陰極保護(hù)對(duì)X70鋼在卵石黃泥土中腐蝕行為的影響

費(fèi)小丹，李明齊，蔡鐸昌，唐敬友，李江波

1.西南科技大學(xué)國(guó)防科技學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010

2.西華師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川 南充 637002

地下的金屬管道，如果不采取合理的防腐措施，或措施不當(dāng)、管理不善，都有可能引起管道腐蝕穿孔，造成管道泄漏事故，甚至使整段管道報(bào)廢。陰極保護(hù)是防止腐蝕的重要措施。90年代以來，能源、交通、城市建設(shè)等行業(yè)飛躍發(fā)展，對(duì)陰極保護(hù)的需求猛增。陰極保護(hù)有犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)和外加電流的陰極保護(hù)。進(jìn)行防腐研究的工作者采用不同方法研究了陰極保護(hù)對(duì)金屬腐蝕行為的影響。葛艾天等研究了陜京管道站場(chǎng)的區(qū)域陰極保護(hù)[1]。孫魁對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)的供電方式、陽(yáng)極材料及安裝方式、排流方式、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等方面進(jìn)行了探討[2]。韓國(guó)的Jung-Gu Kim等用塔菲爾曲線法研究了25～95 ℃下，陰極保護(hù)電位對(duì)絕熱管線在模擬地下水的腐蝕的影響[3]。尼日利亞的M.T.Lilly等研究表明犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)和外加電流的陰極保護(hù)可有效減小油氣管線腐蝕[4]。

X70鋼是西氣東輸工程指定用鋼。西氣東輸工程是我國(guó)建國(guó)以來距離最長(zhǎng)的天然氣管道工程，干線線路總長(zhǎng)約4000 km，途經(jīng)的土壤的類型繁多。卵石黃泥土是一種分布廣泛的酸性土壤，其腐蝕性很強(qiáng)。但是關(guān)于X70鋼在這種土壤中腐蝕規(guī)律的研究還未見報(bào)道。所以有必要評(píng)價(jià)陰極保護(hù)對(duì)X70鋼在該種土壤中的腐蝕速率，為工程的安全運(yùn)行提供依據(jù)。本文采用外加電流的陰極保護(hù)，通過失重法和交流阻抗法研究陰極保護(hù)電位對(duì)X70鋼在卵石黃泥土中腐蝕行為的影響規(guī)律，探討要使X70鋼獲得較好的保護(hù)效果所需施加的保護(hù)電位。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)土壤

土壤取自四川省南充地區(qū)的卵石黃泥土。將取回的土壤自然風(fēng)干，除去其中的草根、石塊等雜物，仔細(xì)研磨，使其通過20目的土壤篩。然后在烘箱中105 ℃烘6h以除去土壤中殘余的水分，殺死土壤中的微生物。處理后的土壤與蒸餾水均勻混合，配成濕度20%的土壤介質(zhì)，裝于500 ml的塑料燒杯中。為防止水分蒸發(fā)，加蓋密封，24h后待體系穩(wěn)定進(jìn)行測(cè)定。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

將 X70鋼 加 工 成10 mm×10 mm×4 mm和 30 mm×30 mm×4 mm的試樣，并在樣品背后焊上銅導(dǎo)線，然后將非工作面用瀝青封裝。電化學(xué)測(cè)試前工作表面依次用120#～1000#的金相砂紙磨光后，酒精及丙酮去油，蒸餾水洗凈。

1.3 測(cè)試方法

陰極極化電位分別為-850 mV、-950 mV、-1050 mV(相對(duì)Cu/CuSO4電極)。試驗(yàn)周期為30天。

1.3.1 電化學(xué)阻抗譜測(cè)試

交流阻抗測(cè)試采用CHI618B電化學(xué)分析儀(上海辰華儀器公司)。阻抗測(cè)試激勵(lì)信號(hào)為5 mV的正弦波，測(cè)試頻率范圍為5 mHz～100 kHz。用Zsimpwin軟件進(jìn)行交流阻抗曲線擬合處理，確定交流阻抗的各參數(shù)值。

1.3.2 腐蝕失重測(cè)試

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將試樣表面的瀝青除去（難于去除的用二甲苯溶劑清洗），在500 ml鹽酸加500 ml蒸餾水加20 g六次甲基四胺溶液中除去試樣表面的腐蝕產(chǎn)物。水洗、吹干后，在分析天平上稱重，精確到0.1 mg，計(jì)算腐蝕失重。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果及討論

