Q2 3 5 B鋼在不同土壤環(huán)境中的腐蝕研究

黃志鵬

（福建省特種設(shè)備檢驗研究院漳州分院，福建 漳州 363000）

土壤腐蝕是指土壤中的水分、溶鹽和微生物等組分的作用下對地下的設(shè)施、構(gòu)建物以及輸送管道等設(shè)備不斷侵蝕而發(fā)生的腐蝕破壞現(xiàn)象。由于土壤腐蝕現(xiàn)象一般發(fā)生在地下，所造成的腐蝕破壞較難以發(fā)現(xiàn)及檢測，對設(shè)備的安全運行有著重大的影響。為此有必要對土壤腐蝕的影響因素進(jìn)行深入的研究。Q235B鋼是實際工程中被應(yīng)用最廣泛的碳鋼之一，尤其是被應(yīng)用于埋地設(shè)施中，因此對Q235B鋼在土壤中的腐蝕研究具有較強的理論意義和實際應(yīng)用價值[1-4]。

選擇漳州市郊區(qū)的土壤，能過室內(nèi)化學(xué)實驗，利用電化學(xué)測試手段，對Q235B鋼在4種不同土壤環(huán)境下的腐蝕速率進(jìn)行了研究，從理論和實驗上研究Q235B鋼在土壤中的腐蝕規(guī)律并總結(jié)了一些防腐措施。

1 實驗裝置及測量方法

1.1 實驗裝置及研究試樣

實驗所用儀器是CR-6型腐蝕性測量儀，采用I型電極電纜線（適用同種材料三電極），實驗裝置如圖1-1所示。研究試樣為Q235B鋼，其為圓柱體（高25mm，直徑6mm）。試樣工作面積是5cm2。試樣工作面在使用前經(jīng)砂紙打磨并用無水乙醇清洗，然后曬干，等待實驗。

1.2 土壤介質(zhì)的制備處理

1.2.1 土壤樣品的采集與制備

采集漳州市郊區(qū)的土壤，取出一小份進(jìn)行原始土壤理化性質(zhì)分析。其余的加入去離子水靜置一天后，去除水分，再經(jīng)過一個星期的曬干，研磨，用20目的篩子過篩，所得土壤即為實驗所需土壤。在要進(jìn)行實驗前，先在105℃下烘干3小時，再進(jìn)行實驗。

1.2.2 土壤樣品的理化分析

1.2.2.1 氯離子含量的測量

將采集好的原始土壤在實驗室內(nèi)進(jìn)行化學(xué)分析，氯離子采用硝酸銀與其反應(yīng)在鉻酸鉀做指示劑到沉淀結(jié)束為止。

1.2.2.2 土壤含水量測量

測量100g的原始土壤，放入烘箱內(nèi)至105℃高溫烘干，用電子測量儀稱量出烘干后的土壤重量，所減少的質(zhì)量即為土壤含水量。

1.2.2.3 PH值的測量

向50g的原始土壤內(nèi)加入去離子水50g，混合后取其浸出液，用PH試紙測出土壤PH值。

1.2.2.4 孔隙率的測量

采用排水法測量。取原始土壤100ml,放向量筒里，再加入100ml的水，靜置一段時間后，測量混合之后的體積，所減少的體積即為孔隙體積。

測得原始土壤的相關(guān)理化性質(zhì)數(shù)值見表1。

1.2.3 試驗參數(shù)模擬

采用室內(nèi)模擬土壤環(huán)境的方法研究Q235B鋼在土壤中的腐蝕情況，由于影響土壤腐蝕的影響因素眾多，考慮現(xiàn)有實驗室條件的限制，現(xiàn)主要進(jìn)行以下幾個實驗參數(shù)的模擬：

1.2.3.1 土壤含水量

按標(biāo)準(zhǔn)土樣的質(zhì)量計算出相應(yīng)條件下所需要水的質(zhì)量，用量筒量取蒸餾水，并精確至小數(shù)點后兩位，將量取的蒸餾水用均勻地噴灑在標(biāo)準(zhǔn)土樣上，并用玻璃棒攪拌均勻，即得到相應(yīng)含水量的土壤。

