油田埋地金屬管道外腐蝕機(jī)理研究

陳艷華，李六軍，李冬冬，陳 宇，于秀軍

（1.河北聯(lián)合大學(xué) 建筑工程學(xué)院，唐山063009；2.河北省地震工程研究中心，唐山063009；3.大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所，大慶163712）

試驗(yàn)研究

油田埋地金屬管道外腐蝕機(jī)理研究

陳艷華1，2，李六軍1，李冬冬1，陳 宇3，于秀軍3

（1.河北聯(lián)合大學(xué) 建筑工程學(xué)院，唐山063009；2.河北省地震工程研究中心，唐山063009；3.大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所，大慶163712）

采用室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證和光譜分析相結(jié)合的方法，以埋地金屬管道的外腐蝕成因?yàn)榍腥朦c(diǎn)，對(duì)北方鹽堿土壤環(huán)境的腐蝕性進(jìn)行研究?；趯?duì)油田現(xiàn)場(chǎng)土壤的理化試驗(yàn)結(jié)果，確定關(guān)鍵因素，以9種主要的土壤腐蝕影響因素為變量，設(shè)計(jì)9因素3水平的室內(nèi)腐蝕模擬正交試驗(yàn)。采用20號(hào)鋼標(biāo)準(zhǔn)腐蝕試片，進(jìn)行模擬試驗(yàn)。并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，研究了每個(gè)因素對(duì)土壤腐蝕速率的作用規(guī)律，得到該區(qū)域土壤腐蝕因素的重要度次序由大到小為：Na+，含水率，溫度，Ca2+，孔隙度，p H，SO42-，HCO3-，Cl-。進(jìn)一步對(duì)腐蝕產(chǎn)物主要成分進(jìn)行光譜分析，且與現(xiàn)場(chǎng)埋片腐蝕產(chǎn)物主要成分比較，結(jié)果顯示兩者主要成分基本一致，含量有所差別，一定程度上驗(yàn)證了室內(nèi)研究結(jié)果的可靠性。

埋地管道；土壤腐蝕；影響因素；正交試驗(yàn)；方差分析；光譜分析

我國(guó)各大油田所處地域廣闊，土壤環(huán)境各不相同，即使同一油田同一采油廠的土壤也存在很大差異。大慶油田龍虎泡作業(yè)區(qū)大多處于草地、低洼、沼澤等地帶，地質(zhì)條件復(fù)雜，且土壤多呈鹽堿性，環(huán)境多變較惡劣，地下埋設(shè)的油、氣、水管線達(dá)2 500km以上［1］。其埋地金屬管道隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，由于土壤的腐蝕作用，造成埋地管道防腐蝕層老化損壞、管道老化，直至穿孔。據(jù)統(tǒng)計(jì)，腐蝕穿孔占管道穿孔的96%。2005年以來(lái)因腐蝕更新管道300多公里，投資上億元［2］。也就是說(shuō)，環(huán)境因素，如溫度、溶解氧含量等對(duì)埋地金屬管道的電化學(xué)行為影響頗大［3-4］。還有土壤類型、地下水位、土壤含水率等對(duì)埋地陰極保護(hù)管道的腐蝕同樣具有很大影響［5-6］。更有研究顯示，鹽堿性土壤中埋地金屬管道會(huì)發(fā)生坑腐蝕［7］；土壤中的各類離子也影響著埋地鋼管的腐蝕行為［8］。然而，在眾多影響因子中，每個(gè)因子對(duì)埋地管道腐蝕破壞影響重要度的大小各不相同，直接決定管道的破壞形式，并會(huì)影響防腐措施的具體實(shí)施。所以，對(duì)于復(fù)雜多變的土壤環(huán)境，有針對(duì)性地結(jié)合實(shí)際油田的具體土壤環(huán)境研究埋地金屬管道的腐蝕機(jī)理更具現(xiàn)實(shí)意義。

