X80鋼在鄯善土壤模擬溶液中的腐蝕行為

王會(huì)新

(錦州開元石化公司，遼寧 錦州 121001)

埋地管道最常見的失效形式是管道的外部腐蝕，因腐蝕導(dǎo)致埋地管道破裂而發(fā)生事故的現(xiàn)象，幾個(gè)月就會(huì)發(fā)生1次[1]。埋地管道腐蝕與土壤的濕度、電阻率、pH值及土壤的可溶性鹽分的組分和質(zhì)量有關(guān)，還受到時(shí)間季節(jié)性和地域性的影響[2]。因此，長(zhǎng)輸管道穿越不同類型土壤可能會(huì)使管體表面發(fā)生均勻腐蝕、點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂等多種破壞形式，從而會(huì)對(duì)管道的安全運(yùn)行造成極大的危害[3]。

新疆鄯善縣境內(nèi)地形地貌簡(jiǎn)單，地層較單一，該地區(qū)地表鹽含量普遍較高，大部分為與土呈弱膠結(jié)的結(jié)晶鹽殼。文章選取了具有代表性的3個(gè)測(cè)試點(diǎn)土壤數(shù)據(jù)，研究了X80鋼在這3個(gè)測(cè)試點(diǎn)的模擬土壤溶液中的短期腐蝕行為。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料為X80直縫埋弧焊管，主要成分C，Si，Mn，S，P，Ni，Cr，Mo，Nb 和 Cu 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為:0.08%，0.21%，1.65%，0.002%，0.01%，0.24%，0.13%，0.22%，0.05% 和 0.20%，余量為Fe。從遠(yuǎn)離焊縫基體處截取焊管，經(jīng)線切割加工成實(shí)驗(yàn)試樣。選取了具有典型代表性的3個(gè)測(cè)試點(diǎn)的土壤理化分析參數(shù)作為研究對(duì)象，各測(cè)試點(diǎn)土壤易溶性鹽含量測(cè)試結(jié)果見表1。確定各測(cè)試點(diǎn)土壤模擬溶液成分應(yīng)遵循以下原則:(1)電荷守恒、陰陽(yáng)離子的物質(zhì)的量守恒，不能完全匹配的取濃度高的離子為配比標(biāo)準(zhǔn);(2)先配平含量少的離子，后匹配含量高的離子[4]。

表1 鹽漬土可溶性鹽含量Table1 Soluble salt content of saline soil mg/kg

電化學(xué)測(cè)試采用三電極體系:X80鋼為研究電極，鉑片為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極[5]。試樣工作面積為1cm2，從試樣非工作面焊接導(dǎo)線，用環(huán)氧樹脂將其包封在聚四氟乙烯中。

實(shí)驗(yàn)前，用SiC砂紙從60號(hào)逐級(jí)打磨至800號(hào)，然后用丙酮、無(wú)水乙醇除油，去離子水清洗后吹干待用。分別在溶液中浸泡30，45和60 d后取出平行試樣，采用失重法計(jì)算腐蝕速率。采用S-250MK2型電子掃描顯微鏡對(duì)經(jīng)60 d浸泡后試樣的截面腐蝕產(chǎn)物層形貌和去除腐蝕產(chǎn)物層后的表面形貌進(jìn)行了觀察。以0.5 mV/s的掃描速率進(jìn)行動(dòng)電位掃描，掃描電位為－1.3～0.4 V，交流正弦激勵(lì)信號(hào)幅值為10 mV，測(cè)試頻率范圍為105～10－2Hz。電化學(xué)測(cè)試應(yīng)采用恒溫水浴，并將溶液溫度控制在(25±1)℃內(nèi)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 電化學(xué)行為

