磁場對X60鋼材料在長沙地區土壤中腐蝕行為的影響

惠海軍1，戴乾生1，陳 凱1，姜子濤，崔 偉，李永發

(1.中石油管道有限責任公司西氣東輸分公司，上海 200122;2.安科工程技術研究院，北京 100083)

油氣管道在建設運行過程中，不可避免會處于磁場環境中，如漏磁檢測，磁懸浮列車以及輸電系統通過電磁感應在其周圍產生的磁場等[1]。由于管線鋼是鐵磁性材料，磁場的存在可能會對其腐蝕行為產生一定的影響。

目前，國內外關于磁場對金屬的腐蝕機制已經開展了一些研究[2-5]。GHABASHY等[6]研究了Cu在不同磁感應強度K2Cr2O4溶液中的腐蝕行為，結果表明腐蝕速率隨著磁感應強度的增大而增大。GHABASHY[7]也對比研究了不同磁感應強度下，中碳鋼電極在FeCl3溶液中的腐蝕行為，發現隨著磁感應強度的增加，腐蝕速率先降低后升高，甚至會超過無磁場時的。田光等[8]將A3鋼在不同磁場下的腐蝕速率進行了對比分析，發現磁感應強度與腐蝕速率并非正相關。除了腐蝕速率外，學者們通過大量試驗研究了磁場對材料表面腐蝕形貌的影響， LU等[9]研究了鐵在硫酸溶液中的腐蝕行為，發現在勻強的磁場下，鐵電極表面出現了不均勻的腐蝕，這表明磁感應強度的大小及在電極表面的分布存在著某種關系。同時， SUEPTITZ等[10]等將鐵置于硫酸溶液中進行恒電位極化后發現，鐵電極的表層腐蝕深度和形貌與磁場加入的時機和磁場的持續時間有關。然而，以上所有研究均是在模擬溶液環境中進行的，并且目前關于磁場對管線鋼的腐蝕規律是否適合于我國實際土壤體系并不清楚。

本工作以X60管線鋼作為腐蝕材料，以長沙地區磁懸浮與管道交叉點附近的實際土壤為腐蝕介質，利用形貌觀察、失重分析及電化學試驗等研究了磁場強度對X60鋼在長沙土中腐蝕行為的影響和作用機理。

1 試驗

1.1 試樣

試驗材料為X60管線鋼，其主要化學成分(質量分數，%)為：C 0.082，Si 0.11，Mn 1.30，P 0.005，S 0.02，V 0.001等。試驗用土壤取自長沙地區磁懸浮與管道交叉點附近的位置。土樣的理化性質見表1。

試樣尺寸為Φ1.13 cm×4 mm，表面用金相砂紙逐級打磨。電化學測試所用試樣用環氧樹脂封裝，留出Φ1.13 cm的圓面作為工作面，接出電極引線(為確保引線與樣品接觸良好，待封裝固化后，用萬用表測試是否導電)。

表1 土樣的理化性質Tab. 1 Physical and chemical properties of soil sample

1.2 試驗方法

1.2.1 失重測試及形貌觀察

將配制好的17%含水率的長沙土壤放置在聚氯乙烯收納盒中，收納盒尺寸為130 mm×85 mm×55 mm(其中130 mm×85 mm面為敞口面)的六面體。在塑料盒的兩側各放置不同數量的釹鐵硼永磁鐵(尺寸為40 mm×20 mm×10 mm)以實現無磁場、弱磁場和強磁場的試驗環境。無磁場環境即收納盒中不加入釹鐵硼永磁鐵；在收納盒的85 mm×55 mm兩面分別固定一塊釹鐵硼永磁鐵即可實現弱磁場環境；強磁場環境即在收納盒的130 mm×85 mm兩面分別平行擺放3塊釹鐵硼永磁鐵，試驗裝置圖如圖1所示。利用BST600高斯計測量試片所在位置的磁場大小。其中以0.08 mT作為弱磁場環境(與磁懸浮列車產生的磁場比較接近)，以180 mT作為強磁場環境。將稱量后的試樣完全浸沒于收納盒(內含長沙土壤)的中間位置，平行試樣為3個，將收納盒進行完全密封。

