氯化鑭對X80管線鋼在酸性土壤模擬溶液中腐蝕行為的影響

王 瑩，梁 平，胡傳順，王曉莉，趙 陽，楊 韜

（1.遼寧石油化工大學 機械工程學院，撫順113001；2.天津石油職業技術學院 電子信息系，天津301607）

我國西氣東輸二線工程采用的是強度和韌性都較高的X80管線鋼，然而，該工程途經堿性、中性和酸性等不同類型的土壤，這必定會對管線鋼造成不同程度的腐蝕?，F場埋片試驗結果表明，在東南部酸性土壤環境中，X80鋼具有較高的腐蝕傾向性[1]，因此，研究X80鋼在酸性土壤中的腐蝕防護措施對于保證管線鋼的長周期安全運行有著重要意義。已有研究結果表明，稀土元素可有效提高金屬的耐腐蝕性能[2－4]。目前現場使用的X80鋼并沒有而且也不可能再加入稀土元素，但如果將稀土元素加入到管線鋼外的有機涂層中則可大大抵御土壤對管線造成的侵蝕?；诖苏J識，本工作采用浸泡和極化曲線方法，結合掃描電鏡和X射線衍射等技術，分析了LaCl3對X80鋼腐蝕速率的影響規律和作用機制，確定了LaCl3在酸性土壤模擬溶液中使用的最佳濃度，以期為將來的應用提供參考依據。

1 試驗

1.1 試驗材料和試驗介質

試驗材料為X80管線鋼，其化學成分見表1。將試樣線切割成10mm×10mm×5mm的正方形試樣用于進行極化曲線測試；50mm×50mm×5mm的片狀試樣用于實驗室內的浸泡腐蝕試驗，以測定腐蝕速率，并觀察腐蝕形貌。兩種試樣用SiC砂紙逐級打磨至1000＃后，酒精擦表面，去離子水沖洗，干燥后待用。

表1 試驗用X80管線鋼的化學成分 %

根據江西鷹潭地區地下1～1.5m處土壤的理化性質配制土壤模擬溶液，其化學組成見表2。用5%醋酸（體積比）調節溶液pH＝4.7±0.2，溶液溫度控制在（25±2）℃。按照0.25g·L－1，0.5g·L－1，1.0g·L－1LaCl3加至鷹潭土壤模擬溶液中。

表2 鷹潭土壤模擬溶液的化學組成mg·L－1

1.2 失重法

將X80鋼試樣放入添加有不同濃度氯化鑭的鷹潭土壤模擬溶液中浸泡10d，取出并經除銹干燥后稱量腐蝕后各個試樣的質量，根據式（1）計算X80鋼的平均腐蝕速率vcorr。

式中：W0為腐蝕前試樣的質量，g；W1為去除腐蝕產物后試樣的質量，g；S為試樣的表面積，m2；t為浸泡時間，h；vcorr為腐蝕速率，g·m－2·h－1。

1.3 極化曲線測試

將X80鋼試樣放入添加不同濃度氯化鑭的鷹潭土壤模擬溶液中進行極化曲線測試。采用Princepton Applied Research Paratat 2273電化學測試系統進行測試。X80鋼為工作電極，石墨為輔助電極，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極。文中若無特指，電位均相對于SCE。動電位極化曲線電位的掃描范圍約為－0.25～－0.2V（相對于開路電位），掃描速率為0.50mV·s－1。

1.4 腐蝕產物膜形貌觀察和組成測試

采用TESCAN掃描電鏡觀察X80鋼腐蝕后的表面形貌，對產物膜的元素組成進行能譜（EDS）測試；采用島津X－7000型射線衍射儀（XRD）分析產物膜的物相組成。

2 結果與討論

2.1 LaCl3濃度對X80鋼腐蝕速率的影響

圖1為X80鋼在含有0～1.0g·L－1LaCl3的鷹潭土壤模擬溶液中的腐蝕速率曲線?？梢钥闯?，LaCl3明顯降低了X80鋼的腐蝕速率，且當LaCl3濃度為0.5g·L－1時，腐蝕速率最小。因此，適量的LaCl3可以大幅度提高X80鋼抗酸性土壤腐蝕的能力。

圖1 X80鋼在含有不同濃度LaCl3鷹潭土壤模擬溶液中的腐蝕速率

2.2 腐蝕產物膜形貌觀察

圖2 為X80鋼在含有不同濃度LaCl3的鷹潭土壤模擬溶液中浸泡10d后的SEM圖。由圖2（a）可見，在鷹潭土壤模擬溶液中X80鋼表面形成的腐蝕產物膜孔隙較大，產物膜薄厚不均、高低不平，致密性和平整性較差；而X80鋼在加入LaCl3的溶液中形成的表面腐蝕產物膜則明顯變得致密、平整、均勻，特別是當LaCl3濃度為0.5g·L－1時，表面膜沒有微孔洞和微裂紋等缺陷，表面質量最好。