3個(gè)不同測(cè)試點(diǎn)土壤模擬溶液中的動(dòng)電位極化曲線和交流阻抗譜分別見圖1～2。由圖1可見，X80鋼在1號(hào)和2號(hào)模擬溶液中只表現(xiàn)出活化溶解狀態(tài)，并沒(méi)有出現(xiàn)活化-鈍化轉(zhuǎn)變區(qū);而X80鋼在3號(hào)模擬溶液中，其陽(yáng)極區(qū)存在鈍化現(xiàn)象，在約－0.72～－0.52 V內(nèi)存在一個(gè)點(diǎn)蝕電位;當(dāng)超過(guò)該電位時(shí)，電極表面膜破裂，陽(yáng)極電流密度迅速增大，點(diǎn)蝕能很快地在鋼表面萌生和擴(kuò)展。由圖2可見，在1號(hào)和2號(hào)模擬溶液中，X80鋼在開路電位(OCP)下的阻抗譜呈現(xiàn)為單容抗弧特征;而在3號(hào)模擬溶液中，X80鋼的阻抗譜呈現(xiàn)出反映兩個(gè)時(shí)間常數(shù)的雙容抗弧特征。其中，高頻端容抗弧反映基體表面膜層的信息，其與膜層的致密性、厚度有關(guān)。低頻端容抗弧主要反映鋼基表面電化學(xué)反應(yīng)的信息。

圖1 動(dòng)電位極化曲線Fig.1 Polarization curve of zeta potential

圖2 交流阻抗譜Fig.2 AC impedance spectroscopy

2.2 腐蝕形貌觀察

X80鋼在不同模擬土壤溶液中，經(jīng)60 d浸泡后，在1號(hào)模擬溶液中，試樣表面生成了一層疏松多孔的黃棕色產(chǎn)物層，局部位置處的外層產(chǎn)物已脫落，并露出內(nèi)層產(chǎn)物層。在2號(hào)模擬溶液中，試樣表面均勻的覆蓋了一層呈“針狀”的結(jié)晶鹽，試樣中上部結(jié)晶鹽和產(chǎn)物混合生長(zhǎng)部分產(chǎn)物呈黃棕色，而試樣下部仍被白色的結(jié)晶鹽覆蓋。在3號(hào)模擬溶液中，試樣表面非均勻的分布著一些呈“顆?！睜畹慕Y(jié)晶鹽，結(jié)晶鹽層下是一層紅褐色銹層。各腐蝕試樣截面銹層微觀形貌見圖3。

在1號(hào)模擬溶液中，X80鋼的內(nèi)層產(chǎn)物層與基體之間具有連續(xù)的界面，與基體結(jié)合較好;內(nèi)層產(chǎn)物層和外層產(chǎn)物層間存在一片孔洞帶，使得內(nèi)層和外層處于不連續(xù)狀態(tài)。能譜分析結(jié)果見表2。由表2可知內(nèi)、外層產(chǎn)物層主要為Fe的氧化物;在2號(hào)模擬溶液中，X80鋼的產(chǎn)物層較薄(約50 μm)，其中內(nèi)層產(chǎn)物較為致密，外層產(chǎn)物呈短小“柱狀”。由內(nèi)向外Fe的氧化物含量逐漸降低，而Ca含量則呈逐漸增加的趨勢(shì);在3號(hào)模擬溶液中，X80鋼表面的產(chǎn)物層相對(duì)較厚，可達(dá)到500 μm，內(nèi)層產(chǎn)物層致密，與基體結(jié)合緊密，而外層相對(duì)較為疏松;內(nèi)層為Fe的氧化物，外層出現(xiàn)了 K，Na，Ca和 Cl的富集區(qū)。X80鋼各試樣去除腐蝕產(chǎn)物后的表面微觀形貌在3種模擬溶液中都以全面腐蝕為主，局部位置發(fā)生點(diǎn)蝕。

圖3 X80鋼經(jīng)60 d溶液浸泡后的截面腐蝕形貌Fig.3 Section morphology of corrosion of X80 steel after 60 days’impregnating

表2 截面腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果Table2 Energy－spectrum analysis results of section corrosion products w，%

