紅壤模擬溶液中Cl-對X80管線鋼腐蝕行為的影響

王彬彬 王 軍 盧志偉 劉吉祥

（1. 中國石油西南管道公司蘭成渝輸油分公司; 四川 成都 610036; 2. 國網(wǎng)湖南電力公司電力科學(xué)研究院; 湖北 長沙 412001; 3. 湘潭大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院; 湖南 湘潭 411105）

紅壤模擬溶液中Cl-對X80管線鋼腐蝕行為的影響

王彬彬1 王 軍2 盧志偉3 劉吉祥3

（1. 中國石油西南管道公司蘭成渝輸油分公司; 四川 成都 610036; 2. 國網(wǎng)湖南電力公司電力科學(xué)研究院; 湖北 長沙 412001; 3. 湘潭大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院; 湖南 湘潭 411105）

利用線性極化曲線、電化學(xué)阻抗譜和掃描電子顯微鏡等方法研究了模擬酸性紅壤中Cl-對X80管線鋼腐蝕行為的影響。結(jié)果表明，在不含Cl-的模擬酸性土壤溶液中，X80管線鋼主要發(fā)生均勻腐蝕；當(dāng)存在低濃度的Cl-時，X80管線鋼的均勻腐蝕遭到破壞，發(fā)生局部腐蝕；在本文測試范圍內(nèi)隨著Cl-濃度的增加，點蝕坑數(shù)量增多，點蝕坑的直徑增大，X80管線鋼耐局部腐蝕性能下降。在含Cl-的溶液中，隨著浸泡時間增加X80管線鋼阻抗值先增大后減小，最后保持穩(wěn)定。根據(jù)本文研究結(jié)果，鋪設(shè)于酸性紅壤中的管線鋼必須考慮Cl-對其腐蝕行為的影響。

紅壤 X80管線鋼 電化學(xué) 土壤腐蝕

0 引言

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，我國石油和天然氣消費數(shù)量呈爆炸式增長，相應(yīng)地長距離輸油輸氣管線建設(shè)迅猛發(fā)展，并且還在不斷持續(xù)之中。這些鋪設(shè)在地下的縱橫交錯的管道一旦發(fā)生腐蝕失效，極易造成經(jīng)濟損失、生態(tài)環(huán)境破壞和人員傷亡。美國政府運輸部(DOT, U.S. Department of Transportation)下屬的管道及危險物品管理局(PHMSA, Pipeline & Hazardous Materials Safety Administration)的報告顯示，管道事故數(shù)量有遞增趨勢[1]。因此，研究管道泄漏事故發(fā)生的原因以提前做好預(yù)防措施，減少甚至避免事故發(fā)生是十分必要的。

油氣管線埋設(shè)于土壤中，各種土壤環(huán)境因子(侵蝕性離子、pH、濕度、微生物活動等)與管線鋼相互作用引起或加速管線鋼腐蝕[2]。隨著“西氣東輸”二線、三線工程的相繼投入使用，我國長距離輸油輸氣管線大量鋪設(shè)在東南地區(qū)。該地區(qū)地處長江以南、青藏高原以東，土壤類型為酸性紅壤，呈酸性，pH在4～6 之間，含水量高、電導(dǎo)率低、CO2含量較高。章鋼婭等發(fā)現(xiàn)土壤濕度差異是影響紅壤中Q235 鋼腐蝕性的主要因子，隨著濕度的增加腐蝕從局部腐蝕向均勻腐蝕轉(zhuǎn)化[3]。楊霜等發(fā)現(xiàn)隨溫度的升高，酸性紅壤的土壤電阻和電荷轉(zhuǎn)移電阻均呈減小趨勢，腐蝕速率增大[4]。劉淑云等發(fā)現(xiàn)紅壤的pH控制著紅壤中管線鋼的腐蝕過程和反應(yīng)[5]。么惠平等發(fā)現(xiàn)紅壤對管線鋼的高腐蝕性與紅壤鐵氧化物之間存在較大關(guān)系[6]。吳堂清等研究了硫酸鹽還原菌對酸性紅壤中X80和X100 腐蝕行為的影響，發(fā)現(xiàn)硫酸鹽還原菌可以促進土壤中管線鋼的腐蝕[7-9]。上述研究關(guān)注了諸多環(huán)境因素對紅壤中管線鋼腐蝕行為的影響，但是尚沒有關(guān)于紅壤中氯離子對管線鋼腐蝕行為影響的報道。