1.4.1 陰極極化電位對(duì)陰極保護(hù)效率的影響

圖1是采用失重法測(cè)得的卵石黃泥土中X70鋼腐蝕速率隨著陰極極化電位的變化情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著陰極極化電位負(fù)移的增大，X70鋼在卵石黃泥土中的腐蝕速率逐漸減小。在陰極極化電位為-850 mV條件下，X70鋼的陰極保護(hù)效率為58.7%；在陰極極化電位為-950 mV條件下，X70鋼的陰極保護(hù)效率為77.3%；在陰極極化電位為-1050 mV條件下，X70鋼的陰極保護(hù)效率達(dá)到了94.5%。因此，本試驗(yàn)說明在卵石黃泥土中的陰極保護(hù)電位應(yīng)負(fù)于-950 mV，否則土壤中的鋼鐵仍然會(huì)以較大的速率腐蝕。

1.4.2 陰極極化電流密度的變化情況

圖2為在不同的外加陰極極化電位下電流密度隨試驗(yàn)時(shí)間的變化情況，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)剛開始時(shí)幾種陰極極化電位下X70鋼所需施加的電流密度很大，隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加所需施加的電流密度逐漸減小并趨于穩(wěn)定，而且隨著陰極極化電位負(fù)移的增大，所需施加的電流密度穩(wěn)定值越大。

圖1 土壤中X70鋼腐蝕速率隨陰極極化電位的變化曲線Fig.1 Curve of the corrosion rate of X70steel versus cathodic potential in soil

圖2 陰極極化電流密度隨試驗(yàn)時(shí)間的變化曲線Fig.2 The variation of CP current density with test time

1.4.3 交流阻抗法研究陰極極化對(duì)X70鋼腐蝕的影響

圖3為外加陰極極化電位下卵石黃泥土中X70鋼的交流阻抗圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著陰極極化電位負(fù)移，X70鋼的交流阻抗圖半圓逐漸增大，說明陰極極化電位越負(fù)，X70鋼的腐蝕速率越小，保護(hù)效率就越高。這與失重法測(cè)得的結(jié)果一致。圖4為在-950 mV的陰極保護(hù)電位下，卵石黃泥土中X70鋼的交流阻抗圖隨著試驗(yàn)時(shí)間的變化情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加，卵石黃泥土中X70鋼的交流阻抗弧逐漸增大，這說明隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，卵石黃泥土中X70鋼的腐蝕速率逐漸減小。表1和表2分別圖3和圖4的阻抗圖譜數(shù)據(jù)解析結(jié)果。Rl表示電極表面腐蝕產(chǎn)物和土粒組成的結(jié)合層的電阻，Rt表示電荷轉(zhuǎn)移電阻，由于土壤腐蝕的EIS彌散效應(yīng)很強(qiáng)，所以均用常相位角元件CPE1 代替腐蝕產(chǎn)物結(jié)合層電容元件， CPE2代替雙電層電容元件。由表1可知，電荷轉(zhuǎn)移電阻隨著極化電位的負(fù)移而增大，腐蝕速率減?。挥杀?可知，在-950 mV的極化電位下，電荷轉(zhuǎn)移電阻隨著腐蝕時(shí)間的增加而增大。

圖3 在土壤中不同陰極極化電位下X70鋼第16天的阻抗圖Fig.3 EIS for X70 steel at different potentials in soil after 16 days

圖4 -950mV極化電位下土壤中X70鋼阻抗圖譜隨著試驗(yàn)時(shí)間變化Fig.4 EIS for X70 steel with different test times at -950 mV in soil

2 結(jié)論

1）隨著陰極極化電位的負(fù)移，卵石黃泥土中X70鋼的腐蝕速率逐漸減小，陰極保護(hù)效率逐漸增大。陰極保護(hù)電位應(yīng)負(fù)于-950 mV才能使卵石黃泥土中的X70鋼獲得較高的保護(hù)效率；

2）在不同的陰極極化電位下，隨著試驗(yàn)時(shí)間的增長(zhǎng)，所需施加的電流密度逐漸減小并趨于穩(wěn)定，而且隨著陰極極化電位負(fù)移的增大，所需施加的電流密度穩(wěn)定值越大。

表1 X70鋼在不同陰極電位下阻抗圖譜數(shù)據(jù)解析結(jié)果Table 1 Fitted results for EIS of X70 steel in soil at different potentials

表2 X70鋼在-950m V的陰極極化電位下阻抗圖譜隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)解析結(jié)果Table 2 Fitted results for EIS of X70 steel in soil after different days at -950 mV

[1]葛艾天,涂明躍.區(qū)域陰極保護(hù)在陜京管道站場(chǎng)的應(yīng)用[J].腐蝕與防護(hù),2009,30(5):343-345.

[2]孫魁.西氣東輸管道工程陰極保護(hù)技術(shù)的探討[J].石油工程建設(shè),2001,30(5):5-8.

[3]Jung-Gu Kim，Yong-wook Kim.Cathodic Protection criteria of thermally insulated pipeline buried in soil[J].Corrosion Science，2001，43：2011-2021.

[4]M.T.Lilly ，S.C.Ihekwoaba ，S.O.T.Ogaji，S.D.Probert.Prolonging the lives of buried crude-oil and natural-gas pipelines by cathodic protection[J].Applied Energy 2007(84)：958-970.