低碳钢在抚顺各典型地区土壤中的腐蚀行为

史艳华， 梁 平， 张国福

（辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺 113001）

低碳钢在抚顺各典型地区土壤中的腐蚀行为

史艳华， 梁 平， 张国福

（辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺 113001）

采用埋片和电化学实验研究了常用结构钢20号钢在抚顺5种典型地区（东洲、望花、李石、露天矿、高尔山区）土壤中的腐蚀行为。研究表明，20号钢在5种土壤中的腐蚀速率不同，由高到低顺序为：李石农田区、露天矿区、东洲化工区、望花重工业区、高尔山区，其中腐蚀最严重的地区是李石农田区，年腐蚀速率为0．105 9 mm／a，约为高尔山区的10倍；电化学实验研究表明，20号钢在李石和露天矿区土壤中随浸泡时间延长形成锈层缓慢，锈层疏松不致密，且不连续、不稳定，对20号钢基材起不到保护作用，腐蚀较严重；而东洲化工区、望花重工业区及高尔山区土壤中20号钢表面能快速形成连续、致密且稳定的锈层，对基材起到保护作用，腐蚀较轻。

土壤腐蚀； 抚顺； 埋片试验； 电化学测试； 腐蚀行为

东北老工业基地抚顺是中国北方最大的石油化工城市，全国十大重工业区之一。市内5个典型地区因其自身地质特点及工业环境的长期影响，土壤所含有机质、p H值、重金属含量及有机污染物含量等理化指标显著不同［1－2］。由于各区土壤具有不同特点或不同类型及程度的污染，对土壤中各种埋地构件将造成不同程度的威胁，特别是对早期铺设的传统材料－铸铁或低碳钢等材质腐蚀严重，而现代工业和城市化的发展，各种埋地构件和管网越来越多，因而各种构件在抚顺市不同土壤区的腐蚀行为的研究将具有重大意义与研究价值。

我国管线钢的应用和起步较晚，已铺设的油、气管线大部分用低碳钢如20号钢、Q235等，这些管道的安全运行为国家的稳定发展起到非常大的作用［3］。从目前已有的文献看，我国对抚顺这种老工业城市土壤对埋地管线的腐蚀行为研究很少，已有的可供参考的数据少，难以在短期内满足发展需要。20号钢是工业常见容器和管道用钢，具有较好的力学性能、低廉的价格，易于加工成型等优点，在早期管线建设中被大量使用，但20号钢的耐蚀性较差，虽然在使用中都具有各种涂层防腐，但当涂层老化或破损时，腐蚀将加速。研究20号钢在抚顺5个典型土壤区（露天矿、望花、东洲、李石和高尔山）腐蚀行为和规律，将为20号钢在不同地区地下构件中的应用及工程的安全运行提供依据。

本文采用埋片和电化学方法研究20号钢在抚顺5种典型土壤中的腐蚀行为，并对其腐蚀规律和机理进行了初步分析。

1 实验部分

所用仪器：佳能850数码照相机，HY704烘干箱，德国赛多利斯BS224S电子天平，US3120DH超声波清洗器（沈阳超声波科技有限公司），20目筛子。

埋片用20号钢试样尺寸为50 mm×25 mm×2 mm，电化学试样以环氧树脂封样，电化学试样表面积为1 cm2。埋片试验：将经打磨→清洗→吹干→称量后的20号钢试样分别放入5种土壤饱和溶液中，平行试样3片，浸泡15 d，取出试样，清洗后观察20号钢表面腐蚀形貌，埋片后试样用除锈液（50 m L盐酸＋6 g六次甲基四胺＋50 m L去离子水）超声波50℃除锈10～15 min；所用土壤包括李石农田区土壤，望花重工业区土壤，露天矿区土壤，高尔山区土壤，东洲区土壤。

土壤处理：采集5个地区的地表1 m以下的土壤，用箱子分装；烘干箱105℃烘干2．5 h后，采用20目筛子进行研磨筛选，将土壤用去离子水搅拌成饱和的黏糊状备用，含水率约为30%～50%［4］。

