干濕交替與水飽和條件下輪南壤土中X80鋼焊管的腐蝕行為

陳 龍,韓華剛,張 輝,徐 超,張 根,楊 興

(1.中國石油長慶油田分公司第八采油廠,西安 710021;2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司,北京 100000;3.西安石油大學材料科學與工程學院,西安 710065)

0 引 言

隨著我國經濟持續高速增長,對油氣資源的需求量顯著增大,對能源供應高效性與便捷性的要求也越來越高,這使得油氣輸送管道向大管徑、高壓、高鋼級方向的發展成為必然趨勢[1-3]。我國主要依賴埋地管線運輸石油和天然氣[4-6],大部分埋地管線經過的地區條件惡劣,土壤性質復雜多變,嚴重影響著輸送管道的安全,由土壤引起的腐蝕失效已成為影響埋地管道長周期安全運行的主要風險因素[7-10]。土壤中管道腐蝕的嚴重程度與土壤含水率密切相關;含水率的高低決定了腐蝕過程中的電導率和氧的擴散速率,進而影響埋地管線的腐蝕速率[11]。目前,國內針對土壤含水率對管線鋼腐蝕的影響進行了大量研究。陳旭等[12]研究發現,大港濱海鹽漬土壤含水率與X70鋼腐蝕速率之間存在線性關系。郝宏娜等[13]研究了X70鋼在相對含水率(質量分數,下同)為38%～100%的青島濱海土壤中的腐蝕行為,發現相對含水率不大于45%時腐蝕速率較小,相對含水率大于45%時隨含水率增加腐蝕速率先顯著增大后減小,相對含水率為65%時腐蝕速率最大,且形成了中間腐蝕產物。

“西氣東輸”工程是拉開“西部大開發”序幕的標志性建設工程,其起點是位于塔里木盆地的輪南油田,這里屬干旱氣候,蒸發強烈,土壤的鹽漬化程度嚴重,含鹽量較高,且以粗砂為主,對金屬具有很強的腐蝕作用[14]。目前,X80鋼已被廣泛應用于石油與天然氣輸送管道的制造[15-17]。但尚未見有關X80管線鋼在輪南壤土環境下的腐蝕研究。為此,作者研究了X80管線鋼母材與焊縫在輪南干濕交替和水飽和壤土環境下的腐蝕行為,以期為埋地管道的安全服役提供理論指導與數據支撐。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料取自X80鋼管,其化學成分見表1,鋼管焊接工藝為熱機械成形無縫焊接、雙面埋弧焊,顯微組織見圖1,可見:X80鋼母材組織為多邊形鐵素體+粒狀貝氏體+珠光體,焊縫熔合區組織為片狀鐵素體+粒狀貝氏體,焊縫過熱區組織為片狀/針狀鐵素體+少量魏氏體,焊縫正火區組織為細小且均勻的鐵素體+珠光體。母材的室溫抗拉強度和屈服強度分別為727,604 MPa,斷后伸長率為38%;焊縫(包含熱影響區)的抗拉強度為670 MPa。

圖1 X80鋼焊管的顯微組織Fig.1 Microstructure of weld pipe of X80 steel: (a) base material;(b) weld fusion zone;(c) weld overheating zone;(d) weld normalizing zone

表1 X80鋼的化學成分

采用線切割在母材和焊縫處(包含焊縫及熱影響區)制取尺寸為40 mm×10 mm×3 mm的片狀試樣和φ10 mm×3 mm的圓柱體試樣。片狀試樣工作面依次用240#,400#,600#,800#,1000#,1200#砂紙橫縱交替打磨,用丙酮脫脂,去離子水沖洗,再用無水乙醇脫水,吹干后干燥。

(1)

式中:m0為腐蝕試驗前試樣的原始質量,g;m為腐蝕試驗后去除腐蝕產物的試樣質量,g;A為試樣表面積,cm2;ρ為試樣密度,g·cm-3;t為腐蝕時間,h;v為腐蝕速率,mm·a-1。

在輪南壤土中腐蝕20 d后,采用數碼相機記錄腐蝕產物去除前后試樣表面的宏觀形貌。采用TESCAN MAIA3LMH型場發射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣表面微觀形貌,并用附帶的電子能譜儀(EDS)進行微區成分分析。在PARSTAT M2273電化學工作站上通過模擬水飽和和干濕交替環境進行電化學試驗,采用三電極體系,工作電極為工作面積1 cm×1 cm的試樣(其余面用環氧樹脂密封),參比電極為飽和甘汞電極(SCE),輔助電極為鉑片,測試電位(相對于開路電位)范圍為-250～300 mV,掃描速率為0.5 mV·s-1。

