X80钢在鄯善土壤模拟溶液中的腐蚀行为

王会新

(锦州开元石化公司，辽宁 锦州 121001)

埋地管道最常见的失效形式是管道的外部腐蚀，因腐蚀导致埋地管道破裂而发生事故的现象，几个月就会发生1次[1]。埋地管道腐蚀与土壤的湿度、电阻率、pH值及土壤的可溶性盐分的组分和质量有关，还受到时间季节性和地域性的影响[2]。因此，长输管道穿越不同类型土壤可能会使管体表面发生均匀腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂等多种破坏形式，从而会对管道的安全运行造成极大的危害[3]。

新疆鄯善县境内地形地貌简单，地层较单一，该地区地表盐含量普遍较高，大部分为与土呈弱胶结的结晶盐壳。文章选取了具有代表性的3个测试点土壤数据，研究了X80钢在这3个测试点的模拟土壤溶液中的短期腐蚀行为。

1 实验方法

实验材料为X80直缝埋弧焊管，主要成分C，Si，Mn，S，P，Ni，Cr，Mo，Nb 和 Cu 的质量分数分别为:0.08%，0.21%，1.65%，0.002%，0.01%，0.24%，0.13%，0.22%，0.05% 和 0.20%，余量为Fe。从远离焊缝基体处截取焊管，经线切割加工成实验试样。选取了具有典型代表性的3个测试点的土壤理化分析参数作为研究对象，各测试点土壤易溶性盐含量测试结果见表1。确定各测试点土壤模拟溶液成分应遵循以下原则:(1)电荷守恒、阴阳离子的物质的量守恒，不能完全匹配的取浓度高的离子为配比标准;(2)先配平含量少的离子，后匹配含量高的离子[4]。

表1 盐渍土可溶性盐含量Table1 Soluble salt content of saline soil mg/kg

电化学测试采用三电极体系:X80钢为研究电极，铂片为辅助电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极[5]。试样工作面积为1cm2，从试样非工作面焊接导线，用环氧树脂将其包封在聚四氟乙烯中。

实验前，用SiC砂纸从60号逐级打磨至800号，然后用丙酮、无水乙醇除油，去离子水清洗后吹干待用。分别在溶液中浸泡30，45和60 d后取出平行试样，采用失重法计算腐蚀速率。采用S-250MK2型电子扫描显微镜对经60 d浸泡后试样的截面腐蚀产物层形貌和去除腐蚀产物层后的表面形貌进行了观察。以0.5 mV/s的扫描速率进行动电位扫描，扫描电位为－1.3～0.4 V，交流正弦激励信号幅值为10 mV，测试频率范围为105～10－2Hz。电化学测试应采用恒温水浴，并将溶液温度控制在(25±1)℃内。

2 实验结果

2.1 电化学行为

3个不同测试点土壤模拟溶液中的动电位极化曲线和交流阻抗谱分别见图1～2。由图1可见，X80钢在1号和2号模拟溶液中只表现出活化溶解状态，并没有出现活化-钝化转变区;而X80钢在3号模拟溶液中，其阳极区存在钝化现象，在约－0.72～－0.52 V内存在一个点蚀电位;当超过该电位时，电极表面膜破裂，阳极电流密度迅速增大，点蚀能很快地在钢表面萌生和扩展。由图2可见，在1号和2号模拟溶液中，X80钢在开路电位(OCP)下的阻抗谱呈现为单容抗弧特征;而在3号模拟溶液中，X80钢的阻抗谱呈现出反映两个时间常数的双容抗弧特征。其中，高频端容抗弧反映基体表面膜层的信息，其与膜层的致密性、厚度有关。低频端容抗弧主要反映钢基表面电化学反应的信息。

图1 动电位极化曲线Fig.1 Polarization curve of zeta potential

图2 交流阻抗谱Fig.2 AC impedance spectroscopy

2.2 腐蚀形貌观察

X80钢在不同模拟土壤溶液中，经60 d浸泡后，在1号模拟溶液中，试样表面生成了一层疏松多孔的黄棕色产物层，局部位置处的外层产物已脱落，并露出内层产物层。在2号模拟溶液中，试样表面均匀的覆盖了一层呈“针状”的结晶盐，试样中上部结晶盐和产物混合生长部分产物呈黄棕色，而试样下部仍被白色的结晶盐覆盖。在3号模拟溶液中，试样表面非均匀的分布着一些呈“颗粒”状的结晶盐，结晶盐层下是一层红褐色锈层。各腐蚀试样截面锈层微观形貌见图3。