本文通過線性極化、電化學(xué)阻抗譜和掃描電子顯微鏡研究模擬紅壤溶液中氯離子濃度對X80管線鋼腐蝕過程的影響，研究結(jié)果可為紅壤環(huán)境中管線的防護提供理論支持。

1 實驗

實驗材料為API X80鋼, 成分為見表1。試樣打磨去邊后用環(huán)氧樹脂密封非工作面，水磨砂紙逐級打磨至1000#，用去離子水沖洗和酒精清洗，吹干備用。用作失重分析的試樣按國家標準GB 5776-86的規(guī)定進行表面處理，用SiC水磨砂紙逐級打磨至1000#,去離子水沖洗、濾紙吸干后用丙酮去油脫脂、酒精去污，吹干備用。

表1 X100鋼化學(xué)成分

實驗溶液參照文獻報道的鷹潭酸性模擬溶液成分[10]，改變其中Cl-濃度，具體見表2，其中溶液B為酸性土壤模擬溶液[10]。所有化學(xué)藥品采用分析純濃度。實驗在室溫下進行，周期為16天。采用三電極測試系統(tǒng)，工作電極為X100鋼，面積為10mm×10 mm，輔助電極為石墨電極，參比電極為飽和甘汞電極。電化學(xué)阻抗測量采用CS350系統(tǒng)，激勵信號為10mV的正弦波，測試頻率范圍為10-2～104 Hz，同時進行線性極化曲線和開路電位的測量。實驗結(jié)束后取出試樣并在掃描電鏡下觀察其微觀腐蝕形貌。

表2 模擬土壤溶液的成分(g/L)

2 實驗結(jié)果分析

2.1 X80管線鋼腐蝕形貌觀察

X80管線鋼在溶液A（Cl-濃度為0g/L）中浸泡16天后的腐蝕形貌如圖1所示，從圖中可以看出X80管線鋼表面較為平整，以均勻腐蝕為主，說明在模擬土壤溶液中沒有Cl-存在時，X80管線鋼也會發(fā)生腐蝕，但是腐蝕形態(tài)主要為均勻腐蝕。

圖1 溶液A中X80管線鋼腐蝕16天后的腐蝕形貌

圖2 在溶液B中，X80管線鋼腐蝕16天后的腐蝕形貌

X80管線鋼在溶液B（Cl-濃度為0.1570g/L）中浸泡16天后的腐蝕形貌如圖2所示，從圖中可以看出X80管線鋼表面的打磨劃痕清晰可見，均勻腐蝕并不嚴重；但是，出現(xiàn)了蜂窩狀的腐蝕形態(tài)，出現(xiàn)了明顯的局部腐蝕特征。說明在酸性土壤溶液中，X80管線鋼腐蝕行為以局部腐蝕為主，Cl-的存在可能是局部腐蝕的重要原因。

圖3 溶液C中X80管線鋼腐蝕16天后的腐蝕形貌

X80管線鋼在溶液C（Cl-濃度為0.5458 g/L）中浸泡16天后的腐蝕形貌如圖3所示。從圖中可以看出，隨著Cl-濃度的增加，X80管線鋼表面局部腐蝕的面積率增加，局部腐蝕的寬度和深度增加，說明進一步增加的Cl-加劇了X80管線鋼的局部腐蝕行為。

綜上所述，在酸性模擬溶液（溶液B）中X80管線鋼的腐蝕形態(tài)以局部腐蝕為主；去除Cl-（溶液A）后，X80管線鋼腐蝕形態(tài)轉(zhuǎn)為均勻腐蝕；增加Cl-濃度（溶液C），則會加劇X80管線鋼的局部腐蝕行為。

