陰極保護對X70鋼在卵石黃泥土中腐蝕行為的影響

費小丹，李明齊，蔡鐸昌，唐敬友，李江波

1.西南科技大學國防科技學院，四川 綿陽 621010

2.西華師范大學化學化工學院，四川 南充 637002

地下的金屬管道，如果不采取合理的防腐措施，或措施不當、管理不善，都有可能引起管道腐蝕穿孔，造成管道泄漏事故，甚至使整段管道報廢。陰極保護是防止腐蝕的重要措施。90年代以來，能源、交通、城市建設等行業(yè)飛躍發(fā)展，對陰極保護的需求猛增。陰極保護有犧牲陽極的陰極保護和外加電流的陰極保護。進行防腐研究的工作者采用不同方法研究了陰極保護對金屬腐蝕行為的影響。葛艾天等研究了陜京管道站場的區(qū)域陰極保護[1]。孫魁對陰極保護系統(tǒng)的供電方式、陽極材料及安裝方式、排流方式、監(jiān)測系統(tǒng)等方面進行了探討[2]。韓國的Jung-Gu Kim等用塔菲爾曲線法研究了25～95 ℃下，陰極保護電位對絕熱管線在模擬地下水的腐蝕的影響[3]。尼日利亞的M.T.Lilly等研究表明犧牲陽極的陰極保護和外加電流的陰極保護可有效減小油氣管線腐蝕[4]。

X70鋼是西氣東輸工程指定用鋼。西氣東輸工程是我國建國以來距離最長的天然氣管道工程，干線線路總長約4000 km，途經(jīng)的土壤的類型繁多。卵石黃泥土是一種分布廣泛的酸性土壤，其腐蝕性很強。但是關于X70鋼在這種土壤中腐蝕規(guī)律的研究還未見報道。所以有必要評價陰極保護對X70鋼在該種土壤中的腐蝕速率，為工程的安全運行提供依據(jù)。本文采用外加電流的陰極保護，通過失重法和交流阻抗法研究陰極保護電位對X70鋼在卵石黃泥土中腐蝕行為的影響規(guī)律，探討要使X70鋼獲得較好的保護效果所需施加的保護電位。

1 實驗方法

1.1 實驗土壤

土壤取自四川省南充地區(qū)的卵石黃泥土。將取回的土壤自然風干，除去其中的草根、石塊等雜物，仔細研磨，使其通過20目的土壤篩。然后在烘箱中105 ℃烘6h以除去土壤中殘余的水分，殺死土壤中的微生物。處理后的土壤與蒸餾水均勻混合，配成濕度20%的土壤介質，裝于500 ml的塑料燒杯中。為防止水分蒸發(fā)，加蓋密封，24h后待體系穩(wěn)定進行測定。

1.2 實驗材料

將 X70鋼 加 工 成10 mm×10 mm×4 mm和 30 mm×30 mm×4 mm的試樣，并在樣品背后焊上銅導線，然后將非工作面用瀝青封裝。電化學測試前工作表面依次用120#～1000#的金相砂紙磨光后，酒精及丙酮去油，蒸餾水洗凈。

1.3 測試方法

陰極極化電位分別為-850 mV、-950 mV、-1050 mV(相對Cu/CuSO4電極)。試驗周期為30天。

1.3.1 電化學阻抗譜測試

交流阻抗測試采用CHI618B電化學分析儀(上海辰華儀器公司)。阻抗測試激勵信號為5 mV的正弦波，測試頻率范圍為5 mHz～100 kHz。用Zsimpwin軟件進行交流阻抗曲線擬合處理，確定交流阻抗的各參數(shù)值。

1.3.2 腐蝕失重測試

實驗結束后，將試樣表面的瀝青除去（難于去除的用二甲苯溶劑清洗），在500 ml鹽酸加500 ml蒸餾水加20 g六次甲基四胺溶液中除去試樣表面的腐蝕產物。水洗、吹干后，在分析天平上稱重，精確到0.1 mg，計算腐蝕失重。

1.4 試驗結果及討論

1.4.1 陰極極化電位對陰極保護效率的影響

圖1是采用失重法測得的卵石黃泥土中X70鋼腐蝕速率隨著陰極極化電位的變化情況。可以發(fā)現(xiàn)，隨著陰極極化電位負移的增大，X70鋼在卵石黃泥土中的腐蝕速率逐漸減小。在陰極極化電位為-850 mV條件下，X70鋼的陰極保護效率為58.7%；在陰極極化電位為-950 mV條件下，X70鋼的陰極保護效率為77.3%；在陰極極化電位為-1050 mV條件下，X70鋼的陰極保護效率達到了94.5%。因此，本試驗說明在卵石黃泥土中的陰極保護電位應負于-950 mV，否則土壤中的鋼鐵仍然會以較大的速率腐蝕。

