常溫下伴熱管線的土壤腐蝕行為研究

黃星澎，張國福

（遼寧石油化工大學 機械工程學院， 遼寧 撫順 113001）

作為一種特殊性質的腐蝕介質，土壤對金屬的腐蝕作用需要適當的方法進行檢測，地下的金屬構件會與土壤直接接觸，從而常常會使得如石油產品管道，燃氣管道等構件失效造成經濟損失和環境危害[1]。土壤的特殊性質表現在土壤本身是一個較為復雜的腐蝕體系，溫度和含水量等因素影響或干擾土壤腐蝕構件的因素很多，并且不同的金屬在不同的土壤環境下發生的腐蝕行為也有差異。

遼河油田在我國北方地區屬于重要的石油產地，石油管道的地下埋設量很大，由于埋設管道地區為水稻田地或濕地，土壤性質與濕地草甸土相近，地下水位較高，腐蝕環境更加復雜[2]。

由于腐蝕環境復雜，為使得土壤對構件的腐蝕行為研究更為理想，更多的采用電化學分析的方法，簡便快捷的對土壤的腐蝕體系進行模擬。通過電化學阻抗譜的測試來分析盤錦及土壤環境相似地區的腐蝕行為，從而實現研究目的。

1 實驗部分

1.1 實驗用土壤分析

實驗所選擇的土壤為盤錦地區輸油管線附近的典型土壤，其pH值為7.4，與土壤相關的理化性質見表1[3]。

表1 輸油管線附近土壤理化性質Table 1 Physical and chemical properties of soil in liaohe oilfield mg/L

1.2 實驗材料

實驗所用土壤自然干燥之后，研磨至可以通過20目篩，之后進行烘烤。烘烤溫度為105 ℃，烘烤時間6 h[4]。按水土質量1︰1進行去離子水和土的配比配制溶液。

選用碳鋼和管線鋼的典型鋼材20#鋼和X80鋼及黃銅為實驗試樣，實驗規格為10 mm×10 mm×10 mm的立方體，工作面積10 mm×10 mm。用導線焊接在與工作面對應的背面，之后用環氧樹脂裹住試件的非工作面，待環氧樹脂凝固后對試件的工作面進行打磨。20#鋼從 80#砂紙一直打磨到 2 000#砂紙后進行機械拋光，X80#鋼從80#砂紙一直打磨到2 000#砂紙后進行機械拋光，銅從500#砂紙一直打磨到2 000#砂紙后進行機械拋光。

試件打磨光亮之后用酒精超聲清洗，再用去離子水沖洗，干燥。試驗所用材料化學成分見表2-4。

表2 20#鋼的化學成分及質量分數Table2 20# steel chemical composition %

表3 X80鋼的化學成分及質量分數Table3 X80 line pipe steel chemical composition %

表4 Cu的化學成分及質量分數Table4 Copper chemical composition %

1.3 測試方法

1.3.1 伴熱管線不同材料的腐蝕行為比較

實驗所用電化學儀器采用 PARSTAT2273電化學測試系統和PowerSuite測試軟件，采用三電極體系，20#鋼、X80鋼、銅等實驗試件作為工作電極，石墨電極為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，輸油管線附近土壤配制溶液為介質。激勵信號為10 mV正弦波，測試頻率范圍100 kHz~100 MHz。極化曲線測量掃描速度為0.166 mV/s，開路電位掃面范圍-0.25~0.25 V。測定結果利用ZSimpWin軟件進行交流阻抗擬合處理（圖1）。

在實驗過程里完全采用常相位角原件 CPE取代電容元件，所得實驗數據當中的RS代表土壤配制腐蝕溶液電阻，R1代表金屬電極表面腐蝕產物和土壤顆粒組成的結合層的電阻，常相位角原件 CPE1代表腐蝕產物結合層所形成的電容，常相位角原件CPE2代表雙電層的電容。因為土壤腐蝕的交流阻抗譜彌散效應很強所以Q代表常相位角原件（CPE）代替純電容C，RCT代表電荷轉移電阻，采用圖1等效電路進行擬合，電極體系阻抗譜數學的表達式為:

圖1 土壤腐蝕溶液中20#鋼、Cu、X80鋼的交流阻抗圖譜Fig.1 The EIS of 20 #steel, copper,X80 line pipe steel in soil corrosion solutions

表5 EIS數據Table 5 EIS data

從表5中比較加熱導線，伴熱管，輸油管線可已看出銅的電阻RCT加熱導線最大，輸油管線次之，伴熱管的電荷轉移電阻最小，即加熱導線電荷轉移電阻﹥輸油管線電荷轉移電阻﹥伴熱管電荷轉移電阻。常相位角原件(加熱導線)小于常相位角原件(輸油管線)小于常相位角原件(伴熱管) 依據文獻可知在土壤為堿性條件下能夠使得導線產生抗腐蝕的氧化產物，因而避免導線進一步被腐蝕[6]。

在集膚效應下，輸油管線中起管道保護作用的黃夾克被破壞后,土壤腐蝕介質直接接觸超稠油主輸油管線與集膚效應伴熱系統的結合處。使伴熱系統的芯線與伴熱管之間形成了銹蝕,伴隨腐蝕產物的形成其間電阻也逐步增大,在集膚效應伴熱系統正常運行的以及土壤腐蝕存在的條件下,銅制導線將穿過土壤腐蝕造成的銹蝕層對 20#鋼的伴熱管進行高壓放電,造成20#鋼伴熱管的腐蝕更加嚴重[7]。