2.3 腐蝕速率

采用失重法對(duì)分別于30，45和60 d從模擬溶液中取出的平行試樣進(jìn)行腐蝕速率計(jì)算，其結(jié)果見圖4。由圖4可見，在不同浸泡期內(nèi)，X80鋼在AN000和AN065模擬溶液中的腐蝕速率都呈先增大，后減小的趨勢(shì);而其在AN016模擬溶液中的腐蝕速率卻呈減小的趨勢(shì)。X80鋼在60 d浸泡期內(nèi)，在3種模擬溶液中的腐蝕速率大小關(guān)系滿足:AN000＞AN065＞AN016。

圖4 X80鋼在不同模擬溶液中的腐蝕速率Fig.4 Corrosion rate of X80 steel in different simulation solution

3 討論

由上述分析可以得到:X80鋼在土壤模擬溶液中的陰極過(guò)程是氧的還原，陰極過(guò)程是腐蝕控制的主要過(guò)程;陽(yáng)極過(guò)程是Fe的溶解[6]。研究發(fā)現(xiàn):在1號(hào)AN00模擬溶液中，隨著浸泡時(shí)間的增加，X80鋼表面的腐蝕產(chǎn)物逐漸增多，產(chǎn)物層在一定程度上可抑制鋼基體的腐蝕。X80鋼在Ca2+質(zhì)量濃度較高的2號(hào)模擬溶液中的腐蝕速率最小，這與Ca2+吸附在X80鋼試樣表面，并形成鈣的產(chǎn)物層有關(guān)。其腐蝕機(jī)理可解釋如下，在浸泡初期，Cl－大量吸附在X80鋼表面，破壞金屬表面而發(fā)生點(diǎn)蝕和全面腐蝕;隨著浸泡時(shí)間的增加，溶液中的Ca2+會(huì)在X80鋼表面與Cl－發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附，逐漸在X80鋼表面形成鈣的產(chǎn)物層[7]。其結(jié)果一方面阻礙了溶解O2向基體表面的擴(kuò)散，另一方面也有效抑制了Cl－對(duì)金屬的影響，使X80鋼得到了有效的保護(hù)。對(duì)于3號(hào)模擬溶液而言，由于AN065測(cè)試點(diǎn)土壤中含鹽量特別高，在配制模擬土壤溶液時(shí)，溶液中會(huì)產(chǎn)生大量沉淀。研究中待沉淀物完全析出后，取上層澄清液為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)。這種研究方法具有一定的局限性，可能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，但也能反映高鹽含量介質(zhì)環(huán)境對(duì)管線鋼腐蝕的影響[8]。在3號(hào)模擬溶液中，隨著浸泡時(shí)間的增加，X80鋼表面吸附的Ca2+以及結(jié)晶析出的NaCl和KCl，一定程度上可抑制溶解O2對(duì)金屬的影響，使得X80鋼的腐蝕減緩。

4 結(jié)論

(1)X80管線鋼在新疆鄯善縣3個(gè)測(cè)試點(diǎn)模擬土壤溶液中以全面腐蝕為主，局部位置發(fā)生點(diǎn)蝕;在60 d浸泡期內(nèi)，X80鋼在不同模擬溶液中的腐蝕速率依次為:AN000＞AN065＞AN016。

(2)在1號(hào)模擬溶液中，X80鋼表面形成的腐蝕產(chǎn)物對(duì)基體具有一定的腐蝕防護(hù)作用。在鈣鹽含量高的2號(hào)模擬溶液中，Ca2+吸附在X80鋼表面并形成Ca的產(chǎn)物層，可有效抑制溶解氧和Cl－對(duì)金屬的影響，從而使得X80鋼的腐蝕減緩。

(3)選取新疆鄯善縣境內(nèi)具有代表性的土壤數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，較好地反映了鄯善地區(qū)土壤地域性的特點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得知土壤中富集在鋼基體表面的結(jié)晶鹽對(duì)X80管線鋼的腐蝕具有一定的減緩作用。

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