1.4.2 陰極極化電流密度的變化情況

圖2為在不同的外加陰極極化電位下電流密度隨試驗時間的變化情況，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，試驗剛開始時幾種陰極極化電位下X70鋼所需施加的電流密度很大，隨著試驗時間的增加所需施加的電流密度逐漸減小并趨于穩(wěn)定，而且隨著陰極極化電位負移的增大，所需施加的電流密度穩(wěn)定值越大。

圖1 土壤中X70鋼腐蝕速率隨陰極極化電位的變化曲線Fig.1 Curve of the corrosion rate of X70steel versus cathodic potential in soil

圖2 陰極極化電流密度隨試驗時間的變化曲線Fig.2 The variation of CP current density with test time

1.4.3 交流阻抗法研究陰極極化對X70鋼腐蝕的影響

圖3為外加陰極極化電位下卵石黃泥土中X70鋼的交流阻抗圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著陰極極化電位負移，X70鋼的交流阻抗圖半圓逐漸增大，說明陰極極化電位越負，X70鋼的腐蝕速率越小，保護效率就越高。這與失重法測得的結果一致。圖4為在-950 mV的陰極保護電位下，卵石黃泥土中X70鋼的交流阻抗圖隨著試驗時間的變化情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著試驗時間的增加，卵石黃泥土中X70鋼的交流阻抗弧逐漸增大，這說明隨著試驗的進行，卵石黃泥土中X70鋼的腐蝕速率逐漸減小。表1和表2分別圖3和圖4的阻抗圖譜數(shù)據(jù)解析結果。Rl表示電極表面腐蝕產物和土粒組成的結合層的電阻，Rt表示電荷轉移電阻，由于土壤腐蝕的EIS彌散效應很強，所以均用常相位角元件CPE1 代替腐蝕產物結合層電容元件， CPE2代替雙電層電容元件。由表1可知，電荷轉移電阻隨著極化電位的負移而增大，腐蝕速率減小；由表2可知，在-950 mV的極化電位下，電荷轉移電阻隨著腐蝕時間的增加而增大。

圖3 在土壤中不同陰極極化電位下X70鋼第16天的阻抗圖Fig.3 EIS for X70 steel at different potentials in soil after 16 days

圖4 -950mV極化電位下土壤中X70鋼阻抗圖譜隨著試驗時間變化Fig.4 EIS for X70 steel with different test times at -950 mV in soil

2 結論

1）隨著陰極極化電位的負移，卵石黃泥土中X70鋼的腐蝕速率逐漸減小，陰極保護效率逐漸增大。陰極保護電位應負于-950 mV才能使卵石黃泥土中的X70鋼獲得較高的保護效率；

2）在不同的陰極極化電位下，隨著試驗時間的增長，所需施加的電流密度逐漸減小并趨于穩(wěn)定，而且隨著陰極極化電位負移的增大，所需施加的電流密度穩(wěn)定值越大。

表1 X70鋼在不同陰極電位下阻抗圖譜數(shù)據(jù)解析結果Table 1 Fitted results for EIS of X70 steel in soil at different potentials

表2 X70鋼在-950m V的陰極極化電位下阻抗圖譜隨時間變化的數(shù)據(jù)解析結果Table 2 Fitted results for EIS of X70 steel in soil after different days at -950 mV

[1]葛艾天,涂明躍.區(qū)域陰極保護在陜京管道站場的應用[J].腐蝕與防護,2009,30(5):343-345.

[2]孫魁.西氣東輸管道工程陰極保護技術的探討[J].石油工程建設,2001,30(5):5-8.

[3]Jung-Gu Kim，Yong-wook Kim.Cathodic Protection criteria of thermally insulated pipeline buried in soil[J].Corrosion Science，2001，43：2011-2021.

[4]M.T.Lilly ，S.C.Ihekwoaba ，S.O.T.Ogaji，S.D.Probert.Prolonging the lives of buried crude-oil and natural-gas pipelines by cathodic protection[J].Applied Energy 2007(84)：958-970.