不同電阻率土壤中管線鋼的自腐蝕速率分布

李海坤,朱鳳艷,婁月霞,韓昌柴,劉震軍,王 穎

(1. 中國石油天然氣管道科學研究院有限公司 油氣管道輸送安全國家工程實驗室，廊坊 065000； 2. 中石化石油工程機械有限公司 沙市鋼管廠，荊州 434000； 3. 中石油管道有限責任公司 西氣東輸管道分公司，武漢 430076)

不同電阻率土壤中管線鋼的自腐蝕速率分布

李海坤1,朱鳳艷1,婁月霞2,韓昌柴3,劉震軍1,王 穎1

(1. 中國石油天然氣管道科學研究院有限公司 油氣管道輸送安全國家工程實驗室，廊坊 065000； 2. 中石化石油工程機械有限公司 沙市鋼管廠，荊州 434000； 3. 中石油管道有限責任公司 西氣東輸管道分公司，武漢 430076)

根據國內外127個管線鋼自腐蝕速率與當地土壤電阻率數據，建立了自腐蝕速率與土壤電阻率的關系式，并進行了驗證。結果表明：在近中性及堿性土壤環境中，管線鋼自腐蝕速率與當地土壤電阻率的對數近似成反比關系，管線鋼自腐蝕速率符合weibull分布，隨著土壤電阻率降低，腐蝕數據更加離散;管線鋼在酸性土壤中的自腐蝕速率往往比在相同電阻率的近中性和堿性土壤中的更高。

土壤電阻率；管線鋼；自腐蝕速率

金屬土壤腐蝕是材料與多種環境因素共同作用的結果，具有很高的復雜性。影響自腐蝕速率的土壤參數包括土壤類型、含水量、pH、電阻率、排水特性、氯離子和硫酸根離子含量、溫度及氧化還原電位。為了考察這些因素對土壤腐蝕性的貢獻，人們先采用模糊聚類等方法分析土壤腐蝕數據，再利用灰關聯、層次分析、神經元網絡等手段構建土壤腐蝕性模型[1-4]。工程設計人員可以根據土壤腐蝕性參數和腐蝕模型估計鋼材的自腐蝕速率，以便在設計參數中給出腐蝕裕量并對工程的安全性作出評價。目前，用于判斷土壤腐蝕性的標準方法包括GB 50021-2009《巖土工程勘察規范》標準[5]和GB 50568-2010《油氣田及管道巖土工程勘察規范》標準[6]附錄A。GB 50021-2009標準規定：根據土壤pH、氧化還原電位、視電阻率、極化電流密度、質量損失等多項指標判定土壤腐蝕性。多參數土壤腐蝕性模型由于需要測試多種土壤參數，更適合應用于區域性工程，但不同地區之間土壤差異往往比較大，對于經常跨越上千公里的管道而言顯得過于復雜。因此，目前管道行業采用GB 50568-2010標準推薦的更加簡便的土壤電阻率判斷法則。

研究顯示，平均點蝕速率與土壤電阻率的自然對數大致成反比關系[7]，但測試數據分布顯示出較大的離散性。點蝕速率都隨土壤電阻率的增大而降低，但是當土壤電阻率較低時，各文獻給出的自腐蝕速率差距較大[8-13]。可見，僅僅根據土壤電阻率預測土壤自腐蝕速率會產生較大的偏差。

目前，國外一般采用基于可靠性的設計與評價方法對新材料、新運營條件下的管道進行設計，管道可靠性設計及評價方法不僅要求給出管線鋼自腐蝕速率參數估計值，而且要求給出數據的分布模型和標準偏差[14-15]，而GB 50568-2010標準只給出了自腐蝕速率的大致范圍，并沒有給出腐蝕數據分布模型，因此有必要開發一個簡便而有效的管線鋼自腐蝕速率預測模型并給出數據分布。

1 腐蝕模型及數據分布

與腐蝕性相關的土壤參數可以分類為：(1) 含水量、土壤類型、排水特性，這些參數都與土壤含水量有關；(2) 土壤pH；(3) 土壤電阻率；(4) 離子濃度；(5) 溫度；(6) 氧化還原電位。梁平等[1]研究認為影響X70 鋼土壤腐蝕性的主要因素從大到小的順序和權重依次為 土壤pH(0.405 0)>含水量(0.251 7)>電導率(0.149 3)>全鹽(0.086 8)>Cl-(0.050 1)>NO3-(0.029 1)>SO42-(0.017 3)>HCO3-(0.010 7)。這些腐蝕因素中的獨立變量為土壤pH、含水量、全鹽(或離子濃度)。土壤電阻率反映了土壤傳導腐蝕電流的能力，它是土壤含水量和載流離子濃度的函數[16-18]，在一定程度上綜合反映了多個參數對土壤腐蝕性的貢獻。因此影響X70鋼土壤腐蝕性的主要因素從大到小的順序可以簡化為土壤pH>土壤電阻率。國內低pH土壤基本為酸性紅壤，基于此，可以把國內陸地土壤分為酸性紅壤、近中性及堿性土壤兩類，然后統計管線鋼自腐蝕速率與土壤電阻率的關系。