式中：V为腐蚀速率，mg／（m2·h）；VI为年腐蚀速率mm／a；m0为试样原始质量，g；m1为腐蚀后去掉腐蚀产物以后的质量，g；m2为清除腐蚀产物时同样尺寸同样材料空白试样的校正失重，g；s为试样面积，m2；t为腐蚀时间，h。

电化学实验：采用PARSTAT2273电化学综合测试系统，三电极体系，以饱和甘汞电极作为参比电极，石墨作为对电极（尺寸为20 mm×20 mm×5 mm），20号钢试样作为工作电极。动电位极化曲线测试的扫描速度0．5 m V／s，浸泡初期和浸泡7 d时各测1次；电化学阻抗谱测试：自腐蚀电位下扰动正负10 m V，频率为10－2～105Hz，电化学阻抗谱连续测试7 d。

除锈后称量并计算埋片后的失重，计算平均腐蚀速率。腐蚀速率公式如下：

2 结果与讨论

2．1 20号钢在不同地区土壤中的腐蚀形貌

图1为经过336 h埋片实验前后20号钢的形貌。由图1可见，埋片前20号钢试样表面光亮可鉴，埋片后20号钢试样均出现不同程度腐蚀，其中在李石农田区腐蚀最为严重，试样表面均匀附着厚厚的黄色锈斑；露天矿区试样表面锈层明显且锈迹分布均匀，呈黄褐色；其它几区试样腐蚀均较轻，试样表面附着一薄层锈层。

Fig．1 Indoor buried corrosion test pre and post samples morphology photos of 20 steel图1 室内埋片实验前后20号钢试样形貌照片

2．2 20号钢在不同地区土壤中腐蚀速率

20号钢在5种典型土壤中的腐蚀速率如表1所示。由表1可见，土壤腐蚀最严重的是李石农田区，20号钢在李石农田区年腐蚀率为0．105 9 mm／a；其次是露天矿区，20号钢的年腐蚀速率0．038 8 mm／a，东洲区、望花重工业区及高尔山区土壤腐蚀速率较低，分别为0．024 5，0．019 0，0．010 6 mm／a。即20号钢在5种土壤中的腐蚀速率（由高到低）为：李石农田区、露天矿区、东洲区、望花重工区、高尔山区。

2．3 20号钢在不同地区土壤中极化曲线测试

图2为20号钢分别在5种典型土壤饱和溶液中浸泡初期和浸泡7 d后的极化曲线，采用power suit软件计算获得20号钢在各地区土壤中的自腐蚀电位及自腐蚀电流密度，结果如表2所示。

由图2和表2可见，20号钢在不同土壤中的极化曲线只有活化区，没有活化－钝化转变区，与董美等［5］的研究结果相似。经一段时间埋片后，自腐蚀电位均不同程度正移，其中李石农田区和东洲区正移较小，露天矿区正移较大，为62 m V，这与试样表面锈层形成和腐蚀阴阳极反应的过程密切相关［6］；自腐蚀电流密度的变化呈现不同的规律：浸泡初期露天矿区和李石农田区自腐蚀电流密度较低，浸泡7 d后自腐蚀电流密度呈上升趋势，拟合后年腐蚀速率约为0．06 mm／a；望花区、东洲区、高尔山区各区浸泡初期自腐蚀电流密度均较高，而浸泡一段时间后自腐蚀电流密度显著下降，呈低速腐蚀状态。

表1 20号钢在抚顺5种土壤中腐蚀速率Table 1 The corrosion rate of 20 steel in five typical soil of Fushun

表2 20号钢在5种典型地区浸泡初期和浸泡7 d后的自腐蚀电位与电流密度Table 2 The corrosion potential and current density of 20 steel in five typical soil solution initial stage of immersion and 7 day

2．4 20号钢在不同地区土壤中电化学阻抗谱测试

为进一步研究20号钢在5种典型土壤中的腐蚀规律及机理，将20号钢在不同地区土壤饱和溶液中连续浸泡7 d，每天进行阻抗谱测试，研究材料表面电阻与时间的变化规律，测试结果如图3，4所示。图3为不同地区不同浸泡时间的阻抗Nyquist图，可见试样在土壤饱和溶液中腐蚀的阻抗谱中均出现1个时间常数，容抗弧表示化学反应［7－8］，容抗弧半径表示化学反应的电荷转移电阻的大小；图4为不同土壤介质中材料表面电荷转移电阻随时间变化曲线。由图3，4可见，东洲区、高尔山区、望花区土壤中，浸泡初期20号钢表面电阻较低，随浸泡时间延长，材料表面电阻显著增加，特别是高尔山区，浸泡7 d后材料表面电阻值最大可达19 000Ω。