本工作通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、光譜分析和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證等方法，首先確定影響腐蝕的主要因素，然后綜合考慮土壤的含水率、孔隙度、溫度、pH及土壤中HCO3-、SO42-、Cl-、Na+、Ca2+含量等9種因素，設(shè)計(jì)室內(nèi)腐蝕模擬試驗(yàn)方案，對(duì)研究區(qū)域土壤環(huán)境因素的影響及重要度序進(jìn)行深入分析與評(píng)價(jià)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)埋片試驗(yàn)驗(yàn)證室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，為改善局部土壤環(huán)境提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 土壤理化試驗(yàn)與腐蝕影響因素確定

土壤因所處地理位置、地質(zhì)條件、氣候條件、周圍環(huán)境條件等不同而具有不同的特性，如土壤酸堿性，土壤粘性，土壤含水，溫度，孔隙，土壤陰陽(yáng)離子含量等。這些不同的特性使得土壤表現(xiàn)出不同的腐蝕性，對(duì)埋入其內(nèi)的金屬管道產(chǎn)生不同程度的腐蝕破壞，進(jìn)而影響油田正常的生產(chǎn)和集輸，有些還會(huì)破壞環(huán)境，造成污染，影響人們的生活。所以分析土壤的理化性質(zhì)，可為土壤腐蝕影響因素的確定奠定基礎(chǔ)。

取大慶油田龍虎泡作業(yè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)土壤樣品進(jìn)行理化試驗(yàn)，測(cè)得土壤物理特性如表1所示，陰陽(yáng)離子含量結(jié)果如表2所示。

表1 土壤物理性質(zhì)測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results of physical characteristics of soil

由表1可見(jiàn)，土壤含水率和土壤孔隙度是土壤的主要物理參數(shù)，其容重及空氣容量與二者關(guān)系緊密。環(huán)境溫度對(duì)土壤理化性質(zhì)也有影響。所以把土壤含水率、孔隙度和環(huán)境溫度作為主要的物理因素。另外，由表2可見(jiàn)，K+、Na+作為一類影響因素，Ca2+、Mg2+作為一類影響因素，CO32-在研究區(qū)域的土壤樣品中含量最少，所以不作為主要影響因素考慮。由此確定影響埋地金屬管道腐蝕的土壤關(guān)鍵因素。進(jìn)而可對(duì)試驗(yàn)區(qū)域的土壤設(shè)定室內(nèi)腐蝕模擬試驗(yàn)的因素水平，進(jìn)行試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。

表2 土壤陰陽(yáng)離子及p H測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of anions，cations and p H value of soil

1.2 室內(nèi)腐蝕模擬試驗(yàn)

1.2.1 因素水平設(shè)置

據(jù)1.1，以土壤含水率、孔隙度、環(huán)境溫度、Na+、Ca2+、HCO3-，SO42-，Cl-，p H 等9種關(guān)鍵因素為試驗(yàn)因素，分別設(shè)定3個(gè)水平，如表3所示。以30d為周期，進(jìn)行9因素3水平（L2739）的室內(nèi)腐蝕模擬埋片正交試驗(yàn)。

1.2.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料1為20號(hào)鋼冷卻水化學(xué)處理標(biāo)準(zhǔn)腐蝕試片。試片尺寸為50.0mm×25.6mm×2.0mm，表面積為2 862.4mm2。在試片一端距棱邊5mm的中央處開(kāi)有φ3mm小孔，并打有鋼號(hào)。表面經(jīng)機(jī)械加工達(dá)到一致的表面平整度。

表3 因素水平設(shè)置表Tab.3 Arrangement on factor level

試驗(yàn)材料2為土壤樣品，是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)土樣制備而成的，根據(jù)基本參數(shù)模擬的，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)需要的各項(xiàng)物理化學(xué)指標(biāo)。

1.2.3 試驗(yàn)步驟

（1）制備標(biāo)準(zhǔn)土樣。

（2）制備試驗(yàn)用特定參數(shù)的土壤。根據(jù)水平因素表?yè)Q算所需各種相應(yīng)化學(xué)物質(zhì)的用量，模擬離子含量，同時(shí)模擬土壤孔隙度、含水率、p H等，得到具有特定參數(shù)的土壤。

（3）進(jìn)行試驗(yàn)前的埋片處理，然后對(duì)應(yīng)鋼號(hào)貼上相應(yīng)的標(biāo)簽。

（4）稱量標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的土樣，將土樣裝至試驗(yàn)桶的1/3處，然后將3個(gè)試片豎直插入土中，呈中心對(duì)稱布置。利用環(huán)境氣候室控制所需環(huán)境溫度。