2.2 Cl-濃度對X80管線鋼初期腐蝕行為的影響

圖4 X80管線鋼在不同Cl濃度模擬溶液中浸泡16天后阻抗譜圖

X80管線鋼在模擬酸性土壤溶液中浸泡16天后電化學(xué)阻抗譜如圖4所示，從中可以看出管線鋼在NaCl溶液中主要表現(xiàn)為兩個容抗弧。高頻區(qū)容抗弧與溶液電阻有關(guān)，低頻區(qū)容抗弧與腐蝕產(chǎn)物膜和電荷轉(zhuǎn)移過程有關(guān)。隨著Cl-濃度的增加，低頻電化學(xué)阻抗值呈逐漸減小趨勢，說明Cl-促進了管線鋼的腐蝕過程。

X80管線鋼在模擬酸性土壤溶液中浸泡16天后線性極化曲線如圖5所示，計算得到的自腐蝕電位（OCP）線性極化電阻值（RLPR）見表3。從中可以看出，隨著Cl-濃度的增加，管線鋼自腐蝕電位僅發(fā)生輕微變化，極化電阻值呈逐漸減小的趨勢，這與電化學(xué)阻抗譜得到的結(jié)果一致。

結(jié)合腐蝕形貌觀察結(jié)果總結(jié)可知:X80管線鋼在沒有Cl-的情況下發(fā)生均勻腐蝕，在低濃度Cl-的溶液中發(fā)生點蝕，破壞X80管線鋼自身的均勻腐蝕；在本文測試范圍內(nèi)隨著Cl-濃度的增加，電化學(xué)阻抗降低，點蝕坑數(shù)量增多，點蝕坑的直徑增大，X80管線鋼腐蝕速率加快，耐腐蝕性能下降。

圖5 X80管線鋼在模擬酸性土壤溶液中浸泡4h后線性極化曲線

表3 不同Cl-濃度的模擬土壤溶液中管線鋼的電化學(xué)參數(shù)

2.3 土壤模擬溶液中管線鋼腐蝕行為隨時間的改變

圖6 模擬酸性土壤溶液中X80管線鋼阻抗譜隨浸泡時間的變化

X80管線鋼在模擬酸性土壤溶液B（Cl-濃度為0.1570g/L）中浸泡，其阻抗譜隨時間變化如圖6所示。從圖中可以看出，X80管線鋼在溶液B中，隨著浸泡時間的增加，其阻抗值先增大后減小，最后保持穩(wěn)定。

X80管線鋼在模擬酸性土壤溶液B中浸泡16天后的線性極化曲線如圖7所示，計算得到的自腐蝕電位（OCP）線性極化電阻值（RLPR）見表4。從表中可看出，隨著浸泡時間的延長，X80管線鋼自腐蝕電位呈降低趨勢，實驗后期保持不變；極化電阻值隨浸泡時間的延長先增加后減小，最后保持不變，這與阻抗值的變化規(guī)律一致。

圖7 模擬酸性土壤溶液中X80管線鋼線性極化曲線隨浸泡時間的變化

表4 模擬酸性土壤溶液中X80管線鋼電化學(xué)參數(shù)隨浸泡時間的變化

3 實驗結(jié)論

(1) 在不含Cl-的模擬酸性土壤溶液中，X80管線鋼主要發(fā)生均勻腐蝕；當(dāng)存在低濃度的Cl-時，X80管線鋼的均勻腐蝕遭到破壞，發(fā)生局部腐蝕；在本文測試范圍內(nèi)隨著Cl-濃度的增加，點蝕坑數(shù)量增多，點蝕坑的直徑增大，X80管線鋼耐局部腐蝕性能下降；

(2)隨著Cl-濃度的增加，X80管線鋼電化學(xué)阻抗值降低，腐蝕速率加快。說明Cl-的存在加速了管線鋼的腐蝕；

(3)在溶液B中，隨著浸泡時間增加X80管線鋼阻抗值先增大后減小，最后保持穩(wěn)定。

[1] Pipeline & Hazardous Materials Safety Administration. http://www. phmsa.dot.gov.