1.2.3.2 孔隙率

采取足夠量已烘干的土壤，向土壤內(nèi)加入離子水，配制含水量為10%的土壤，取出100g用排水法測量其孔隙率，然后按公式算出不同孔隙率下的體積。

1.2.3.3 PH值

計算出所需H+或OH-的量，然后換算成相應(yīng)的醋酸或NaOH的質(zhì)量，并使用電子天平稱量。將其溶于蒸餾水中待完全溶解后，均勻地噴灑在標(biāo)準(zhǔn)土樣上，并用玻璃棒攪拌均勻，就可以得到相應(yīng)PH值的土壤試樣。例如要配制PH=6的土壤50kg，則c（H+）=10-6mol/l，需要添加的醋酸的質(zhì)量為：10-6×50×60=3.0×10-3g。

1.2.3.4 氯離子濃度

實驗要配制不同氯離子濃度的土壤。計算出所需的Cl-的量，然后換算成相應(yīng)的NaCl的質(zhì)量，并使用電子天平稱量。然后將稱量后的NaCl溶于蒸餾水中，用玻璃棒攪拌均勻后均勻噴灑在土樣上，攪拌均勻，即可得到相應(yīng)氯離子濃度的土壤。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 不同含水量情況下的腐蝕速率變化

為獲得Q235B碳鋼在不同含水量的土壤中的腐蝕情況，根據(jù)土壤理化性質(zhì)的分析，按含水量參數(shù)模擬配制含水量分別為5%、15%、25%、35%、45%的土壤樣本。實驗所測量的結(jié)果如圖2-1：

由上圖中可以看出，隨著土壤含水量的增加，碳鋼試樣的腐蝕失重也不斷增大，當(dāng)含水量達(dá)到25%的時候出現(xiàn)了極大值，即腐蝕速率出現(xiàn)極大值，隨著土壤含水量的不斷增加，土壤的腐蝕速率反而下降了，整個曲線呈現(xiàn)拋物線趨勢。在土壤中，金屬表面與土壤的接觸主要有兩部分，一是與土壤直接接觸，二是與土壤孔隙率接觸，兩部分的氧濃度不一樣，導(dǎo)致產(chǎn)生因氧濃度差引起的電池反應(yīng)，當(dāng)含水量達(dá)到一平衡值時，該電池反應(yīng)最大，即腐蝕失重量達(dá)到最大。當(dāng)含水量超過平衡值，多出的水分將填滿土壤間的空隙，土壤的透氣性將隨著含水量的增加而不斷減弱，從而導(dǎo)致土壤中的溶解氧減少，使腐蝕的陰極反應(yīng)減弱，從而導(dǎo)致土壤腐蝕速率的降低。

2.2 不同孔隙率情況下的腐蝕速率變化

為獲得Q235B碳鋼在不同孔隙率的土壤中的腐蝕情況，根據(jù)土壤理化性質(zhì)的分析，按孔隙率參數(shù)模擬配制孔隙率分別為30%，35%，40%，45%，50%的土壤樣本。實驗所測量的結(jié)果如圖2-2：

由圖表2-2可以發(fā)現(xiàn)，土壤腐蝕失重隨著土壤孔隙率的增大呈先增大后減小的規(guī)律，并且在孔隙率為40%時達(dá)到最大。這與含水量的變化趨勢基本相同，越小的孔隙率其土壤的透氣性越差，不利于土壤中的溶解氧接觸到金屬表面，導(dǎo)致氧的去極化作用減緩，抑制了陰極過程，減緩了金屬的腐蝕過程；但是當(dāng)孔隙率超過40%后，由于溶解氧含量過多，電極金屬表面反而會出現(xiàn)氧的鈍化現(xiàn)象，使土壤腐蝕速率減小。

2.3 不同PH值情況下的腐蝕速率變化

為獲得土壤中PH值大小對Q235B碳鋼的腐蝕影響，根據(jù)土壤理化性質(zhì)的分析，按PH值參數(shù)模擬配制PH值分別為5、6、7、8、9的土壤樣本。實驗處理曲線圖如圖2-3。

