不同电阻率土壤中管线钢的自腐蚀速率分布

李海坤,朱凤艳,娄月霞,韩昌柴,刘震军,王 颖

(1. 中国石油天然气管道科学研究院有限公司 油气管道输送安全国家工程实验室，廊坊 065000； 2. 中石化石油工程机械有限公司 沙市钢管厂，荆州 434000； 3. 中石油管道有限责任公司 西气东输管道分公司，武汉 430076)

不同电阻率土壤中管线钢的自腐蚀速率分布

李海坤1,朱凤艳1,娄月霞2,韩昌柴3,刘震军1,王 颖1

(1. 中国石油天然气管道科学研究院有限公司 油气管道输送安全国家工程实验室，廊坊 065000； 2. 中石化石油工程机械有限公司 沙市钢管厂，荆州 434000； 3. 中石油管道有限责任公司 西气东输管道分公司，武汉 430076)

根据国内外127个管线钢自腐蚀速率与当地土壤电阻率数据，建立了自腐蚀速率与土壤电阻率的关系式，并进行了验证。结果表明：在近中性及碱性土壤环境中，管线钢自腐蚀速率与当地土壤电阻率的对数近似成反比关系，管线钢自腐蚀速率符合weibull分布，随着土壤电阻率降低，腐蚀数据更加离散;管线钢在酸性土壤中的自腐蚀速率往往比在相同电阻率的近中性和碱性土壤中的更高。

土壤电阻率；管线钢；自腐蚀速率

金属土壤腐蚀是材料与多种环境因素共同作用的结果，具有很高的复杂性。影响自腐蚀速率的土壤参数包括土壤类型、含水量、pH、电阻率、排水特性、氯离子和硫酸根离子含量、温度及氧化还原电位。为了考察这些因素对土壤腐蚀性的贡献，人们先采用模糊聚类等方法分析土壤腐蚀数据，再利用灰关联、层次分析、神经元网络等手段构建土壤腐蚀性模型[1-4]。工程设计人员可以根据土壤腐蚀性参数和腐蚀模型估计钢材的自腐蚀速率，以便在设计参数中给出腐蚀裕量并对工程的安全性作出评价。目前，用于判断土壤腐蚀性的标准方法包括GB 50021-2009《岩土工程勘察规范》标准[5]和GB 50568-2010《油气田及管道岩土工程勘察规范》标准[6]附录A。GB 50021-2009标准规定：根据土壤pH、氧化还原电位、视电阻率、极化电流密度、质量损失等多项指标判定土壤腐蚀性。多参数土壤腐蚀性模型由于需要测试多种土壤参数，更适合应用于区域性工程，但不同地区之间土壤差异往往比较大，对于经常跨越上千公里的管道而言显得过于复杂。因此，目前管道行业采用GB 50568-2010标准推荐的更加简便的土壤电阻率判断法则。

研究显示，平均点蚀速率与土壤电阻率的自然对数大致成反比关系[7]，但测试数据分布显示出较大的离散性。点蚀速率都随土壤电阻率的增大而降低，但是当土壤电阻率较低时，各文献给出的自腐蚀速率差距较大[8-13]。可见，仅仅根据土壤电阻率预测土壤自腐蚀速率会产生较大的偏差。

目前，国外一般采用基于可靠性的设计与评价方法对新材料、新运营条件下的管道进行设计，管道可靠性设计及评价方法不仅要求给出管线钢自腐蚀速率参数估计值，而且要求给出数据的分布模型和标准偏差[14-15]，而GB 50568-2010标准只给出了自腐蚀速率的大致范围，并没有给出腐蚀数据分布模型，因此有必要开发一个简便而有效的管线钢自腐蚀速率预测模型并给出数据分布。

1 腐蚀模型及数据分布

与腐蚀性相关的土壤参数可以分类为：(1) 含水量、土壤类型、排水特性，这些参数都与土壤含水量有关；(2) 土壤pH；(3) 土壤电阻率；(4) 离子浓度；(5) 温度；(6) 氧化还原电位。梁平等[1]研究认为影响X70 钢土壤腐蚀性的主要因素从大到小的顺序和权重依次为 土壤pH(0.405 0)>含水量(0.251 7)>电导率(0.149 3)>全盐(0.086 8)>Cl-(0.050 1)>NO3-(0.029 1)>SO42-(0.017 3)>HCO3-(0.010 7)。这些腐蚀因素中的独立变量为土壤pH、含水量、全盐(或离子浓度)。土壤电阻率反映了土壤传导腐蚀电流的能力，它是土壤含水量和载流离子浓度的函数[16-18]，在一定程度上综合反映了多个参数对土壤腐蚀性的贡献。因此影响X70钢土壤腐蚀性的主要因素从大到小的顺序可以简化为土壤pH>土壤电阻率。国内低pH土壤基本为酸性红壤，基于此，可以把国内陆地土壤分为酸性红壤、近中性及碱性土壤两类，然后统计管线钢自腐蚀速率与土壤电阻率的关系。

