文中主要研究在不同含水量、孔隙率、PH值及Cl-浓度等4个因素对对Q235B钢腐蚀情况的影响，通过实验研究得出的主要结论是：Q235B钢在土壤中的腐蚀速率随着含水量和孔隙率增加呈现出先变大后变小的规律，并分别在含水量为25%时和孔隙率为40%时达到最大；腐蚀速率在酸性土壤中随着PH值的降低而升高，在中性和碱性的土壤环境下，PH值对腐蚀速率的影响较小；土壤的Cl-浓度对Q235B钢的腐蚀在Cl-的质量分数为0.6%的时候出现一个极大值，当Cl-的质量分数超过0.6%时，腐蚀速率呈现下降趋势。

影响土壤腐蚀的因素众多，由于时间和实验室条件的限制，只研究土壤中不同含水量、孔隙率、PH值及Cl-浓度等四个因素对Q235B钢的腐蚀行为，而对其他的土壤腐蚀因素没有进行研究，不能确定其他变量对Q235B钢的土壤腐蚀规律的影响。在以后的研究中，可以增加更多的土壤腐蚀因素进行研究，总结出更多在单个腐蚀因素下的土壤腐蚀规律。

[1] 张淑泉，孙成，李洪锡，等.我国土壤腐蚀性调查概况[J].全国环境腐蚀网站通讯，2000，235：7.

[2] 陈匡民.过程装备腐蚀与防护[M].北京：化学工业出版社，2001.

[3] 曹楚南.中国材料的自然环境腐蚀[M].北京：化学工业出版社，2004.

[4] 罗金恒.在役油气管道土壤腐蚀研究现状[J].石油工程建设，2004，30（4）：1-5.

[5] 席艳军，孙成.酸性土壤腐蚀[J].腐蚀科学与防护技术，2002，14（4）：247-248.

[6] 董超芳，李晓刚.土壤腐蚀的实验研究与数据处理[J].腐蚀科学与防护技术，2003，15（3）： 154-160.