不同含水率土壤环境对X80管线钢腐蚀影响研究

2019-07-24许延军

油气田地面工程 2019年6期

许延军

延长油田股份有限公司

随着我国石油天然气工业的不断发展，X80级管线钢被大量使用，其中管网大多采用埋地敷设，腐蚀情况复杂，诱发性因素众多。管道腐蚀分析对保障油气输送的安全具有重要的作用，国内外对于管道腐蚀及防护已开展了大量的研究工作。黄峰等[1]将X80钢通过空冷、水淬两种方式热处理后与供货状态对比研究，认为X80钢的耐蚀性会由于热处理作用而降低。刘君臣[2]、戚东涛等[3]、魏巍等[4]、田源等[5]分别测试了X80管线钢在水饱和土壤、水饱和碱性沙土、西南地区水饱和土壤以及酸性土壤中的电化学腐蚀行为，测试了腐蚀速率、分析了腐蚀电化学特征，并阐明了极化电阻、腐蚀速率等电化学影响规律。李佳宁等[6]针对X80钢在库尔勒土壤体系中的保护问题，通过极化曲线和电化学阻抗技术，确定了最佳的阴极保护电位。程雅雯等[7]针对原油含水率和温度对X80钢腐蚀的影响，分析腐蚀产物膜的结构形态与成分，确定了腐蚀速率变化特征。综上所述，对于X80管线钢腐蚀研究，近年来诸多学者开展了大量工作，大多集中在电化学腐蚀及防护的研究方面。由于管线钢的腐蚀与所涉及的土壤介质密切相关，不同土壤环境管线钢的腐蚀行为不尽相同，目前仍缺少在模拟真实的土壤环境中X80管线钢腐蚀特征的系统研究。

本文以西气东输管线穿越区现场不同真实土壤环境为基础，研究X80钢在不同含水率土壤环境下的腐蚀规律，通过配置模拟溶液浸泡X80钢试样，分别测定不同含水率下的样片交流阻抗谱，得到极化电阻、双层电容、膜电阻、膜电容等信息，总结出X80钢腐蚀速率规律。研究结果可以为X80管线钢在真实土壤环境下的腐蚀及防护提供借鉴。

1 实验

1.1 实验材料

实验采用的是微合金X80钢，化学成分见表1。

表1 X80钢化学成分Tab.1 Chemical composition of X80 steel质量分数/%

实验时，将X80钢制备成2.5 cm×2 cm×0.2 cm试片，并用电动砂轮机进行均匀打磨，再用无水乙醇和丙酮进行清洗并吹干。随后用电烙铁在试片一面进行金属导线的焊接，只露出一个待测面进行电化学测试，其余面采用环氧树脂封装。

1.2 实验介质

实验土壤取自西气东输湖北段现场管线穿越段，经过自然风干、粉碎过筛后，用加热装置对其进行105℃预烘干，烘干6 h后装罐备用。土壤理化性质：pH值7.1；CO32-摩尔浓度2.3 mmol/kg；Cl-摩尔浓度2 mmol/kg；SO42-摩尔浓度 1.3 mmol/kg；Ca2+摩尔浓度1.937 7 mmol/kg；Mg2+摩尔浓度1.811 7 mmol/kg；含盐质量分数1.25%。含水量会对土壤电阻及含气量产生一定的影响，水中的杂质也会影响到不同环境下的可溶性盐离子化变化。实验选用高品质去离子化水，分别配制含水率为38%、45%、50%、65%、73%的标准样土壤。

1.3 实验过程

电化学测试时，测试电级采用常见三电极体系，工作电极为X80管线钢试样，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极。工作电极测试前，需将X80钢打磨，为防止水分逸散影响实验效果，将实验设定在恒温恒压全透明可视箱中进行。电化学测试包括极化曲线和电化学阻抗谱测试。

（1）Tafel极化曲线测试。任何腐蚀都与离子动力学有关，而在腐蚀发生时往往与电极变化息息相关。介质中的电极电位与极化电流密度之间的数学关系曲线称之为极化曲线。当前腐蚀电化学测量研究领域已经普遍采用极化曲线法，并借助先进实验设备和计算机软件数据分析系统进行电极动力学研究，估算材料腐蚀速率，从腐蚀机理入手全面进行防腐控制因素的研究。

测试不同含水率下的土壤模拟样中X80钢腐蚀极化曲线，极化曲线扫描速率1 mV/s，扫描电位范围-0.9～-0.2 V。曲线测试完后，采用Powersuite软件进行曲线数据拟合，得到介质中Tafel常数、腐蚀电流密度等参数。

（2）电化学阻抗谱测试。测量施加在电极端的小振幅正弦波点微弱信号的电化学响应，其灵敏度极高，同时由于测量范围仅限于振幅正弦波点微弱信号，所以抗干扰能力强，整体体系影响小。通过阻抗幅模、阻抗实/虚部、相位移、频率等变量还可计算得出导纳与电容的实/虚部。通过不同的数学模型和实验设定，可以以多种方式得出需要的阻抗谱形式。另外交流阻抗谱法还可以定义为频率域测试方法，速度快慢不同的各子过程阻抗谱显示与频率域同步，具体分析时可通过EIS图进行直观研究，表述不同子过程的动力学特征。