Fig．3 The electrochemical impedance spectroscopy（EIS）of 20 steel in five typical soil solutioncontinuous immersion 7day图3 5种土壤溶液中连续浸泡7 d 20号钢的阻抗谱

20号钢在李石农田区和露天矿区的实验结果与此相反，浸泡初期，20号钢表面电荷转移电阻较低，随时间延长缓慢增加，当浸泡2～3 d后，电阻又呈下降趋势，浸泡5 d时，电阻再次缓慢上升，呈反复不稳定状态。

Fig．4 Curves of charge transfer resistance of materical surface various with time in different soil medium图4 不同土壤介质中材料表面电荷转移电阻随时间变化曲线

结合20号钢在不同地区土壤中的浸泡实验结果与电化学实验结果，对不同地区土壤的腐蚀性进行分析。总体来看，抚顺5种典型土壤中李石农田区与露天矿区土壤的腐蚀性较大，20号钢在这两区土壤中腐蚀严重；而高尔山区、望花重工业区和东洲化工区土壤的腐蚀性较小，20号钢在该区土壤中腐蚀较轻。分析认为，在5种土壤中，高尔山区土壤为绿色无污染土质［9］，虽然有一定的腐蚀殖含量［10］，但其不能成为材料腐蚀的因素；望花区和东洲区虽然是化工与重工业区，但其跑冒滴漏的介质呈明显的厂区内局部分布，而粉尘和酸雨对土壤的污染程度较浅，经土壤自身净化后，其腐蚀性较低。在每个地区的土壤环境中不同浸泡时间进行阻抗谱测试，目的是为了研究材料在该土壤中表面形成锈层的性质，锈层的稳定性决定于土壤的性质，而它的稳定性又决定了它所具有的保护效果。由极化曲线计算出的自腐蚀电流密度由大变小，说明20号钢在这3种土壤中，开始快速发生铁的失电子反应生成Fe2＋，即快速生成锈层，阻抗谱曲线变化规律显示阻值随时间延长而显著增大，说明20号钢表面生成的锈层连续（见图1形貌）、致密且稳定，导致7 d后自腐蚀电流明显降低，即该锈层对基材起到很好的保护作用，腐蚀较轻。

李石农田区自1957～1989年长期使用化工污水灌溉，是我国少数几个大型污溉区之一，当时在一定程度增加土壤的水肥资源，但由此而造成土质有机质含量、容量、阳离子交换量、氟化物含量显著超标，土壤酸化严重，土壤的腐蚀性最大，远远超出正常农田区土壤的腐蚀性［11］。电化学极化曲线显示，20号钢在李石农田区土壤中初始自腐蚀电流密度不高，即20号钢表面生成锈层的过程是缓慢的，从浸泡7 d的阻抗谱的变化来看，阻值较低，说明形成的锈层疏松不致密，图1试样表面疏松不连续的锈斑可证实该结论，阻值反复波动说明该锈层极不稳定，这样的锈层对基材起不到保护作用，因此20号钢在李石区土壤中腐蚀速率较大。露天矿区土壤为盐碱土，20号钢在该类土壤的腐蚀规律与李石区腐蚀规律相近，但其腐蚀速率低于李石区。

3 结论

通过对20号钢在抚顺5种典型土壤中腐蚀行为的研究，得到以下结论：

（1）20号钢在5种土壤中的腐蚀速率不同，其中腐蚀最严重的地区是李石农田区，由于长期污溉，土壤污染严重，腐蚀性最强，20号钢的年腐蚀速率为0．105 9 mm／a，约为高尔山区的10倍；其次是露天矿区，年腐蚀速率为0．038 8 mm／a，而东洲化工区、望花重工业区和高尔山区土壤腐蚀性较轻，20号钢的腐蚀速率较低。

