常温下伴热管线的土壤腐蚀行为研究

黄星澎，张国福

（辽宁石油化工大学 机械工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

作为一种特殊性质的腐蚀介质，土壤对金属的腐蚀作用需要适当的方法进行检测，地下的金属构件会与土壤直接接触，从而常常会使得如石油产品管道，燃气管道等构件失效造成经济损失和环境危害[1]。土壤的特殊性质表现在土壤本身是一个较为复杂的腐蚀体系，温度和含水量等因素影响或干扰土壤腐蚀构件的因素很多，并且不同的金属在不同的土壤环境下发生的腐蚀行为也有差异。

辽河油田在我国北方地区属于重要的石油产地，石油管道的地下埋设量很大，由于埋设管道地区为水稻田地或湿地，土壤性质与湿地草甸土相近，地下水位较高，腐蚀环境更加复杂[2]。

由于腐蚀环境复杂，为使得土壤对构件的腐蚀行为研究更为理想，更多的采用电化学分析的方法，简便快捷的对土壤的腐蚀体系进行模拟。通过电化学阻抗谱的测试来分析盘锦及土壤环境相似地区的腐蚀行为，从而实现研究目的。

1 实验部分

1.1 实验用土壤分析

实验所选择的土壤为盘锦地区输油管线附近的典型土壤，其pH值为7.4，与土壤相关的理化性质见表1[3]。

表1 输油管线附近土壤理化性质Table 1 Physical and chemical properties of soil in liaohe oilfield mg/L

1.2 实验材料

实验所用土壤自然干燥之后，研磨至可以通过20目筛，之后进行烘烤。烘烤温度为105 ℃，烘烤时间6 h[4]。按水土质量1︰1进行去离子水和土的配比配制溶液。

选用碳钢和管线钢的典型钢材20#钢和X80钢及黄铜为实验试样，实验规格为10 mm×10 mm×10 mm的立方体，工作面积10 mm×10 mm。用导线焊接在与工作面对应的背面，之后用环氧树脂裹住试件的非工作面，待环氧树脂凝固后对试件的工作面进行打磨。20#钢从 80#砂纸一直打磨到 2 000#砂纸后进行机械抛光，X80#钢从80#砂纸一直打磨到2 000#砂纸后进行机械抛光，铜从500#砂纸一直打磨到2 000#砂纸后进行机械抛光。

试件打磨光亮之后用酒精超声清洗，再用去离子水冲洗，干燥。试验所用材料化学成分见表2-4。

表2 20#钢的化学成分及质量分数Table2 20# steel chemical composition %

表3 X80钢的化学成分及质量分数Table3 X80 line pipe steel chemical composition %

表4 Cu的化学成分及质量分数Table4 Copper chemical composition %

1.3 测试方法

1.3.1 伴热管线不同材料的腐蚀行为比较

实验所用电化学仪器采用 PARSTAT2273电化学测试系统和PowerSuite测试软件，采用三电极体系，20#钢、X80钢、铜等实验试件作为工作电极，石墨电极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，输油管线附近土壤配制溶液为介质。激励信号为10 mV正弦波，测试频率范围100 kHz~100 MHz。极化曲线测量扫描速度为0.166 mV/s，开路电位扫面范围-0.25~0.25 V。测定结果利用ZSimpWin软件进行交流阻抗拟合处理（图1）。

在实验过程里完全采用常相位角原件 CPE取代电容元件，所得实验数据当中的RS代表土壤配制腐蚀溶液电阻，R1代表金属电极表面腐蚀产物和土壤颗粒组成的结合层的电阻，常相位角原件 CPE1代表腐蚀产物结合层所形成的电容，常相位角原件CPE2代表双电层的电容。因为土壤腐蚀的交流阻抗谱弥散效应很强所以Q代表常相位角原件（CPE）代替纯电容C，RCT代表电荷转移电阻，采用图1等效电路进行拟合，电极体系阻抗谱数学的表达式为:

图1 土壤腐蚀溶液中20#钢、Cu、X80钢的交流阻抗图谱Fig.1 The EIS of 20 #steel, copper,X80 line pipe steel in soil corrosion solutions

表5 EIS数据Table 5 EIS data

从表5中比较加热导线，伴热管，输油管线可已看出铜的电阻RCT加热导线最大，输油管线次之，伴热管的电荷转移电阻最小，即加热导线电荷转移电阻﹥输油管线电荷转移电阻﹥伴热管电荷转移电阻。常相位角原件(加热导线)小于常相位角原件(输油管线)小于常相位角原件(伴热管) 依据文献可知在土壤为碱性条件下能够使得导线产生抗腐蚀的氧化产物，因而避免导线进一步被腐蚀[6]。

在集肤效应下，输油管线中起管道保护作用的黄夹克被破坏后,土壤腐蚀介质直接接触超稠油主输油管线与集肤效应伴热系统的结合处。使伴热系统的芯线与伴热管之间形成了锈蚀,伴随腐蚀产物的形成其间电阻也逐步增大,在集肤效应伴热系统正常运行的以及土壤腐蚀存在的条件下,铜制导线将穿过土壤腐蚀造成的锈蚀层对 20#钢的伴热管进行高压放电,造成20#钢伴热管的腐蚀更加严重[7]。