2 試驗結果與討論

2.1 腐蝕速率

由圖2可見:在干濕交替條件下腐蝕20 d時,試驗鋼母材與焊縫達到極嚴重腐蝕程度(腐蝕速率大于0.254 mm·a-1);隨腐蝕時間延長,母材的腐蝕速率下降,且在腐蝕40～90 d時腐蝕速率均小于0.254 mm·a-1,這可能是因為腐蝕前期生成的腐蝕產物膜及固結在試樣表面的土壤板結層在一定程度上阻礙了腐蝕性離子的進入;焊縫試樣腐蝕20～90 d時均達到極嚴重腐蝕程度,這是因為焊縫試樣本身就被焊接活化,而且產生的腐蝕產物膜較疏松。在水飽和條件下,母材的腐蝕速率隨時間延長先降后升,在90 d時腐蝕速率達到最大,屬于中度腐蝕,40 d時腐蝕速率最小,屬于輕度腐蝕;焊縫的腐蝕速率隨時間延長先升后降再升,40 d時的腐蝕速率最大,屬于嚴重腐蝕,20 d時腐蝕速率最小,屬于輕度腐蝕。通過對比可知,在干濕交替條件下試驗鋼的腐蝕速率遠高于在水飽和條件下,兩者腐蝕速率比值在2～48內,且母材比焊縫更耐蝕。

圖2 干濕交替和水飽和條件下試驗鋼母材和焊縫試樣的腐蝕速率隨時間的變化曲線Fig.2 Curves of corrosion rate vs time of test steel base metal and weld specimens under wet/dry alternation (a)and water saturation (b) conditions

2.2 宏觀腐蝕形貌

由圖3可見:在輪南壤土中腐蝕20 d后,干濕交替條件下母材和焊縫試樣的腐蝕均比水飽和條件下更嚴重,表面呈現土壤板結形貌,其中夾雜著黑色的腐蝕產物,腐蝕產物與基體結合緊密,母材試樣尚有部分基體裸露,焊縫試樣已被腐蝕產物完全覆蓋;在水飽和條件下,母材和焊縫試樣的腐蝕產物分布較為均勻,母材表面有點狀的黃褐色腐蝕產物,腐蝕產物量明顯少于焊縫試樣。

圖3 干濕交替和水飽和條件下腐蝕20 d后試驗鋼母材和焊縫試樣的表面宏觀形貌Fig.3 Surface macromorphology of test steel base metal (a,c) and weld (b,d) specimens after corrosion under wet/dry alternation (a-b) and water saturation (c-d) conditions for 20 d

由圖4可見:在干濕交替條件下腐蝕并去除表面腐蝕產物后,母材試樣表面幾乎不存在加工痕跡,出現大量細小的腐蝕坑,焊縫試樣表面出現大量潰瘍狀腐蝕坑,其腐蝕更加嚴重;在水飽和條件下,母材試樣表面僅出現輕微的腐蝕,機械加工痕跡仍清晰可見,而焊縫試樣則發生全面腐蝕,且局部出現腐蝕坑。綜上可知,干濕交替條件下的腐蝕更嚴重,但無論是干濕交替條件還是水飽和條件,母材都比焊縫更耐蝕。

圖4 干濕交替和水飽和條件下腐蝕20 d并去除腐蝕產物后試驗鋼母材和焊縫試樣的表面宏觀形貌Fig.4 Surface morphology of test steel base metal (a,c) and weld (b,d) specimens after corrosion under wet/dry alternation (a-b) and water saturation (c-d) conditions for 20 d and then removing surface corrosion products

2.3 微觀腐蝕形貌及微區成分

由圖5可見:干濕交替條件下母材試樣表面被密集的腐蝕產物完全覆蓋,外層腐蝕產物上出現大量皴裂紋,存在寬且深的裂縫,還有很多沿晶界呈六邊形的裂縫,裂縫以放射狀向外擴展,局部存在明顯的腐蝕坑;焊縫試樣表面存在厚重的黏土板結層,局部存在膠結的土壤板結層,放大可見腐蝕產物中鑲嵌了一些壤土里的小顆粒,并且存在擴展方向不同的裂縫。焊縫表面腐蝕產物層不致密,在氧氣和水分充足的情況下,焊縫試樣腐蝕嚴重。由EDS分析結果可知,干濕交替條件下母材與焊縫試樣的腐蝕產物均以鐵的氧化物為主。

由圖6可見:水飽和條件下母材試樣表面有兩層腐蝕產物,內層薄且致密,外層較分散且生長狀態良好,呈球狀聚集,中間夾雜著取向各異、不致密的層片狀腐蝕產物,靠近母材試樣表面的膜層已經出現龜裂,裂紋呈放射狀向外擴展;內層和外層的腐蝕產物均以鐵的氧化物為主,層片狀腐蝕產物應為FeOOH[15]。

圖6 水飽和條件下腐蝕20 d后試驗鋼母材試樣的表面微觀形貌及EDS譜Fig.6 Surface micromorphology (a-c) and EDS patterns (d-e) of test steel base metal specimens after corrosion under water saturation condition for 20 d:(a) morphology at low magnification; (b, d) enlarged view and EDS pattern of outer corrosion products and (c, e) enlarged view and EDS pattern of inner corrosion products