将统计的加拿大和美国[19]高电阻率土壤中12个测试点的47个管线钢自腐蚀数据和国内土壤中测试的80个管线钢自腐蚀数据与土壤电阻率对数作图，结果如图1所示。由图1可见：当土壤电阻率大于350 Ω·m时，管线钢的自腐蚀速率低于0.025 4 mm/a，而且数据离散度很低；当土壤电阻率低于350 Ω·m时，自腐蚀速率的数据离散度较大。管线钢自腐蚀速率离散的点中有相当一部分来自酸性土壤试验点，如果排除酸性土壤，腐蚀数据将得到较大收敛。两个偏差较大值分别来自大庆苏打盐土和大港滨海盐渍土，这可能与大港地区土壤中管线钢的自腐蚀速率主要受氧扩散控制有关[20]。阴极保护断电电位达到-850 mV的情况下，超过93%测试点测得的自腐蚀速率低于0.025 4 mm/a。

图1 自腐蚀速率与土壤电阻率的关系曲线Fig. 1 Correlation of free corrosion rate with soil resistivity

把图1中近中性及碱性土壤(pH>5.5)中的自腐蚀速率数据按照土壤电阻率划分为大于100 Ω·m，100～50 Ω·m，50～2 Ω·m和小于20 Ω·m等四个区间，对各区间的腐蚀数据分布进行统计，结果如图2～5所示。

图2 土壤电阻率大于100 Ω·m时腐蚀数据的分布Fig. 2 Distribution of corrosion data with soil resistivity greater than 100 Ω·m

图3 土壤电阻率在50～100 Ω·m时腐蚀数据的分布Fig. 3 Distribution of corrosion data with soil resistivity of 50～100 Ω·m

图4 土壤电阻率在20～50 Ω·m时腐蚀数据的分布Fig. 4 Distribution of corrosion data with soil resistivity of 20～50 Ω·m

图5 土壤电阻率小于20 Ω·m时腐蚀数据的分布Fig. 5 Distribution of corrosion data with soil resistivity less than 20 Ω·m

由图2～5可见，在各土壤电阻率区间，管线钢的自腐蚀速率分布规律基本符合weibull分布，当土壤电阻率减小时自腐蚀速率峰值向高自腐蚀速率区域移动，峰的宽度变宽。

将不同土壤电阻率区间weibull曲线的峰值连接,基本可得一条直线(即图1中的计算值)，该直线符合式(1)。

(1)

式中：vc为自腐蚀速率，mm/a；Rs为土壤电阻率，Ω·m。

计算可知，现场测量值与计算值之间的标准差为0.026，极差为0.141 mm/a。超过95%的自腐蚀速率测量值相对式(1)计算值的偏差小于0.042 mm/a，超过90%的自腐蚀速率测量值相对式(1)计算值的偏差小于0.038 mm/a。图1中的标准值是根据GB 50568-2010[6]附录A一般地区土壤腐蚀性分级标准画出的，根据式(1)计算的自腐蚀速率相对保守些。

2 腐蚀模型的验证

2.1 腐蚀模型的适用性

图6是国内6个测试点管线钢自腐蚀速率与土壤电阻率的关系。由图6可见，管线钢自腐蚀速率极差对应的数据来自鹰潭酸性土壤(pH为4.35)。可见，酸性与碱性土壤环境的腐蚀性应该分开进行评价，酸性土壤中管线钢的自腐蚀速率不能依据土壤电阻率对数关系进行评价。采用式(1)对国内的6个测试点的腐蚀数据进行计算，结果表明：碱性环境中，超过90%的自腐蚀速率测量值相对计算值的偏差小于0.045 mm/a，超过80%的自腐蚀速率测量值相对计算值的偏差小于0.025 mm/a。如果排除酸性土壤环境，自腐蚀速率与土壤电阻率具有很高的相关性。

图6 图内6个测试点自腐蚀速率与土壤电阻率的关系曲线Fig. 6 Correlation of free corrosion rate with soil resistivity of six domestic test points