通過以上的實驗分析，在工況情況下集膚效應伴熱管 20#鋼的腐蝕最為嚴重，而銅導線由于本身在土壤的腐蝕中比較耐腐蝕并且陰極保護作用的情況下腐蝕情況更加不明顯，所以伴熱管線的研究重點應該是20#鋼所制的伴熱管。

1.3.2 在常溫下土壤含水量的不同對土壤腐蝕性的影響

土壤濕度的變化導致了土壤腐蝕行為在電化學方面的表現不盡相同。圖2為土壤所處環境溫度為26 ℃的時候，伴熱管在含水量分別為10%、20% 和30%的土壤中連續的腐蝕 1, 10, 20, 30 d后的極化曲線。

2 實驗結論分析

當土壤處于 26 ℃的環境時，在土壤含水量低的情況下（10% WHC和20% WHC）的伴熱管極化曲線顯示對應腐蝕時間的增加，自腐蝕電位以及腐蝕電流密度都有其變化的趨勢。當土壤含水量低的時候，在測試的第一天極化曲線上顯示的自腐蝕電位比其后任何連續測試的時候的自腐蝕電位都要小。 在土壤含水量為20%的情況下第1天，第10 天以及第 20 天時極化曲線圖譜大體一致，但是當到達第 30 天時20% WHC的極化曲線上顯示的自腐蝕電位發生了明顯的變大情況。在土壤含水量為10%的情況下極化曲線隨著腐蝕時間的延長在任何連續測試的時間點上都有明顯的變化。當土壤的含水量低的情況下連續的腐蝕時間的延長，在金屬表面接觸的土壤中的水含量逐步地減少。土壤的腐蝕性位于土壤中水含量的關系密切，在土壤中的一部分水分不能夠與二價鐵離子形成水合物的時候，伴熱管在土壤中腐蝕時間的延長使得可形成水合物的水分愈來愈少，金屬的腐蝕有所減弱低，在極化圖中顯示為自腐蝕電位的上升。

在含水量低的土壤中其腐蝕電流密度也發生了相應的變化，實驗所用腐蝕時間的增加使得腐蝕電流密度與自腐蝕電位的發展呈現出相應的關系，即腐蝕電流密度逐步減小。這樣的結果是由于在土壤含水量低的情況下，土壤中氧的輸送難度小，并且土壤所在的環境溫度并不高，所以土壤的腐蝕行為也不嚴重，土壤中的氧含量能夠適應氧的去極化過程的需要，其顯示為腐蝕電流密度并不是很大。

金屬在放入土壤之前都經過了打磨和拋光其表面很光滑，伴隨著腐蝕時間的延長，金屬的表面發生了銹蝕，由于金屬表面產生了缺陷在隨后的腐蝕中腐蝕速率逐步增大。由于腐蝕時間的延長金屬表面的腐蝕產物也開始響應的變多變厚，同時這些銹蝕深深嵌入了金屬表面，這些腐蝕產物反過來對金屬又起到了保護的作用，使得土壤的腐蝕性有所減緩。腐蝕產物的形成對金屬有這看似矛盾的情況，在腐蝕開始階段其對金屬有破壞的作用，但隨著腐蝕時間的延長又對金屬起了保護的作用。在土壤含水量較高的情況下金屬在測試的第1天，第10天以及第20天后的極化圖譜大體一致，而到了第30天后極化圖中的自腐蝕電位產生了比較明顯的變化。腐蝕時間的延長使得高含水量的土壤的自腐蝕電位隨著時間的增加而變小，腐蝕電流密度同樣也是開始變大。在土壤含水量高的情況下，即便是實驗所用腐蝕時間的增加會使得土壤中原來的含氧量有所下降，但是由于土壤中的水含量高溶解氧的能力強，氧的去極化過程同樣有足夠的氧氣參加，在極化圖中的表現為金屬試樣的自腐蝕電位持續下降。

3 結束語

通過電化學測試中的極化曲線圖和自腐蝕電位的比較、交流阻抗圖以及電荷轉移電阻的比較，能夠發現伴熱管在土壤溶液中的腐蝕最為嚴重，伴熱導線的腐蝕情況最輕。并且由于電偶腐蝕的存在伴熱管的腐蝕變的更加的嚴重。

土壤環境不變的情況下：20% WHC﹥30%WHC﹥10%WHC

［1］魯新如，杜翠薇，李曉剛，曲良山. X70鋼在大慶兩種土壤中的腐蝕行為[J].腐蝕與防護，2008,29（9）：503-506．

［2］董美，吳明．X80管線鋼在模擬液中的電化學行為［J］．石油化工高等學校學報，2009，22（2）：66-69．

［3］王紅，馬祥禮，申龍涉，等．遼河特石超稠油輸油管線腐蝕預測與評價［J］．管道技術與設備，2007（6）：33-34．

［4］李發根，邵曉東，李磊，高萬夫16Mn鋼土壤腐蝕行為研究[J].201 0,31（12）：933-934.

［5］龔曉明, 葛紅花, 劉蕊, 吳一平. 碳鋼和純銅在實驗土壤中的腐蝕研究[J]. 上海電力學院學報, 2009,25(6):552-555．

［6］ 謝學軍, 呂珂, 晏敏, 等. 銅水體系電位-pH圖與發電機內冷水pH調節防腐[J]. 腐蝕科學與防護技術, 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．