2.3 腐蝕產物膜的物相組成

圖3為土壤模擬溶液中未加LaCl3和添加0.5g·L－1LaCl3以后，X80鋼表面腐蝕產物膜的EDS測試結果?？梢钥闯觯琗80鋼在鷹潭土壤模擬溶液中的腐蝕產物膜主要由鐵元素和氧元素組成，而在含有LaCl3的溶液中形成的腐蝕產物膜的元素組成主要是鐵、氧和鑭。

圖3 X80鋼在添加和未添加氯化鑭的鷹潭土壤模擬溶液中形成的腐蝕產物膜EDS圖

采用XRD對腐蝕產物膜的物相組成進一步分析，結果見圖4。分析表明：X80鋼在鷹潭土壤模擬溶液中形成的腐蝕產物膜主要為FeOOH，Fe（OH）3和Fe3O4，而在含有LaCl3溶液中的腐蝕產 物 主 要 是 FeOOH，Fe（OH）3，La2O3和La（OH）3。

圖4 X80鋼在在添加和未添加氯化鑭的鷹潭土壤模擬溶液中形成的腐蝕產物膜的XRD圖譜

2.4 極化曲線

圖5 為X80鋼在未加LaCl3和加入0.5g·L－1LaCl3鷹潭土壤模擬溶液中的極化曲線。可以看出，加入LaCl3以后，陰極極化曲線向右發生移動，表明腐蝕的陰極反應得到促進，而陽極極化曲線向左發生移動，表明腐蝕時的陽極反應得到抑制，且在相同的陽極電位下，加入LaCl3后的陽極極化電流密度更小，表明腐蝕速率減小。對極化曲線的擬合結果表明，X80鋼在鷹潭土壤模擬溶液中的自腐蝕電位和自腐蝕電流密度分別為－535mV和4.208μA·cm－2，而溶液中加入LaCl3以后，自腐蝕電位和自腐蝕電流密度分別為－417mV和3.567μA·cm－2，表明LaCl3提高了X80鋼在酸性土壤中的熱力學穩定性，使腐蝕速率減小。

圖5 X80鋼在含有氯化鑭的鷹潭土壤模擬溶液中的極化曲線

2.5 腐蝕機制分析

X80鋼在鷹潭土壤模擬溶液中發生腐蝕時，其陽極反應可以表示為反應式（2），陰極反應可以表示為反應式（3）和（4）。

陽極反應產生的Fe2＋和陰極反應產生的OH－形成Fe（OH）2，Fe（OH）2并不穩定，繼續和溶液中的O2反應形成Fe（OH）3和FeOOH[5]（見反應式6～7），并隨著腐蝕時間的延長，部分產物最終形成Fe3O4，見反應式（8）。

當鷹潭土壤模擬溶液中加入0.5g·L－1LaCl3后，由陰極極化曲線可知，此時的陰極反應得到了促進，因此，反應式（4）進行得更加容易，即在相同腐蝕時間內，在陰極區形成了更多的OH－，導致OH－濃度增大，部分OH－將與溶液中加入的La3＋發生如下反應，即：

這導致XRD檢測中可以分析到La（OH）3和La2O3，這兩種物質使X80鋼在酸性土壤模擬溶液中形成的多孔多缺陷的腐蝕產物膜變得更加致密和平整，缺陷數量明顯減少，并較為牢固地附著在X80鋼表面，減弱了介質的擴散速速和腐蝕產物膜的快速溶解，使陽極鐵的溶解反應得到了抑制，從而降低了X80鋼在酸性土壤模擬溶液中的腐蝕速率。

3 結論

當鷹潭土壤模擬溶液中加入不同質量濃度的LaCl3以后，X80鋼的平均腐蝕速率明顯降低，且當LaCl3濃度為0.5g·L－1時，腐蝕電流密度最小，腐蝕速率最低。這主要是因為LaCl3促進陰極反應產生了更多的OH－，并結合成La（OH）3和La2O3，使原來多孔的腐蝕產物膜變得更加平整、致密、缺陷數量明顯減少，阻礙了陽極溶解速率，有效減緩了X80鋼在酸性土壤模擬溶液中的腐蝕。

[1]武俊偉，李曉剛，杜翠薇，等.X70鋼在庫爾勒土壤中短期腐蝕行為研究[J].中國腐蝕與防護學報，2005，25（1）：228－233.

[2]Toshihide T，Takami Ono，Yuji N，et al.Improvement of corrosion resistance of magnesium metal by rare earth elements[J].Electrochimica Acta，2007，53（1）：117－121.

[3]米豐毅，王向東，陳小平，等.海洋大氣環境下低碳稀土鋼耐腐蝕性能的研究[J].稀土，2011，32（4）：19－24.

[4]陳維，宋義全，李濤.稀土Ce，La對Q345B鋼在模擬海洋大氣環境中的腐蝕行為的影響[J].內蒙古科技大學學報，2011，30（1）：39－42.

[5]孫敏，肖葵，董超芳，等.帶腐蝕產物超高強度鋼的電化學行為[J].金屬學報，2011，47（4）：442－448.