將統計的加拿大和美國[19]高電阻率土壤中12個測試點的47個管線鋼自腐蝕數據和國內土壤中測試的80個管線鋼自腐蝕數據與土壤電阻率對數作圖，結果如圖1所示。由圖1可見：當土壤電阻率大于350 Ω·m時，管線鋼的自腐蝕速率低于0.025 4 mm/a，而且數據離散度很低；當土壤電阻率低于350 Ω·m時，自腐蝕速率的數據離散度較大。管線鋼自腐蝕速率離散的點中有相當一部分來自酸性土壤試驗點，如果排除酸性土壤，腐蝕數據將得到較大收斂。兩個偏差較大值分別來自大慶蘇打鹽土和大港濱海鹽漬土，這可能與大港地區土壤中管線鋼的自腐蝕速率主要受氧擴散控制有關[20]。陰極保護斷電電位達到-850 mV的情況下，超過93%測試點測得的自腐蝕速率低于0.025 4 mm/a。

圖1 自腐蝕速率與土壤電阻率的關系曲線Fig. 1 Correlation of free corrosion rate with soil resistivity

把圖1中近中性及堿性土壤(pH>5.5)中的自腐蝕速率數據按照土壤電阻率劃分為大于100 Ω·m，100～50 Ω·m，50～2 Ω·m和小于20 Ω·m等四個區間，對各區間的腐蝕數據分布進行統計，結果如圖2～5所示。

圖2 土壤電阻率大于100 Ω·m時腐蝕數據的分布Fig. 2 Distribution of corrosion data with soil resistivity greater than 100 Ω·m

圖3 土壤電阻率在50～100 Ω·m時腐蝕數據的分布Fig. 3 Distribution of corrosion data with soil resistivity of 50～100 Ω·m

圖4 土壤電阻率在20～50 Ω·m時腐蝕數據的分布Fig. 4 Distribution of corrosion data with soil resistivity of 20～50 Ω·m

圖5 土壤電阻率小于20 Ω·m時腐蝕數據的分布Fig. 5 Distribution of corrosion data with soil resistivity less than 20 Ω·m

由圖2～5可見，在各土壤電阻率區間，管線鋼的自腐蝕速率分布規律基本符合weibull分布，當土壤電阻率減小時自腐蝕速率峰值向高自腐蝕速率區域移動，峰的寬度變寬。

將不同土壤電阻率區間weibull曲線的峰值連接,基本可得一條直線(即圖1中的計算值)，該直線符合式(1)。

(1)

式中：vc為自腐蝕速率，mm/a；Rs為土壤電阻率，Ω·m。

計算可知，現場測量值與計算值之間的標準差為0.026，極差為0.141 mm/a。超過95%的自腐蝕速率測量值相對式(1)計算值的偏差小于0.042 mm/a，超過90%的自腐蝕速率測量值相對式(1)計算值的偏差小于0.038 mm/a。圖1中的標準值是根據GB 50568-2010[6]附錄A一般地區土壤腐蝕性分級標準畫出的，根據式(1)計算的自腐蝕速率相對保守些。

2 腐蝕模型的驗證

2.1 腐蝕模型的適用性

圖6是國內6個測試點管線鋼自腐蝕速率與土壤電阻率的關系。由圖6可見，管線鋼自腐蝕速率極差對應的數據來自鷹潭酸性土壤(pH為4.35)。可見，酸性與堿性土壤環境的腐蝕性應該分開進行評價，酸性土壤中管線鋼的自腐蝕速率不能依據土壤電阻率對數關系進行評價。采用式(1)對國內的6個測試點的腐蝕數據進行計算，結果表明：堿性環境中，超過90%的自腐蝕速率測量值相對計算值的偏差小于0.045 mm/a，超過80%的自腐蝕速率測量值相對計算值的偏差小于0.025 mm/a。如果排除酸性土壤環境，自腐蝕速率與土壤電阻率具有很高的相關性。

圖6 圖內6個測試點自腐蝕速率與土壤電阻率的關系曲線Fig. 6 Correlation of free corrosion rate with soil resistivity of six domestic test points

