氯化鑭對(duì)X80管線鋼在酸性土壤模擬溶液中腐蝕行為的影響

王 瑩，梁 平，胡傳順，王曉莉，趙 陽，楊 韜

（1.遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，撫順113001；2.天津石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系，天津301607）

我國西氣東輸二線工程采用的是強(qiáng)度和韌性都較高的X80管線鋼，然而，該工程途經(jīng)堿性、中性和酸性等不同類型的土壤，這必定會(huì)對(duì)管線鋼造成不同程度的腐蝕?，F(xiàn)場埋片試驗(yàn)結(jié)果表明，在東南部酸性土壤環(huán)境中，X80鋼具有較高的腐蝕傾向性[1]，因此，研究X80鋼在酸性土壤中的腐蝕防護(hù)措施對(duì)于保證管線鋼的長周期安全運(yùn)行有著重要意義。已有研究結(jié)果表明，稀土元素可有效提高金屬的耐腐蝕性能[2－4]。目前現(xiàn)場使用的X80鋼并沒有而且也不可能再加入稀土元素，但如果將稀土元素加入到管線鋼外的有機(jī)涂層中則可大大抵御土壤對(duì)管線造成的侵蝕?；诖苏J(rèn)識(shí)，本工作采用浸泡和極化曲線方法，結(jié)合掃描電鏡和X射線衍射等技術(shù)，分析了LaCl3對(duì)X80鋼腐蝕速率的影響規(guī)律和作用機(jī)制，確定了LaCl3在酸性土壤模擬溶液中使用的最佳濃度，以期為將來的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)介質(zhì)

試驗(yàn)材料為X80管線鋼，其化學(xué)成分見表1。將試樣線切割成10mm×10mm×5mm的正方形試樣用于進(jìn)行極化曲線測試；50mm×50mm×5mm的片狀試樣用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的浸泡腐蝕試驗(yàn)，以測定腐蝕速率，并觀察腐蝕形貌。兩種試樣用SiC砂紙逐級(jí)打磨至1000＃后，酒精擦表面，去離子水沖洗，干燥后待用。

表1 試驗(yàn)用X80管線鋼的化學(xué)成分 %

根據(jù)江西鷹潭地區(qū)地下1～1.5m處土壤的理化性質(zhì)配制土壤模擬溶液，其化學(xué)組成見表2。用5%醋酸（體積比）調(diào)節(jié)溶液pH＝4.7±0.2，溶液溫度控制在（25±2）℃。按照0.25g·L－1，0.5g·L－1，1.0g·L－1LaCl3加至鷹潭土壤模擬溶液中。

表2 鷹潭土壤模擬溶液的化學(xué)組成mg·L－1

1.2 失重法

將X80鋼試樣放入添加有不同濃度氯化鑭的鷹潭土壤模擬溶液中浸泡10d，取出并經(jīng)除銹干燥后稱量腐蝕后各個(gè)試樣的質(zhì)量，根據(jù)式（1）計(jì)算X80鋼的平均腐蝕速率vcorr。

式中：W0為腐蝕前試樣的質(zhì)量，g；W1為去除腐蝕產(chǎn)物后試樣的質(zhì)量，g；S為試樣的表面積，m2；t為浸泡時(shí)間，h；vcorr為腐蝕速率，g·m－2·h－1。

1.3 極化曲線測試

將X80鋼試樣放入添加不同濃度氯化鑭的鷹潭土壤模擬溶液中進(jìn)行極化曲線測試。采用Princepton Applied Research Paratat 2273電化學(xué)測試系統(tǒng)進(jìn)行測試。X80鋼為工作電極，石墨為輔助電極，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極。文中若無特指，電位均相對(duì)于SCE。動(dòng)電位極化曲線電位的掃描范圍約為－0.25～－0.2V（相對(duì)于開路電位），掃描速率為0.50mV·s－1。

1.4 腐蝕產(chǎn)物膜形貌觀察和組成測試

采用TESCAN掃描電鏡觀察X80鋼腐蝕后的表面形貌，對(duì)產(chǎn)物膜的元素組成進(jìn)行能譜（EDS）測試；采用島津X－7000型射線衍射儀（XRD）分析產(chǎn)物膜的物相組成。

2 結(jié)果與討論

2.1 LaCl3濃度對(duì)X80鋼腐蝕速率的影響

圖1為X80鋼在含有0～1.0g·L－1LaCl3的鷹潭土壤模擬溶液中的腐蝕速率曲線?？梢钥闯?，LaCl3明顯降低了X80鋼的腐蝕速率，且當(dāng)LaCl3濃度為0.5g·L－1時(shí)，腐蝕速率最小。因此，適量的LaCl3可以大幅度提高X80鋼抗酸性土壤腐蝕的能力。

圖1 X80鋼在含有不同濃度LaCl3鷹潭土壤模擬溶液中的腐蝕速率

2.2 腐蝕產(chǎn)物膜形貌觀察

圖2 為X80鋼在含有不同濃度LaCl3的鷹潭土壤模擬溶液中浸泡10d后的SEM圖。由圖2（a）可見，在鷹潭土壤模擬溶液中X80鋼表面形成的腐蝕產(chǎn)物膜孔隙較大，產(chǎn)物膜薄厚不均、高低不平，致密性和平整性較差；而X80鋼在加入LaCl3的溶液中形成的表面腐蝕產(chǎn)物膜則明顯變得致密、平整、均勻，特別是當(dāng)LaCl3濃度為0.5g·L－1時(shí)，表面膜沒有微孔洞和微裂紋等缺陷，表面質(zhì)量最好。