由圖7可見:水飽和條件下焊縫試樣表面被腐蝕產物膜覆蓋,出現皸裂和腐蝕凹坑,凹坑內部腐蝕更加嚴重,部分鱗片狀產物已被完全隔開,裂縫更加寬且深;凹坑周圍存在生長狀態良好、取向各異的層片狀腐蝕產物,產物蓬松并不致密,靠近基體表面的膜層已經出現龜裂,裂縫呈放射狀向外擴展。結合EDS分析可知,腐蝕產物以鐵的氧化物為主。

圖7 水飽和條件下腐蝕20 d后試驗鋼焊縫試樣表面的腐蝕產物微觀形貌及EDS譜Fig.7 Micromorphology (a,c) and EDS patterns (b,d) of corrosion products on surface of test steel weld specimens after corrosion under water saturation condition for 20 d:(a-b) outer corrosion products and (c-d) inner corrosion products

2.4 電化學性能

由圖8可見:干濕交替條件下母材及焊縫試樣的陽極極化曲線均處于活化狀態,不存在鈍化區,且變化趨勢基本一致;腐蝕1,3 d時曲線波動不大,這可能是因為試樣表面的腐蝕產物膜層較完整,有效地減緩了腐蝕的發展;當腐蝕10 d時曲線向右下移動,且在陽極區出現電壓迅速增大而電流基本穩定的現象,說明在這段區間內電阻快速增大,而隨著電壓繼續增大,曲線回歸平穩,這主要是因為高壓電擊穿了試樣表面的腐蝕層和土壤板結層。

圖8 干濕交替條件下腐蝕不同時間母材和焊縫試樣的極化曲線Fig.8 Polarization curves of base metal (a) and weld (b) specimens after corrosion under wet/dry alternation condition for different time intervals

由圖9可見:水飽和條件下母材試樣腐蝕3 d時的曲線向右上移動,說明試樣腐蝕傾向減小;焊縫試樣曲線隨腐蝕時間延長向右下移動,腐蝕傾向增大,這主要是表面腐蝕產物的保護作用降低引起的。

圖9 水飽和條件下腐蝕不同時間試驗鋼母材和焊縫試樣的極化曲線Fig.9 Polarization curves of test steel base metal (a) and weld (b) specimens after corrosion under water saturation condition for different time intervals

由表2可知:水飽和條件下,腐蝕3 d時母材與焊縫試樣的自腐蝕電位Ecorr比腐蝕1 d時輕微增加,腐蝕10 d后減小且焊縫的自腐蝕電位比母材下降更多,自腐蝕電流密度icorr進一步減小,這可能是焊縫試樣表面狀態不穩定以及不同組織之間形成的腐蝕微電池引起的;干濕交替條件下,腐蝕10 d后母材和焊縫的自腐蝕電位相比于腐蝕1,3 d后減小,表明其腐蝕傾向性大,自腐蝕電流密度隨腐蝕時間延長增大,表明其腐蝕速率增大,這是因為腐蝕時間延長導致基體表面的膜層被侵蝕破壞,腐蝕離子穿過后加速腐蝕。

表2 不同條件下腐蝕不同時間后試驗鋼母材和焊縫試樣的極化曲線擬合數據

2.5 腐蝕機理

試驗鋼在土壤中的腐蝕是一種電化學過程。在水飽和環境下,氧氣溶于水并擴散至金屬表面,參與陰極的還原去極化反應,促使腐蝕發生。這種方式下氧擴散均勻,試樣以全面腐蝕為主。

由于水飽和條件下氧含量相對不充裕,FeOOH無法參與陰極區的耗氧反應,因此干濕交替條件下試樣的腐蝕速率會遠遠高于水飽和條件。另外,干濕交替條件下,試驗鋼表面溶解氧的分布不均勻,出現氧濃度差腐蝕電池,導致試樣的點腐蝕。

3 結 論

(1) X80管線鋼在干濕交替輪南壤土中的的腐蝕速率遠大于在水飽和條件下,兩種條件下腐蝕速率比值在2～48內,且母材比焊縫更耐蝕。

(2) 水飽和條件下,母材表面腐蝕產物有兩層,內層薄且致密,外層較分散出現龜裂;焊縫表面腐蝕產物膜出現皸裂和腐蝕凹坑,蓬松不致密,靠近基體的膜層出現龜裂。干濕交替條件下,母材表面的腐蝕產物外層出現大量裂縫,以放射狀向外擴展,局部存在明顯的腐蝕坑;焊縫腐蝕產物層不致密,存在取向不同的裂縫。

(3) 在水飽和環境下氧擴散均勻但不充足,試驗鋼以輕微的全面腐蝕為主;干濕交替條件下氧含量增加,生成的FeOOH可作為氧化劑加速腐蝕的發生,試驗鋼表面呈土壤板結形貌,且由于氧的分布不均勻,存在大量腐蝕坑。