为了考察式(1)的推广应用价值，统计了长江中下游地区另一组管线钢自腐蚀速率数据与土壤电阻率的关系，结果如图7所示。由图7可见，管线钢的自腐蚀速率与土壤电阻率对数大致成反比，但高于计算值，阴极保护试片自腐蚀速率全部低于0.025 4 mm/a。计算显示，现场测量的自腐蚀速率与计算值之间的标准差为0.026 5，极差为0.047 mm/a，该标准差接近式(1)所依据的基础数据的标准差。可见式(1)具有推广应用价值。

图7 长江中下游地区管线钢的自腐蚀速率与土壤电阻率的关系曲线Fig. 7 Correlation of free corrosion rate of pipeline steel with soil resistivity in the middle and lower reaches of Yangtze river

2.2 影响自腐蚀速率数据离散性的因素

土壤电阻率与土壤腐蚀性有关的原理为：在潮湿的土壤中钢材表面会形成一层联系钢材表面阳极区和阴极区的液膜，促进了阴、阳极区的电化学反应；土壤电阻率越大，该液膜越薄，导电性能越差，则对电化学腐蚀的阻力越大；相反，低电阻环境会增大自腐蚀速率。大气腐蚀研究显示，相对湿度为60%时，钢铁表面就能形成一层液膜以维持电化学腐蚀反应[21]。在粘土中要得到60%相对湿度，其含水饱和度需达到42%(体积分数)以上，而在泥沙比例为50/50的土壤中则只需要30%的含水饱和度[22]。研究表明，土壤电阻率随土壤含水饱和度的增加而减小，当含水饱和度较低时，土壤含水饱和度的微小变化即可引起土壤电阻率剧烈变化，而含饱和度较高时，土壤电阻率受含水饱和度影响较小，转变点大约在含水饱和度35%附近[23]。

自腐蚀速率一般在土壤含水量23%～28%(质量分数，下同)附近达到最大[24-25]，随着土壤中有机物含量的增加，土壤饱和含水量逐渐增加，一般在20%～40%，有机物含量较低的土壤，其饱和含水量基本在30%以下[26]。可见，自腐蚀速率最大值发生在土壤含水量达到饱和时，此时土壤颗粒间隙的空气湿度达到饱和。当土壤含水量超过饱和状态时，土壤颗粒间隙的空气逐渐被水替代，自腐蚀速率转为氧扩散控制，自腐蚀速率逐渐降低[20]。同一土壤中，随着含水量的增加，土壤电阻率呈对数函数减小，在高含水量情况下土壤电阻率变化很小[18,27-30]。这导致在低土壤电阻率情况下，土壤可能处于饱和状态，自腐蚀速率较大，也可能处于不饱和或过饱和状态，自腐蚀速率较小。因此，根据土壤电阻率预测自腐蚀速率在低土壤电阻率情况下会存在较大的偏差。

3 结论

(1) 在近中性与碱性土壤环境中，自腐蚀速率与土壤电阻率的对数近似存在反比关系。

(2) 自腐蚀速率数据符合韦伯分布，总体标准差0.026 mm/a，随着土壤电阻率降低腐蚀数据离散度变大。

(3) 管线钢在酸性土壤中的自腐蚀速率往往比在相同电阻率的近中性和碱性土壤中的更高。

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Distribution of Free Corrosion Rate of Pipeline Steel in Soil with Different Resistivity

LI Haikun1, ZHU Fengyan1, LOU Yuexia2, HAN Changchai3, LIU Zhenjun1, WANG Ying1

(1. National Engineering Laboratory for Pipeline Safety, China Petroleum Pipeline Research Institute Co., Ltd., Langfang 065000, China； 2. Shashi Steel Pipe Factory, Sinopec Oilfield Equipment Corporation, Jingzhou 434000, China；3. Petro China West-East Gas Pipeline Company, Wuhan 430076, China)

The function between free corrosion rate of pipeline steel and soil resistivity was set up and verified using 127 data of free corrosion rate and soil resistivity from home and abroad. The results show that the free corrosion rate of pipeline steel and the logarithm of soil resistivity have an inverse relationship approximately in neutral and alkaline soil. The data of free corrosion rate follow the Weibull distribution. When the soil resistivity decreases, the distribution of corrosion data becomes more scatter. The free corrosion rate of pipeline steel in acid soil is greater than that in neutral and alkaline soil with the same resivitity.

soil resistivity；pipeline steel；free corrosion rate

10.11973/fsyfh-201708006

2014-04-22

李海坤(1978-)，工程师，硕士，主要从事油气管道腐蚀与防护技术研究，18131643601，lihk78@126.com

TG172

A

1005-748X(2017)08-0598-04