（5）待滿試驗(yàn)周期（30d）后，將試片從土樣中取出處理，并收集腐蝕物。

（6）計(jì)算埋片的平均腐蝕速率［9］。

（7）利用全自動(dòng)掃描型X射線熒光光譜儀對(duì)腐蝕物成分進(jìn)行分析。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)

為了更好地驗(yàn)證室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果，在現(xiàn)場(chǎng)集輸管道沿線埋設(shè)試片，待試驗(yàn)期結(jié)束后取出，觀察埋片并測(cè)試腐蝕物成分。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表3設(shè)置室內(nèi)模擬埋片正交試驗(yàn)（L2739）的因素水平，如表4所示，進(jìn)行了27組室內(nèi)模擬埋片試驗(yàn)，得到的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 L27（39）因素水平及試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Experimental results and factor level of L27（39）

圖1是選取的第19組試驗(yàn)埋片腐蝕前后的形貌，埋片材質(zhì)均為20號(hào)鋼。由圖1可見(jiàn)，處理過(guò)的完好新試片表面光潔；腐蝕試驗(yàn)結(jié)束后，試片表面附著厚度不均的腐蝕產(chǎn)物，腐蝕比較嚴(yán)重，清洗表面腐蝕產(chǎn)物后，可以看到腐蝕已深入試片內(nèi)部，且局部分布有腐蝕坑。

圖1 腐蝕前后試片的表面形貌Fig.1 Appearance of test pieces before（a）and after（b）corrosion test

2.1.2 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)期結(jié)束后取出埋片見(jiàn)圖2，埋片清掃表面浮土后，可以看出埋片表面附著的黃色腐蝕產(chǎn)物，消除腐蝕產(chǎn)物后發(fā)現(xiàn)表面不均勻地分布著點(diǎn)蝕坑，收集腐蝕產(chǎn)物后，對(duì)其進(jìn)行成分分析。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)取出試片的表面形貌Fig.2 Appearance of test piece after surface soil wiping off（a）and appearance of test piece after corrosion product wiping off（b）

2.2 討論

2.2.1 各因素對(duì)腐蝕速率的影響分析

由表4可見(jiàn)，隨著含水率、孔隙度的增大，腐蝕速率會(huì)增大并出現(xiàn)峰值，之后隨著含水率和孔隙率的增大，腐蝕速率降低。說(shuō)明隨著含水率的增加，土壤中游離的離子含量增多，土壤的電導(dǎo)率也增加，使得土壤的腐蝕性增強(qiáng)，但隨著含水率的進(jìn)一步增加，土壤密實(shí)度增強(qiáng)，其中的空氣含量減少，空氣含量的多少影響金屬的氧化反應(yīng)，所以腐蝕速率反而減弱。同理，隨著孔隙度的增加，土壤中空氣含量隨之增加，促進(jìn)土壤中金屬的腐蝕，然而隨著孔隙度的進(jìn)一步增大，土壤中游離的陰陽(yáng)離子數(shù)量減少，即一定程度上抑制了金屬氧化還原反應(yīng)，使得腐蝕速率降低。

隨著溫度和p H的增加，腐蝕速率增加，表明常溫以下的較低溫度，埋地金屬腐蝕速率很低，也就是說(shuō)溫度條件是腐蝕反應(yīng)的催化劑，溫度越高，土壤中的菌群越活躍，加速腐蝕。本研究中的試驗(yàn)區(qū)域?qū)儆邴}堿性土壤，試驗(yàn)中針對(duì)鹽堿性土壤的p H設(shè)置了3個(gè)水平，結(jié)果顯示，隨著堿性增強(qiáng)，對(duì)金屬的腐蝕作用增強(qiáng)。

隨著 Na+、Ca2+、HCO3-含量的增大，腐蝕速率增大，表明鹽堿含量增加促進(jìn)腐蝕作用。隨著SO42-含量的增大，腐蝕速率先降低，之后基本保持不變，表明其含量的增加從某種程度來(lái)看可以抑制腐蝕作用。而隨著Cl-含量的增加，腐蝕速率出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