圖1 試驗裝置圖Fig. 1 Schematic diagram of experiment device

將埋置試樣的收納盒置于室溫下7 d和28 d后，小心取出試樣，用毛刷清除表面覆土，以保留完整銹層，并使用數碼相機記錄其宏觀形貌。然后，用除銹液(500 mL HCl+500 mL H2O+3.5 g六次甲基四胺)除銹后，用光學顯微鏡觀察在不同磁場條件下腐蝕后試樣的基體減薄現象。

1.2.2 電化學測試

電化學阻抗譜測試在Gamary設備上完成，采用三電極體系，其中暴露面積為1 cm2的X60鋼為工作電極，輔助電極為MMO帶狀陽極，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)。電化學測試用腐蝕介質為含水率17%的長沙土樣，分別在無磁場、弱磁場和強磁場的土樣中直接進行測試，試驗溫度為室溫。

電化學阻抗的試驗參數為：激勵信號幅值10 mV的正弦波，頻率10 mHz～100 kHz，為了保證系統的穩定，在阻抗測試前先進行為期0.5 h的開路電位測試。測試后的電化學阻抗譜采用ZsimpWin 3.20軟件擬合。

2 結果與討論

2.1 失重試驗

由圖2可見：外加磁場對X60管線鋼在長沙土壤環境中的腐蝕速率有很大影響。無磁場條件下，試樣埋設7 d后的腐蝕速率約為0.01 mm/ a，隨著埋設時間增至28 d，試樣的腐蝕速率上升到0.18 mm/a。在弱磁場條件下，試樣埋設7 d后的腐蝕速率和無磁場條件下的相差不大，但隨著埋設時間延長至28 d，試樣的腐蝕速率升至0.03 mm/a。這表明在一定的時間范圍內，試樣在弱磁場中的腐蝕速率隨著埋設時間的延長而增加。在強磁場條件下，試樣的腐蝕速率明顯高于無磁場和弱磁場條件下的，且埋設時間對試樣腐蝕速率的影響不明顯，在不同埋設時間條件下，試樣的腐蝕速率均約為0.068 mm/a。

圖2 X60鋼試樣在不同磁場強度的長沙土中埋設不同時間后的腐蝕速率Fig. 2 Corrosion rates of X60 steel samples immersed in Changsha soil with different magnetic field strength for different times

2.2 表面宏觀形貌

由圖3可見：埋設7 d后，無磁場條件下，試樣表面看不到腐蝕萌生，因此，腐蝕速率很低；而在弱磁場條件下，試樣表面有少量覆土，且有少量的腐蝕點，此時腐蝕剛剛開始萌生；在強磁場條件下，試樣表面覆蓋有大量腐蝕產物，腐蝕較為嚴重，因此腐蝕率也明顯偏高。

圖4為X60管線鋼在長沙土中浸沒28 d后清除腐蝕產物前后的宏觀形貌圖。由圖4(a)～(c)可見：隨著磁場強度的增加，腐蝕產物也逐漸增多。清除腐蝕產物后，無磁場和弱磁場中的試樣僅有少量的腐蝕坑，金屬基體減薄現象比較淺。而強磁場中試樣清除腐蝕產物后，試樣表面有大量的金屬基體減薄現象，且金屬基體減薄比較嚴重。此外，與圖3相比，無磁場和弱磁場中試樣的腐蝕產物較少，而強磁場中試樣表面有較多腐蝕產物，腐蝕產物與金屬基體的結合較為緊密。因此，失重結果中，試樣在強磁場中浸沒7 d和28 d的腐蝕速率相差不大，而試樣在無磁場和弱磁場中浸沒不同時間的腐蝕速率相差較大。