由圖2-3可知，隨著PH值的增加，腐蝕速率呈下降趨勢。當(dāng)土壤PH值﹤7時，曲線斜率較大，試樣的腐蝕速率隨PH值的變化幅度較大，其中PH值=5時的腐蝕速率最大；當(dāng)土壤PH值﹥7時，曲線趨于平緩，說明PH值對金屬的腐蝕速率的影響較小。土壤的PH值對金屬腐蝕的陰極反應(yīng)具有較大的影響，試樣在酸性土壤中會發(fā)生析氫反應(yīng)，而且由于析氫腐蝕速率比吸氫腐蝕速率大，導(dǎo)致腐蝕失重量隨PH值的增大而明顯減??；在土壤PH值≥7時，陰極過程主要是氧的還原反應(yīng)，與氫離子濃度不存在直接的關(guān)系，所以曲線與在酸性土壤中的變化相比趨于平緩[5]。

由于自然環(huán)境大多數(shù)土壤是中性的，但腐蝕質(zhì)土壤上土壤的酸性程度最大，pH值大約在5左右，從實驗結(jié)果上看pH值越小，土壤腐蝕性越強。由于在自然環(huán)境中，一般的土壤環(huán)境的pH值不會在5以下，所以此次實驗就進(jìn)行到pH=5為止，沒有再往下進(jìn)行研究。

2.4 不同Cl-濃度情況下的腐蝕速率變化

為獲得土壤中Cl-濃度對Q235B鋼腐蝕的影響，根據(jù)土壤理化性質(zhì)的分析，按Cl-濃度參數(shù)模擬配制Cl-濃度分別為0、0.05%、0.2%、0.4%、0.6%、1%的土壤樣本，實驗處理曲線圖如圖2-4。

由圖2-4可知，整個腐蝕過程試樣腐蝕失重與Cl-含量的變化呈現(xiàn)拋物線趨勢，隨著Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增大，腐蝕失重初期變化較為平緩，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.4%后，腐蝕失重量突然增加，在0.6%處達(dá)到最大值；Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大，土壤腐蝕失重量反而出現(xiàn)下降的趨勢。其原因是氯離子的含量增大了土壤的電導(dǎo)率，會不斷破壞金屬表面的鈍態(tài)，促進(jìn)了腐蝕的陽極極化過程，從而加快試樣的腐蝕。但是當(dāng)Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過一定值后，氯離子會阻礙其他陰離子參與電極反應(yīng)，還會是土壤中的溶解氧減少，反而降低了土壤的腐蝕性[6]。

3 結(jié)論

文中主要研究在不同含水量、孔隙率、PH值及Cl-濃度等4個因素對對Q235B鋼腐蝕情況的影響，通過實驗研究得出的主要結(jié)論是：Q235B鋼在土壤中的腐蝕速率隨著含水量和孔隙率增加呈現(xiàn)出先變大后變小的規(guī)律，并分別在含水量為25%時和孔隙率為40%時達(dá)到最大；腐蝕速率在酸性土壤中隨著PH值的降低而升高，在中性和堿性的土壤環(huán)境下，PH值對腐蝕速率的影響較?。煌寥赖腃l-濃度對Q235B鋼的腐蝕在Cl-的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的時候出現(xiàn)一個極大值，當(dāng)Cl-的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.6%時，腐蝕速率呈現(xiàn)下降趨勢。

影響土壤腐蝕的因素眾多，由于時間和實驗室條件的限制，只研究土壤中不同含水量、孔隙率、PH值及Cl-濃度等四個因素對Q235B鋼的腐蝕行為，而對其他的土壤腐蝕因素沒有進(jìn)行研究，不能確定其他變量對Q235B鋼的土壤腐蝕規(guī)律的影響。在以后的研究中，可以增加更多的土壤腐蝕因素進(jìn)行研究，總結(jié)出更多在單個腐蝕因素下的土壤腐蝕規(guī)律。

[1] 張淑泉，孫成，李洪錫，等.我國土壤腐蝕性調(diào)查概況[J].全國環(huán)境腐蝕網(wǎng)站通訊，2000，235：7.

[2] 陳匡民.過程裝備腐蝕與防護(hù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[3] 曹楚南.中國材料的自然環(huán)境腐蝕[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[4] 羅金恒.在役油氣管道土壤腐蝕研究現(xiàn)狀[J].石油工程建設(shè)，2004，30（4）：1-5.

[5] 席艷軍，孫成.酸性土壤腐蝕[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2002，14（4）：247-248.

[6] 董超芳，李曉剛.土壤腐蝕的實驗研究與數(shù)據(jù)處理[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2003，15（3）： 154-160.