2.2.2 各影響因素的重要度序

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)各因素影響下的腐蝕速率進(jìn)行了方差分析［10］，如表5所示。

表5 腐蝕速率方差分析Tab.5 Analysis of variance in corrosion rate

由表5的方差分析結(jié)果可以看出：

（1）所選9種土壤腐蝕因素重要度序是：Na+含量（H）＞含水率（A）＞溫度（C）＞Ca2+含量（B）＞孔隙度（I）＞p H（D）＞SO42-含量（G）＞HCO3-含量（E）＞Cl-含量（F）。

（2）其中含水率、溫度、孔隙度等物理因素對(duì)腐蝕速率的作用效果要高于一般的離子。

（3）試驗(yàn)中為控制土壤的酸堿性水平，采用醋酸和氫氧化鈉作為p H調(diào)節(jié)劑，然而試驗(yàn)中未考慮醋酸根離子對(duì)腐蝕速率的影響，故試驗(yàn)結(jié)果中Na+含量的變化伴隨著醋酸根離子的變化，表現(xiàn)出對(duì)腐蝕速率影響大，這種情況的發(fā)生更大的可能是來(lái)自于兩者的共同作用。同時(shí)，在離子水平設(shè)置時(shí)Na+和Ca2+相鄰水平變化幅度較大，它們對(duì)腐蝕速率的影響也間接反映了總含鹽量對(duì)腐蝕速率的影響。

2.2.3 室內(nèi)試驗(yàn)腐蝕產(chǎn)物成分光譜分析

利用全自動(dòng)掃描型X射線熒光光譜儀對(duì)室內(nèi)模擬試驗(yàn)收集的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行成分分析，以含水率的變化為考慮因素制備腐蝕產(chǎn)物樣品1組，以全因素變化為考慮因素制備腐蝕產(chǎn)物樣品1組，得到各元素氧化物的質(zhì)量百分含量結(jié)果如表6，7所示。

表6 以含水率為主因素的3水平腐蝕產(chǎn)物混合樣主要元素質(zhì)量百分含量Tab.6 Percent contents of main elements of 3 level corrosive mixture considering moisture content as main factor %

表7 考慮全部因素的腐蝕產(chǎn)物混合樣主要元素質(zhì)量百分含量Tab.7 Percent contents of main elements of corrosive mixture considering all factors %

由表6，7兩組腐蝕產(chǎn)物的主要元素及其質(zhì)量百分含量可以看出，腐蝕產(chǎn)物中占有比例較大的是鐵、硅、鋁、鈣等。與試驗(yàn)土的主要成分（如表8）基本一致，但含量不同。腐蝕產(chǎn)物中鐵元素含量高，而土中硅含量高，但是土壤的組成會(huì)影響金屬腐蝕產(chǎn)物的組成。另外，腐蝕產(chǎn)物主要是以腐蝕過(guò)程氧化反應(yīng)的主要產(chǎn)物——金屬氧化物形式存在，如 Fe2O3。以含水率為主因素變化的試驗(yàn)腐蝕物主要元素鐵等金屬成分的含量高于綜合因素的結(jié)果，這也反映了含水率對(duì)埋管腐蝕作用的影響很大，進(jìn)一步印證了正交試驗(yàn)的結(jié)果，即含水率是主要影響因素。

表8 試驗(yàn)土樣主要元素質(zhì)量百分含量Tab.8 Percent contents of main elements of soil specimen %

2.2.4 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)腐蝕物成分分析

對(duì)于同期現(xiàn)場(chǎng)埋片驗(yàn)證試驗(yàn)的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行光譜分析，結(jié)果如表9所示。

表9 現(xiàn)場(chǎng)埋片試驗(yàn)腐蝕產(chǎn)物主要元素質(zhì)量百分含量Tab.9 Percent contents of main elements of corrosion product in site verification experiment %

由表9可見(jiàn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果腐蝕產(chǎn)物的主要成分與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果大體相同，主要差別是含量的不同，究其原因是不同重要度的影響因素變化會(huì)改變埋地金屬管道的腐蝕程度，也就是說(shuō)，土壤環(huán)境的變化是一種動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，且它的動(dòng)態(tài)變化對(duì)埋地金屬管道腐蝕的影響也是動(dòng)態(tài)的，所以長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)局部土壤環(huán)境的變化可以為更好地研究埋地管道防腐蝕措施提供有利依據(jù)。