為了考察式(1)的推廣應用價值，統計了長江中下游地區另一組管線鋼自腐蝕速率數據與土壤電阻率的關系，結果如圖7所示。由圖7可見，管線鋼的自腐蝕速率與土壤電阻率對數大致成反比，但高于計算值，陰極保護試片自腐蝕速率全部低于0.025 4 mm/a。計算顯示，現場測量的自腐蝕速率與計算值之間的標準差為0.026 5，極差為0.047 mm/a，該標準差接近式(1)所依據的基礎數據的標準差。可見式(1)具有推廣應用價值。

圖7 長江中下游地區管線鋼的自腐蝕速率與土壤電阻率的關系曲線Fig. 7 Correlation of free corrosion rate of pipeline steel with soil resistivity in the middle and lower reaches of Yangtze river

2.2 影響自腐蝕速率數據離散性的因素

土壤電阻率與土壤腐蝕性有關的原理為：在潮濕的土壤中鋼材表面會形成一層聯系鋼材表面陽極區和陰極區的液膜，促進了陰、陽極區的電化學反應；土壤電阻率越大，該液膜越薄，導電性能越差，則對電化學腐蝕的阻力越大；相反，低電阻環境會增大自腐蝕速率。大氣腐蝕研究顯示，相對濕度為60%時，鋼鐵表面就能形成一層液膜以維持電化學腐蝕反應[21]。在粘土中要得到60%相對濕度，其含水飽和度需達到42%(體積分數)以上，而在泥沙比例為50/50的土壤中則只需要30%的含水飽和度[22]。研究表明，土壤電阻率隨土壤含水飽和度的增加而減小，當含水飽和度較低時，土壤含水飽和度的微小變化即可引起土壤電阻率劇烈變化，而含飽和度較高時，土壤電阻率受含水飽和度影響較小，轉變點大約在含水飽和度35%附近[23]。

自腐蝕速率一般在土壤含水量23%～28%(質量分數，下同)附近達到最大[24-25]，隨著土壤中有機物含量的增加，土壤飽和含水量逐漸增加，一般在20%～40%，有機物含量較低的土壤，其飽和含水量基本在30%以下[26]。可見，自腐蝕速率最大值發生在土壤含水量達到飽和時，此時土壤顆粒間隙的空氣濕度達到飽和。當土壤含水量超過飽和狀態時，土壤顆粒間隙的空氣逐漸被水替代，自腐蝕速率轉為氧擴散控制，自腐蝕速率逐漸降低[20]。同一土壤中，隨著含水量的增加，土壤電阻率呈對數函數減小，在高含水量情況下土壤電阻率變化很小[18,27-30]。這導致在低土壤電阻率情況下，土壤可能處于飽和狀態，自腐蝕速率較大，也可能處于不飽和或過飽和狀態，自腐蝕速率較小。因此，根據土壤電阻率預測自腐蝕速率在低土壤電阻率情況下會存在較大的偏差。

3 結論

(1) 在近中性與堿性土壤環境中，自腐蝕速率與土壤電阻率的對數近似存在反比關系。

(2) 自腐蝕速率數據符合韋伯分布，總體標準差0.026 mm/a，隨著土壤電阻率降低腐蝕數據離散度變大。

(3) 管線鋼在酸性土壤中的自腐蝕速率往往比在相同電阻率的近中性和堿性土壤中的更高。

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Distribution of Free Corrosion Rate of Pipeline Steel in Soil with Different Resistivity

LI Haikun1, ZHU Fengyan1, LOU Yuexia2, HAN Changchai3, LIU Zhenjun1, WANG Ying1

(1. National Engineering Laboratory for Pipeline Safety, China Petroleum Pipeline Research Institute Co., Ltd., Langfang 065000, China； 2. Shashi Steel Pipe Factory, Sinopec Oilfield Equipment Corporation, Jingzhou 434000, China；3. Petro China West-East Gas Pipeline Company, Wuhan 430076, China)

The function between free corrosion rate of pipeline steel and soil resistivity was set up and verified using 127 data of free corrosion rate and soil resistivity from home and abroad. The results show that the free corrosion rate of pipeline steel and the logarithm of soil resistivity have an inverse relationship approximately in neutral and alkaline soil. The data of free corrosion rate follow the Weibull distribution. When the soil resistivity decreases, the distribution of corrosion data becomes more scatter. The free corrosion rate of pipeline steel in acid soil is greater than that in neutral and alkaline soil with the same resivitity.

soil resistivity；pipeline steel；free corrosion rate

10.11973/fsyfh-201708006

2014-04-22

李海坤(1978-)，工程師，碩士，主要從事油氣管道腐蝕與防護技術研究，18131643601，lihk78@126.com

TG172

A

1005-748X(2017)08-0598-04