[2] S. Papavinasam, Corrosion control in the oil and gas Industry. 2014, Boston: Gulf Professional Publishing.

[3] 章鋼婭, 林云青, 盧再亮. Q235鋼在不同濕度紅壤中的腐蝕形貌研究. 中國農(nóng)學(xué)通報, 2010, 26(20): 393-396.

[4] 唐, 楊霜, 閆茂成, 趙康文, 孫成, 許進, 于長坤. 溫度對X80管線鋼酸性紅壤腐蝕行為的影響. 中國腐蝕與防護學(xué)報, 2015, 35(3): 227-232.

[5] 王, 劉淑云, 杜楠, 王力強, 肖金華. X80管線鋼在不同pH值紅壤模擬溶液中的腐蝕電化學(xué)行為. 中國腐蝕與防護學(xué)報, 2015, 35(1): 21-26.

[6] 閆, 么惠平, 楊旭, 孫成. X80管線鋼紅壤腐蝕初期電化學(xué)行為. 中國腐蝕與防護學(xué)報, 2014, 34(5): 472-476.

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[8] 吳堂清, 楊圃, 張明德, 許進, 閆茂成, 于長坤, 孫成. 酸性土壤浸出液中X80鋼微生物腐蝕研究:(II)腐蝕形貌和產(chǎn)物分析. 中國腐蝕與防護學(xué)報, 2014, 34(4): 353-358.

[9] 梅鵬, 劉濤, 吳堂清, 孫成, 閆茂成, 許進, 于星, 于長坤. 紅壤浸出液中X100管線鋼微生物腐蝕特征. 全面腐蝕控制, 2013, 27(6): 23-26.

[10] Z.Y. Liu, X.G. Li, C.W. Du, G.L. Zhai, Y.F. Cheng. Stress corrosion cracking behavior of X70 pipe steel in an acidic soil environment. Corrosion Science, 2008, 50(8): 2251-2257.

Efects of Chloride Ion on Corrosion Behavior of X80 Pipeline Steel in Simulated Red Soil Solution

WANG Bin-bin1, WANG Jun2, LU Zhiwei3, LIU Jixiang3
(1. Lanzhou-Chengdu-Chongqing Products-Transportation Branch, PetroChina South-West Pipeline Company, Sichuan, 610036, China;2. State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute, Changsha 410007, China;3. School of Materials Science and Engineering, Xiangtan University, Xiangtan, 411105, China;)

In this paper, the effect of Cl-ion on the corrosion behavior of X80 pipeline steel was monitored in an red soil by linear polarization curve, electrochemical impedance spectroscopy and scanning electron microscope. The results showed that, in the simulated acidic soil solution without Cl-ion, general corrosion is the main corrosion type for the X80 pipeline steel. When trace amounts of Cl-ion was introduced into the soil solution, the general corrosion is destroyed, and the corrosion type changes into localized corrosion. Within the range tested, the number and depth of the localized corrosion increase with the increase of Cl-ion. In the soil solution with Cl-ion, the impedance of X80 pipeline increases in the initial stage of the experiment, then decreases, and remains stable in the last stage. The efect of Cl-ion on corrosion behavior of pipeline steel buried in red soil could be taken into account in the practice of project.

red soil; X80 pipeline steel; electrochemistry; soil corrosion

TG172.4

A

10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2016.11.054.05

國家自然科學(xué)基金(51601164, 51471176)；湘潭大學(xué)博士啟動基金(15QDZ38)；湘潭大學(xué)自然科學(xué)基金(15ZXZ15)

王彬彬（1985-），山東惠民人，工程師，主要研究方向為管體缺陷修復(fù)與防腐層修復(fù)。