3 結(jié)論與建議

為揭示埋地金屬管道腐蝕機(jī)理，針對(duì)大慶油田龍虎泡作業(yè)區(qū)域土壤進(jìn)行室內(nèi)腐蝕模擬試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)及腐蝕物成分分析等研究，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果的分析得出以下結(jié)論，并提出改善土壤腐蝕性的幾點(diǎn)建議：

（1）區(qū)域土壤組分及含量的變化較大，且是動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程，這使得區(qū)域土壤腐蝕性表現(xiàn)出很大的差異性。

（2）由室內(nèi)腐蝕模擬正交試驗(yàn)可以得出土壤環(huán)境影響因素的重要度序?yàn)椋篘a+＞含水率＞溫度＞Ca2+＞孔隙度＞p H＞SO42-＞HCO3-＞Cl-。

（3）土壤中Na+含量從0變化到2 200μg/g，它的顯著變化影響著腐蝕速率的變化，所以由方差分析結(jié)果看出，Na+成為第一影響因素。但是因?yàn)镹aOH在p H調(diào)節(jié)過(guò)程中的應(yīng)用，使得Na+的含量變化超出原有的因素設(shè)置水平，造成Na+的影響與實(shí)際工程情況有出入。

（4）因各影響因素的重要度不同，如含水率、溫（5）對(duì)腐蝕產(chǎn)物的分析結(jié)果表明，金屬氧化物Fe2O3是油田埋地金屬管道的主要腐蝕產(chǎn)物，且含水率是影響該區(qū)域埋地金屬管道腐蝕的主要影響因素。

度、孔隙度、p H等對(duì)腐蝕速率影響比重較大，所以通過(guò)降低含水率、增大孔隙度使得土壤干燥，減少游離的陰陽(yáng)離子可以抑制腐蝕。即對(duì)高含水區(qū)域可以通過(guò)挖排水溝引水，更換部分腐蝕嚴(yán)重區(qū)域的土壤，降低含水，改善腐蝕環(huán)境。調(diào)節(jié)局部土壤的酸堿度也能在一定程度上改善其腐蝕性。

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Research on External Corrosion Mechanism of Euried Metal Pipeline of Oilfield

CHEN Yan-hua1，2，LI Liu-jun1，LI Dong-dong1，CHEN Yu3，YU Xiu-jun3
（1.College of Civil and Architecture Engineering Hebei United University，Tangshan 063009，China；2.The Seismology Research Center of Hebei Province，Tangshan 063009，China；3.Planning and Design Institute of No.9 Oil Production Company，Daqing Oilfield Co.，Ltd.，Daqing 163712，China）

Taking external corrosion of pipelines as a research point，laboratory test，site verification and spectral analysis were adopted to investigate the corrosion of saline-alkali soil environment in north China.Orthogonal simulation experiments with 9 factors and 3 levels were designed based on physical and chemical test results of local soil，taking 9 main corrosion factors as variables.Standard corrosion test slices of 20#steel were used to perform kinds of physical and chemical experiments for simulating local soil.Analysis of variance was done to these test results.The affecting rule on corrosion rate of soil was researched，and importance degree order of corrosion factors in this district was obtained，namely，Na+＞moisture content＞temperature＞Ca2+＞porosity＞p H value＞SO42-＞HCO3-＞Cl-.Furthermore，the main components of corrosion products were analyzed by X-ray fluorescence and compared with the corrosion products of site test slices.From these results，the main components of both corrosion products were consistent basically，but the contents were a bit different，which validates the reliability of laboratory test results to a certain extent.

buried metal pipeline；soil corrosion；influence factor；orthogonal experiment；analysis of variance；spectral analysis

TE988

A

1005-748X（2015）11-1009-05

10.11973/fsyfh-201511001

2014-10-31

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51318172）；河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（E2014209089）

陳艷華（1972-），教授，博士，從事地下生命線防災(zāi)減災(zāi)工作，15033920209，cyh427@163.com