在1号模拟溶液中，X80钢的内层产物层与基体之间具有连续的界面，与基体结合较好;内层产物层和外层产物层间存在一片孔洞带，使得内层和外层处于不连续状态。能谱分析结果见表2。由表2可知内、外层产物层主要为Fe的氧化物;在2号模拟溶液中，X80钢的产物层较薄(约50 μm)，其中内层产物较为致密，外层产物呈短小“柱状”。由内向外Fe的氧化物含量逐渐降低，而Ca含量则呈逐渐增加的趋势;在3号模拟溶液中，X80钢表面的产物层相对较厚，可达到500 μm，内层产物层致密，与基体结合紧密，而外层相对较为疏松;内层为Fe的氧化物，外层出现了 K，Na，Ca和 Cl的富集区。X80钢各试样去除腐蚀产物后的表面微观形貌在3种模拟溶液中都以全面腐蚀为主，局部位置发生点蚀。

图3 X80钢经60 d溶液浸泡后的截面腐蚀形貌Fig.3 Section morphology of corrosion of X80 steel after 60 days’impregnating

表2 截面腐蚀产物能谱分析结果Table2 Energy－spectrum analysis results of section corrosion products w，%

2.3 腐蚀速率

采用失重法对分别于30，45和60 d从模拟溶液中取出的平行试样进行腐蚀速率计算，其结果见图4。由图4可见，在不同浸泡期内，X80钢在AN000和AN065模拟溶液中的腐蚀速率都呈先增大，后减小的趋势;而其在AN016模拟溶液中的腐蚀速率却呈减小的趋势。X80钢在60 d浸泡期内，在3种模拟溶液中的腐蚀速率大小关系满足:AN000＞AN065＞AN016。

图4 X80钢在不同模拟溶液中的腐蚀速率Fig.4 Corrosion rate of X80 steel in different simulation solution

3 讨论

由上述分析可以得到:X80钢在土壤模拟溶液中的阴极过程是氧的还原，阴极过程是腐蚀控制的主要过程;阳极过程是Fe的溶解[6]。研究发现:在1号AN00模拟溶液中，随着浸泡时间的增加，X80钢表面的腐蚀产物逐渐增多，产物层在一定程度上可抑制钢基体的腐蚀。X80钢在Ca2+质量浓度较高的2号模拟溶液中的腐蚀速率最小，这与Ca2+吸附在X80钢试样表面，并形成钙的产物层有关。其腐蚀机理可解释如下，在浸泡初期，Cl－大量吸附在X80钢表面，破坏金属表面而发生点蚀和全面腐蚀;随着浸泡时间的增加，溶液中的Ca2+会在X80钢表面与Cl－发生竞争吸附，逐渐在X80钢表面形成钙的产物层[7]。其结果一方面阻碍了溶解O2向基体表面的扩散，另一方面也有效抑制了Cl－对金属的影响，使X80钢得到了有效的保护。对于3号模拟溶液而言，由于AN065测试点土壤中含盐量特别高，在配制模拟土壤溶液时，溶液中会产生大量沉淀。研究中待沉淀物完全析出后，取上层澄清液为实验介质。这种研究方法具有一定的局限性，可能对实验结果产生影响，但也能反映高盐含量介质环境对管线钢腐蚀的影响[8]。在3号模拟溶液中，随着浸泡时间的增加，X80钢表面吸附的Ca2+以及结晶析出的NaCl和KCl，一定程度上可抑制溶解O2对金属的影响，使得X80钢的腐蚀减缓。

4 结论

(1)X80管线钢在新疆鄯善县3个测试点模拟土壤溶液中以全面腐蚀为主，局部位置发生点蚀;在60 d浸泡期内，X80钢在不同模拟溶液中的腐蚀速率依次为:AN000＞AN065＞AN016。

(2)在1号模拟溶液中，X80钢表面形成的腐蚀产物对基体具有一定的腐蚀防护作用。在钙盐含量高的2号模拟溶液中，Ca2+吸附在X80钢表面并形成Ca的产物层，可有效抑制溶解氧和Cl－对金属的影响，从而使得X80钢的腐蚀减缓。

(3)选取新疆鄯善县境内具有代表性的土壤数据作为研究对象，较好地反映了鄯善地区土壤地域性的特点，通过实验可以得知土壤中富集在钢基体表面的结晶盐对X80管线钢的腐蚀具有一定的减缓作用。

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