（2）电化学实验研究了20号钢在不同土壤中的腐蚀行为及原因：20号钢在李石和露天矿区土壤中随浸泡时间延长形成锈层疏松不致密，且不连续，锈层不稳定，起不到保护作用，腐蚀较严重；而东洲化工区、望花重工业区及高尔山区土壤中20号钢表面能快速形成稳定而连续致密的锈层，对基材起到保护作用，腐蚀较轻。

［1］ 李凌波，林大泉，曾向东，等．某石油化工厂区有机污染物的表征I．土壤［J］．石油学报：石油加工，2001，17（4）：87－96．

［2］ 李杰，施泽明，张成江，等．典型城市城郊土壤重金属含量对比研究［J］．水土保持研究，2008，15（2）：266－269．

［3］ 武俊伟，杜翠薇，李晓刚，等．低碳钢在库尔勒土壤中腐蚀行为的室内研究［J］．腐蚀科学与防护技术，2004，16（5）：280－283．

［4］ 唐红雁，宋光铃，曹楚南，等．用极化曲线评价钢铁材料土壤腐蚀行为的研究［J］．腐蚀科学与防护技术，1995，7（4）：285－289．

［5］ 董美，吴明．X80管线钢在模拟液中的电化学行为［J］．石油化工高等学校学报，2009，22（2）：66－69．

［6］ Miranda E，Botana B M．Biocorrosion of carbon steel alloys by an hydrogenotrophic sulfate－reducing bacterium desulfovibrio capillatus isolated from a Mexican oil field separator［J］．Corrosion science，2006，48（9）：2147－2431．

［7］ 李劲风，郑子樵，张昭，等．铝合金剥蚀过程的电化学阻抗谱分析［J］．中国腐蚀与防护学报，2005，25（1）：48－52．

［8］ 李超，杜翠薇，刘智勇，等．X100管线钢在水饱和酸性土壤中的电化学阻抗谱特征［J］．中国腐蚀与防护学报，2011，31（5）：377－340．

［9］ 马志远．抚顺城区地下水污染的现状特征及其综合评价［J］．辽宁城乡环境科技，2003，23（6）：40－43．

［10］ 高人，周广柱．辽东山区不同森林植被类型枯落物层截留降雨行为研究［J］．辽宁林业科技，2002（5）：1－4．

［11］ 张大庚，依艳丽，郑西来．沈抚污水灌区石油烃对土壤及水稻的影响［J］．土壤通报，2003，34（3）：333－336．

（Ed．：YYL，CP）

Corrosion Behave of Low Carbon Steel in the Typical Soil of Fushun

SHI Yan－hua，LIANG Ping，ZHANG Guo－fu
（School of Mechanical Engineering，Liaoning Shihua University，Liaoning Fushun 113001，P．R．China）

17 May 2012；revised 7 July 2012；accepted 5 September 2012

The corrosion behave of 20 steel in the five typical soil（Dongzhou，Wanghua，Lishi，Lutian kuang and Gaoer mountain）of Fushun by indoor buried corrosion test and electrochemical test were studied．The research shows that annual corrosion rate of 20 steel different in five typical soil，from high to low is：Lishi，Lutian kuang，Wanghua，Dongzhou，Gaoer mountain，the most serious corrosion of the 20 steel in Lishi area soil，the annual corrosion rate is 0．105 9 mm／a，about 10 times as Gaoer mountain area．The electrochemical research shows the serious corrosion of 20 steel in Lishi and Lutian kuang soil，because the immerse hours of native rust film on the surface of 20 steel is slow，the rust film is loose，not compact，discontinuous and instability，and does not have protective function．On the contrary，a continuous，compact and stable rust film can be formed on the surface of 20 steel in Dongzhou，Wanghua and Gaoer mountain soil which is slightly corroded and has protective function．

Soil Corrosion；Fushun；Indoor buried corrosion test；Electrochemical impedance spectroscopy（EIS）；Polarization curve

．Tel．：＋86－15040818431；e－mail：siyanhua＠yahoo．com．cn

TE980．41；TB304

A

10．3969／j．issn．1006－396X．2012．05．015

1006－396X（2012）05－0059－05

2012－05－17

史艳华（1971－），女，辽宁锦州市，副教授，博士。