测试X80钢试片不同介质含水率下的交流阻抗谱，在不同氯离子含量下的土壤模拟量中分别设定不同含水率，进行周期为7 d的埋藏实验，扫描频率范围100 kHz～1 MHz，扰动振幅10 mV。测试后，通过等效电路拟合确定极化电阻、双层电容、膜电阻、膜电容等参数，分析腐蚀速率变化规律及反应机理。

2 结果与讨论

2.1 Tafel极化曲线结果

图1为X80钢在不同含水率土壤中典型的Tafel极化曲线。可以看出，X80钢自腐蚀电位在不同含水率环境下变化明显，且氯离子含量越高变化幅度越明显，例如土样4（Cl-摩尔浓度为30 mmol/kg模拟样环境中）自腐蚀电位变化幅值可到-400 mV。另外，多数阳极极化曲线斜率都不同程度小于阴极极化曲线斜率，可见阴极是控制整个腐蚀过程的主导，此研究结果有助于下步阴极防腐方案的制定。

图1 X80钢在不同含水率土壤中的极化曲线Fig.1 Polarization curves of X80 steel in soil with different moisture contents

运用Powersuite软件进行曲线数据拟合，得到相应的自腐蚀电位、阴阳极塔菲尔常数、腐蚀电流密度等电化学参数（表2）。从表2可以看出，零电流电位与自腐蚀电位存在数据上的明显差距，这主要是由于腐蚀介质及其相关电极表面产生了不同程度的腐蚀产物，导致IR降引起的误差，但数值相差程度并不大，误差可忽略不计。由表2得出，X80钢样片在不同模拟环境中的电流密度与含水率具有一定规律性的相关度，值得深入探讨。

图2显示为不同氯离子情况下腐蚀电流密度与含水率的相对变化曲线。从图2可以看出，4种模拟土壤试样中腐蚀电流密度与含水率关系曲线都呈类似抛物线形；在土样1、土样2中氯离子含量较低时含水率上升至65%（最大值），然后迅速下降；在其他氯离子含量土壤环境中，含水率均上升至50%为最高值，所以只有当含水率高于50%时才会对X80钢试片参数具较大腐蚀影响。在土样2、土样3、土样4土壤模拟样环境中，X80钢试片腐蚀速率虽高，但是与含水率相关性不大，变化不明显，而腐蚀电流密度幅度波动也不大，可以说明随着氯离子含量的变大，其含水率对X80钢试片腐蚀速率影响逐渐变小。

表2 4种土壤下极化曲线的拟合结果Tab.2 Fittingresultsofpolarization curvesunderfourkindsofsoil

图2 X80钢在不同土壤环境下腐蚀速率随含水率的变化曲线Fig.2 Curves of corrosion rate change of X80 steel with moisture content in different soil environments

2.2 交流阻抗谱测试结果

X80钢在不同土壤、不同含水率下的交流阻抗谱见图3。由图3可知，不同氯离子试样环境中的含水率交流弧均显示为不同程度的双容抗弧，且弥散效应普遍存在于含水率较低时刻。实验中产生的腐蚀产物为絮状物，与土壤颗粒进行胶接并对电极表面进行不同程度包裹，导致电极表面的细微变化引起了阻抗谱变化。各实验试样中，在相对含水率为50%～65%时，都会在交流阻抗谱中出现低频区内的较大感抗弧。另外各交流阻抗谱中图形半径与土壤含水率成反比，经核算，当含水率在50%或者65%时半径最小，即为极化电阻值最小。

由于各种氯离子环境下的土壤模拟样腐蚀交流阻抗谱均显示强弥散效应，所以利用固有常相位角元件搭建等效电路装置规避实验干扰。通过最新拟合后所得数据（图4）与图2进行对比分析，X80钢极化电阻相对含水率变化趋势与腐蚀速率相对含水率变化趋势成反向对应关系。X80钢在中等湿度环境下（含水率50%～65%）的土壤模拟样中腐蚀最为剧烈，腐蚀速率明显高于其他阶段。

2.3 腐蚀机理探析

在含水率增大的情况下，无论是极化曲线还是交流阻抗实验结果均表明，X80钢样片在土壤中腐蚀速率与含水率成对数关系，腐蚀速率随含水率先急聚上升然后减小。这是土壤中离子浓度、氧含量与土壤结构、电阻率等多方面因素综合影响的结果。通过含水率对土壤电阻率的影响曲线（图5）来看，含水率与电阻成负相关性，且影响较大。

交流阻抗谱测定中显示，各种氯离子含量环境土壤试样中，含水率在50%～65%时均出现了较大感抗弧，表明剧烈的电极反应出现在该腐蚀作用下的预设电极表面。通过X80钢在土壤环境中腐蚀反应过程可知，其主要发生了两个反应过程：①Fe=Fe2++2e；②O2+2H2O+4e→4OH-。

在该种共轭反应诱导下，大量OH-与Fe2+继续发生反应产生难溶性腐蚀产物Fe(OH)2、Fe(OH)3，并附着在电极表面，反应式如下：

Fe2++2OH-=Fe(OH)2