2.3 腐蝕產(chǎn)物膜的物相組成

圖3為土壤模擬溶液中未加LaCl3和添加0.5g·L－1LaCl3以后，X80鋼表面腐蝕產(chǎn)物膜的EDS測試結(jié)果。可以看出，X80鋼在鷹潭土壤模擬溶液中的腐蝕產(chǎn)物膜主要由鐵元素和氧元素組成，而在含有LaCl3的溶液中形成的腐蝕產(chǎn)物膜的元素組成主要是鐵、氧和鑭。

圖3 X80鋼在添加和未添加氯化鑭的鷹潭土壤模擬溶液中形成的腐蝕產(chǎn)物膜EDS圖

采用XRD對(duì)腐蝕產(chǎn)物膜的物相組成進(jìn)一步分析，結(jié)果見圖4。分析表明：X80鋼在鷹潭土壤模擬溶液中形成的腐蝕產(chǎn)物膜主要為FeOOH，F(xiàn)e（OH）3和Fe3O4，而在含有LaCl3溶液中的腐蝕產(chǎn) 物 主 要 是 FeOOH，F(xiàn)e（OH）3，La2O3和La（OH）3。

圖4 X80鋼在在添加和未添加氯化鑭的鷹潭土壤模擬溶液中形成的腐蝕產(chǎn)物膜的XRD圖譜

2.4 極化曲線

圖5 為X80鋼在未加LaCl3和加入0.5g·L－1LaCl3鷹潭土壤模擬溶液中的極化曲線?？梢钥闯觯尤隠aCl3以后，陰極極化曲線向右發(fā)生移動(dòng)，表明腐蝕的陰極反應(yīng)得到促進(jìn)，而陽極極化曲線向左發(fā)生移動(dòng)，表明腐蝕時(shí)的陽極反應(yīng)得到抑制，且在相同的陽極電位下，加入LaCl3后的陽極極化電流密度更小，表明腐蝕速率減小。對(duì)極化曲線的擬合結(jié)果表明，X80鋼在鷹潭土壤模擬溶液中的自腐蝕電位和自腐蝕電流密度分別為－535mV和4.208μA·cm－2，而溶液中加入LaCl3以后，自腐蝕電位和自腐蝕電流密度分別為－417mV和3.567μA·cm－2，表明LaCl3提高了X80鋼在酸性土壤中的熱力學(xué)穩(wěn)定性，使腐蝕速率減小。

圖5 X80鋼在含有氯化鑭的鷹潭土壤模擬溶液中的極化曲線

2.5 腐蝕機(jī)制分析

X80鋼在鷹潭土壤模擬溶液中發(fā)生腐蝕時(shí)，其陽極反應(yīng)可以表示為反應(yīng)式（2），陰極反應(yīng)可以表示為反應(yīng)式（3）和（4）。

陽極反應(yīng)產(chǎn)生的Fe2＋和陰極反應(yīng)產(chǎn)生的OH－形成Fe（OH）2，F(xiàn)e（OH）2并不穩(wěn)定，繼續(xù)和溶液中的O2反應(yīng)形成Fe（OH）3和FeOOH[5]（見反應(yīng)式6～7），并隨著腐蝕時(shí)間的延長，部分產(chǎn)物最終形成Fe3O4，見反應(yīng)式（8）。

當(dāng)鷹潭土壤模擬溶液中加入0.5g·L－1LaCl3后，由陰極極化曲線可知，此時(shí)的陰極反應(yīng)得到了促進(jìn)，因此，反應(yīng)式（4）進(jìn)行得更加容易，即在相同腐蝕時(shí)間內(nèi)，在陰極區(qū)形成了更多的OH－，導(dǎo)致OH－濃度增大，部分OH－將與溶液中加入的La3＋發(fā)生如下反應(yīng)，即：

這導(dǎo)致XRD檢測中可以分析到La（OH）3和La2O3，這兩種物質(zhì)使X80鋼在酸性土壤模擬溶液中形成的多孔多缺陷的腐蝕產(chǎn)物膜變得更加致密和平整，缺陷數(shù)量明顯減少，并較為牢固地附著在X80鋼表面，減弱了介質(zhì)的擴(kuò)散速速和腐蝕產(chǎn)物膜的快速溶解，使陽極鐵的溶解反應(yīng)得到了抑制，從而降低了X80鋼在酸性土壤模擬溶液中的腐蝕速率。

3 結(jié)論

當(dāng)鷹潭土壤模擬溶液中加入不同質(zhì)量濃度的LaCl3以后，X80鋼的平均腐蝕速率明顯降低，且當(dāng)LaCl3濃度為0.5g·L－1時(shí)，腐蝕電流密度最小，腐蝕速率最低。這主要是因?yàn)長aCl3促進(jìn)陰極反應(yīng)產(chǎn)生了更多的OH－，并結(jié)合成La（OH）3和La2O3，使原來多孔的腐蝕產(chǎn)物膜變得更加平整、致密、缺陷數(shù)量明顯減少，阻礙了陽極溶解速率，有效減緩了X80鋼在酸性土壤模擬溶液中的腐蝕。

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