黃星澎，張國福

（遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

作為一種特殊性質(zhì)的腐蝕介質(zhì)，土壤對金屬的腐蝕作用需要適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行檢測，地下的金屬構(gòu)件會(huì)與土壤直接接觸，從而常常會(huì)使得如石油產(chǎn)品管道，燃?xì)夤艿赖葮?gòu)件失效造成經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境危害[1]。土壤的特殊性質(zhì)表現(xiàn)在土壤本身是一個(gè)較為復(fù)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(gòu)件的因素很多，并且不同的金屬在不同的土壤環(huán)境下發(fā)生的腐蝕行為也有差異。

遼河油田在我國北方地區(qū)屬于重要的石油產(chǎn)地，石油管道的地下埋設(shè)量很大，由于埋設(shè)管道地區(qū)為水稻田地或濕地，土壤性質(zhì)與濕地草甸土相近，地下水位較高，腐蝕環(huán)境更加復(fù)雜[2]。

由于腐蝕環(huán)境復(fù)雜，為使得土壤對構(gòu)件的腐蝕行為研究更為理想，更多的采用電化學(xué)分析的方法，簡便快捷的對土壤的腐蝕體系進(jìn)行模擬。通過電化學(xué)阻抗譜的測試來分析盤錦及土壤環(huán)境相似地區(qū)的腐蝕行為，從而實(shí)現(xiàn)研究目的。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)用土壤分析

實(shí)驗(yàn)所選擇的土壤為盤錦地區(qū)輸油管線附近的典型土壤，其pH值為7.4，與土壤相關(guān)的理化性質(zhì)見表1[3]。

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

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用土壤自然干燥之后，研磨至可以通過20目篩，之后進(jìn)行烘烤。烘烤溫度為105 ℃，烘烤時(shí)間6 h[4]。按水土質(zhì)量1︰1進(jìn)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(shí)驗(yàn)試樣，實(shí)驗(yàn)規(guī)格為10 mm×10 mm×10 mm的立方體，工作面積10 mm×10 mm。用導(dǎo)線焊接在與工作面對應(yīng)的背面，之后用環(huán)氧樹脂裹住試件的非工作面，待環(huán)氧樹脂凝固后對試件的工作面進(jìn)行打磨。20#鋼從 80#砂紙一直打磨到 2 000#砂紙后進(jìn)行機(jī)械拋光，X80#鋼從80#砂紙一直打磨到2 000#砂紙后進(jìn)行機(jī)械拋光，銅從500#砂紙一直打磨到2 000#砂紙后進(jìn)行機(jī)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(yàn)所用材料化學(xué)成分見表2-4。

表2 20#鋼的化學(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table2 20# steel chemical composition %

表3 X80鋼的化學(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table3 X80 line pipe steel chemical composition %

表4 Cu的化學(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(shí)驗(yàn)所用電化學(xué)儀器采用 PARSTAT2273電化學(xué)測試系統(tǒng)和PowerSuite測試軟件，采用三電極體系，20#鋼、X80鋼、銅等實(shí)驗(yàn)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(zhì)。激勵(lì)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(jié)果利用ZSimpWin軟件進(jìn)行交流阻抗擬合處理（圖1）。

在實(shí)驗(yàn)過程里完全采用常相位角原件 CPE取代電容元件，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)當(dāng)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(chǎn)物和土壤顆粒組成的結(jié)合層的電阻，常相位角原件 CPE1代表腐蝕產(chǎn)物結(jié)合層所形成的電容，常相位角原件CPE2代表雙電層的電容。因?yàn)橥寥栏g的交流阻抗譜彌散效應(yīng)很強(qiáng)所以Q代表常相位角原件（CPE）代替純電容C，RCT代表電荷轉(zhuǎn)移電阻，采用圖1等效電路進(jìn)行擬合，電極體系阻抗譜數(shù)學(xué)的表達(dá)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(shù)據(jù)Table 5 EIS data

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

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

通過以上的實(shí)驗(yàn)分析，在工況情況下集膚效應(yīng)伴熱管 20#鋼的腐蝕最為嚴(yán)重，而銅導(dǎo)線由于本身在土壤的腐蝕中比較耐腐蝕并且陰極保護(hù)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(diǎn)應(yīng)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(dǎo)致了土壤腐蝕行為在電化學(xué)方面的表現(xiàn)不盡相同。圖2為土壤所處環(huán)境溫度為26 ℃的時(shí)候，伴熱管在含水量分別為10%、20% 和30%的土壤中連續(xù)的腐蝕 1, 10, 20, 30 d后的極化曲線。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論分析

當(dāng)土壤處于 26 ℃的環(huán)境時(shí)，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(yīng)腐蝕時(shí)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(dāng)土壤含水量低的時(shí)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(xù)測試的時(shí)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(shí)極化曲線圖譜大體一致，但是當(dāng)?shù)竭_(dá)第 30 天時(shí)20% WHC的極化曲線上顯示的自腐蝕電位發(fā)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(shí)間的延長在任何連續(xù)測試的時(shí)間點(diǎn)上都有明顯的變化。當(dāng)土壤的含水量低的情況下連續(xù)的腐蝕時(shí)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(guān)系密切，在土壤中的一部分水分不能夠與二價(jià)鐵離子形成水合物的時(shí)候，伴熱管在土壤中腐蝕時(shí)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(fā)生了相應(yīng)的變化，實(shí)驗(yàn)所用腐蝕時(shí)間的增加使得腐蝕電流密度與自腐蝕電位的發(fā)展呈現(xiàn)出相應(yīng)的關(guān)系，即腐蝕電流密度逐步減小。這樣的結(jié)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(huán)境溫度并不高，所以土壤的腐蝕行為也不嚴(yán)重，土壤中的氧含量能夠適應(yīng)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(jīng)過了打磨和拋光其表面很光滑，伴隨著腐蝕時(shí)間的延長，金屬的表面發(fā)生了銹蝕，由于金屬表面產(chǎn)生了缺陷在隨后的腐蝕中腐蝕速率逐步增大。由于腐蝕時(shí)間的延長金屬表面的腐蝕產(chǎn)物也開始響應(yīng)的變多變厚，同時(shí)這些銹蝕深深嵌入了金屬表面，這些腐蝕產(chǎn)物反過來對金屬又起到了保護(hù)的作用，使得土壤的腐蝕性有所減緩。腐蝕產(chǎn)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(shí)間的延長又對金屬起了保護(hù)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(chǎn)生了比較明顯的變化。腐蝕時(shí)間的延長使得高含水量的土壤的自腐蝕電位隨著時(shí)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(shí)驗(yàn)所用腐蝕時(shí)間的增加會(huì)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(qiáng)，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(xiàn)為金屬試樣的自腐蝕電位持續(xù)下降。

3 結(jié)束語

通過電化學(xué)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(zhuǎn)移電阻的比較，能夠發(fā)現(xiàn)伴熱管在土壤溶液中的腐蝕最為嚴(yán)重，伴熱導(dǎo)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(yán)重。

土壤環(huán)境不變的情況下：20% WHC﹥30%WHC﹥10%WHC

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