(a) 無磁場

(b) 弱磁場

(c) 強磁場

(a) 無磁場，未去除表面腐蝕產物

(b) 弱磁場，未去除表面腐蝕產物

(c) 強磁場，未去除表面腐蝕產物

(d) 無磁場，去除腐蝕產物

(e) 弱磁場，去除腐蝕產物

(f) 強磁場，去除腐蝕產物

2.3 表面微觀形貌

由圖5可見：試樣在無磁場條件下埋設7 d后，表面未出現明顯的腐蝕點，因此對應的腐蝕速率也很低，隨著埋設時間延長至28 d，試樣表面有少量的腐蝕坑出現，即隨著埋設時間的延長，腐蝕增加。試樣在弱磁場條件下埋設不同時間后，表面均有零星的腐蝕出現，且埋設28 d后，試樣的基體減薄現象明顯增加，這表明試樣在弱磁場條件下的腐蝕重于無磁場條件下的，且延長埋設時間也會增加腐蝕。試樣在強磁場條件下埋設不同時間后，表面腐蝕坑開始出現聚集連接，這表明試樣在強磁場條件下的腐蝕更嚴重。這與前文的失重試驗和宏觀形貌分析結論一致。

(a) 無磁場，7 d

(b) 無磁場，28 d

(c) 弱磁場，7 d

(d) 弱磁場，28 d

(e) 強磁場，7 d

(f) 強磁場，28 d

2.4 電化學試驗

由圖6可見：試樣在三種磁場條件下的電化學阻抗譜都只存在一個容抗弧。由于X60鋼屬于低碳鋼，且不含成膜元素(如鎳和鉻)，故高頻容抗弧代表金屬基體與土壤界面形成的雙電層，高頻容抗弧越大，則材料在這種環境中的耐蝕性越強。由圖6還可見：X60鋼試樣在無磁場條件下的耐蝕性最強，在強磁場條件下的耐蝕性最差。這三種譜圖中都沒有感抗弧，說明試樣即使在強磁場環境中也沒有腐蝕萌生。此外，從|Z|-f圖中也可以看出，無磁場條件下，|Z|最大，而磁場強度較大時，|Z|相對較小。

(a) Nyquist圖

(b) θ -f圖

(c) |Z|-f圖

將阻抗譜進行擬合，結果見圖7和表2。可以看出，試樣在三種磁場條件下的電化學阻抗譜具有相同的等效電路圖，即Rs(QctRct)，這表明試樣在三種磁場條件下的反應過程相同。其中，Rs表示溶液電阻，Q為常相位角元件，由Y和n兩個參數表示。由于電極表面幾何因素和吸附的存在，使電極過程中代表純電容性質特性的部分偏離純電容，因此用Q來描述電容C的參數發生偏離時的物理量。Qdl和Rct描述界面雙電層的電容和電阻，由表2可見，強磁場對腐蝕的影響是很大的。

圖7 阻抗譜的等效電路Fig. 7 Equivalent circuit of EIS

試驗條件Rs/(Ω·cm2)Rct/(Ω·cm2)Qdl/(Ω-1·cm-2·s-n)nt無磁場2.613×1042.777×1052.6×10-50.552弱磁場4.986×1042.046×1053.118×10-60.381強磁場1.16×1041.19×1051.032 10-50.484 5

2.5 腐蝕機理

X60鋼在有磁場的土壤中會生成一定的腐蝕產物，這個過程可包括三個基本過程：(1)腐蝕介質在對流和擴散作用下向界面遷移；(2)在界面發生腐蝕反應；(3)腐蝕產物在界面上生成腐蝕產物膜。

以上三個過程的具體反應如下：X60鋼在腐蝕反應的初期發生Fe的陽極溶解和O的還原反應，見式(1)和(2)。

(1)

(2)

3 結論

(1)磁場的存在會加速X60管線鋼在長沙土樣中的腐蝕，試樣在無磁場環境中埋設28 d的腐蝕速率為0.018 mm/a；隨著磁場強度的增加，X60鋼的腐蝕速率明顯增加，磁場強度為200 mT時，腐蝕速率增加至0.068 mm/a。

(2)無磁場條件下，試樣在長沙土樣中埋設7 d和28 d后，表面基本沒有腐蝕產物；弱磁場條件下，埋設7 d和28 d后，試樣表面僅有少量的腐蝕產物；強磁場條件下，埋設7 d和28 d后，試樣表面都有大量的腐蝕產物生成，且腐蝕產物與金屬基體結合較為致密。大量的腐蝕產物生成，可能會減少對基體的腐蝕，因此試樣在強磁場環境中埋設7 d和28 d后的腐蝕速率比較接近。