通过以上的实验分析，在工况情况下集肤效应伴热管 20#钢的腐蚀最为严重，而铜导线由于本身在土壤的腐蚀中比较耐腐蚀并且阴极保护作用的情况下腐蚀情况更加不明显，所以伴热管线的研究重点应该是20#钢所制的伴热管。

1.3.2 在常温下土壤含水量的不同对土壤腐蚀性的影响

土壤湿度的变化导致了土壤腐蚀行为在电化学方面的表现不尽相同。图2为土壤所处环境温度为26 ℃的时候，伴热管在含水量分别为10%、20% 和30%的土壤中连续的腐蚀 1, 10, 20, 30 d后的极化曲线。

2 实验结论分析

当土壤处于 26 ℃的环境时，在土壤含水量低的情况下（10% WHC和20% WHC）的伴热管极化曲线显示对应腐蚀时间的增加，自腐蚀电位以及腐蚀电流密度都有其变化的趋势。当土壤含水量低的时候，在测试的第一天极化曲线上显示的自腐蚀电位比其后任何连续测试的时候的自腐蚀电位都要小。 在土壤含水量为20%的情况下第1天，第10 天以及第 20 天时极化曲线图谱大体一致，但是当到达第 30 天时20% WHC的极化曲线上显示的自腐蚀电位发生了明显的变大情况。在土壤含水量为10%的情况下极化曲线随着腐蚀时间的延长在任何连续测试的时间点上都有明显的变化。当土壤的含水量低的情况下连续的腐蚀时间的延长，在金属表面接触的土壤中的水含量逐步地减少。土壤的腐蚀性位于土壤中水含量的关系密切，在土壤中的一部分水分不能够与二价铁离子形成水合物的时候，伴热管在土壤中腐蚀时间的延长使得可形成水合物的水分愈来愈少，金属的腐蚀有所减弱低，在极化图中显示为自腐蚀电位的上升。

在含水量低的土壤中其腐蚀电流密度也发生了相应的变化，实验所用腐蚀时间的增加使得腐蚀电流密度与自腐蚀电位的发展呈现出相应的关系，即腐蚀电流密度逐步减小。这样的结果是由于在土壤含水量低的情况下，土壤中氧的输送难度小，并且土壤所在的环境温度并不高，所以土壤的腐蚀行为也不严重，土壤中的氧含量能够适应氧的去极化过程的需要，其显示为腐蚀电流密度并不是很大。

金属在放入土壤之前都经过了打磨和抛光其表面很光滑，伴随着腐蚀时间的延长，金属的表面发生了锈蚀，由于金属表面产生了缺陷在随后的腐蚀中腐蚀速率逐步增大。由于腐蚀时间的延长金属表面的腐蚀产物也开始响应的变多变厚，同时这些锈蚀深深嵌入了金属表面，这些腐蚀产物反过来对金属又起到了保护的作用，使得土壤的腐蚀性有所减缓。腐蚀产物的形成对金属有这看似矛盾的情况，在腐蚀开始阶段其对金属有破坏的作用，但随着腐蚀时间的延长又对金属起了保护的作用。在土壤含水量较高的情况下金属在测试的第1天，第10天以及第20天后的极化图谱大体一致，而到了第30天后极化图中的自腐蚀电位产生了比较明显的变化。腐蚀时间的延长使得高含水量的土壤的自腐蚀电位随着时间的增加而变小，腐蚀电流密度同样也是开始变大。在土壤含水量高的情况下，即便是实验所用腐蚀时间的增加会使得土壤中原来的含氧量有所下降，但是由于土壤中的水含量高溶解氧的能力强，氧的去极化过程同样有足够的氧气参加，在极化图中的表现为金属试样的自腐蚀电位持续下降。

3 结束语

通过电化学测试中的极化曲线图和自腐蚀电位的比较、交流阻抗图以及电荷转移电阻的比较，能够发现伴热管在土壤溶液中的腐蚀最为严重，伴热导线的腐蚀情况最轻。并且由于电偶腐蚀的存在伴热管的腐蚀变的更加的严重。

土壤环境不变的情况下：20% WHC﹥30%WHC﹥10%WHC

［1］鲁新如，杜翠薇，李晓刚，曲良山. X70钢在大庆两种土壤中的腐蚀行为[J].腐蚀与防护，2008,29（9）：503-506．

［2］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．

［3］王红，马祥礼，申龙涉，等．辽河特石超稠油输油管线腐蚀预测与评价［J］．管道技术与设备，2007（6）：33-34．

［4］李发根，邵晓东，李磊，高万夫16Mn钢土壤腐蚀行为研究[J].201 0,31（12）：933-934.

［5］龚晓明, 葛红花, 刘蕊, 吴一平. 碳钢和纯铜在实验土壤中的腐蚀研究[J]. 上海电力学院学报, 2009,25(6):552-555．

［6］ 谢学军, 吕珂, 晏敏, 等. 铜水体系电位-pH图与发电机内冷水pH调节防腐[J]. 腐蚀科学与防护技术, 2O07, 19(3): 162-163．

［7］Rice J R. A path-independent integral and the approximate analysis of strain concentrated by notches and cracks [J]. J.appl. mech.,1968,35:379-386．