Q235鋼在武漢土壤中的腐蝕行為研究

徐 立，周學杰，鄭鵬華，吳建平，吳 軍

(1.武漢材料保護研究所有限公司，湖北 武漢 430000；2.湖北武漢大氣淡水環(huán)境材料腐蝕國家野外科學觀測研究站，湖北 武漢 430000)

0 前 言

地下管線設備是工業(yè)上常用的設施，由于埋設于地下，所以其腐蝕狀況難以評估，為制定安全的工藝，需要掌握地下管線設備詳細的腐蝕行為與機理。我國目前陸上油氣管道長度已超過14萬公里，保障油氣管線安全至關重要。土壤腐蝕是地下管線設備腐蝕的主要原因，常在多種因素的綜合作用下，使管線破裂泄露造成事故。土壤是指由固、液、氣三相組成的不均一的多項體系。目前的研究已證實，土壤的許多理化性質均對土壤的腐蝕性產生影響，如含水率、含氧量、溫度、電導率、pH值、Cl-含量、SO42-含量等[1]。土壤的理化性質與當地氣候條件密切相關，具有明顯的地域特性，故需要有針對性地研究材料在特性土壤環(huán)境中的腐蝕行為，目前，對于Q235鋼在我國中部地區(qū)弱堿性、高含水率土壤中的腐蝕行為還缺乏深入研究。

以往的土壤腐蝕試驗方法往往存在試驗周期長，工作量極大等缺點[2，3]。在土壤腐蝕的眾多影響因素中，溫度和含水率是重要的兩個方面。本工作在實驗室中將含水率和溫度控制在腐蝕速率較高的條件下，不改變土壤腐蝕機理，加速了腐蝕過程，在較好地模擬實際土壤理化性質的試驗方法中進行了Q235鋼的腐蝕行為研究。

1 試 驗

1.1 試樣與試劑

試驗材料選用Q235鋼，化學成分(質量分數，%)為C 0.160%，Mn 0.420%，Si 0.260%，S 0.390%，P 0.041%，Fe余量。Q235鋼埋設試樣的尺寸為100 mm×50 mm×5 mm，試樣依次使用320～1 000目的水磨砂紙進行打磨，使用無紡布進行表面除油，然后浸泡于無水乙醇中進行超聲波清洗，之后用去離子水沖洗試樣表面，烘干儲存于干燥器內。開始試驗前，對試樣表面進行鉆孔編號、測量尺寸、用0.000 1 g的分析天平稱重、拍照。

電化學試樣尺寸為10 mm×10 mm×5 mm，選取一個10 mm×10 mm面作為工作面，另一個10 mm×10 mm面焊接銅質導線，使用環(huán)氧樹脂將非工作面絕緣密封在直徑為2.5 cm的聚四氟乙烯管材內，工作面積為1 cm2，在進行電化學試驗前，依次用320～2 000目的水磨金相砂紙進行打磨，再先后采用無水乙醇和去離子水清洗表面，吹干待用。

1.2 試驗方法

1.2.1 武漢土壤環(huán)境腐蝕試驗

在武漢某石化園區(qū)內，選取特定地點進行埋片試驗，該地點特征為：附近有地下輸油管道，屬于輸油管道實際工作環(huán)境；無雜散電流；地面為自然植被，無挖掘記錄，屬于原生土壤。因此該地點屬于理想的現場試驗地點。挖設1 m深的試驗坑，該深度為石油管道常見埋設深度，將試樣按照不同材質分不同地點埋設，避免距離過近形成原電池而干擾試驗結果。埋設試樣時，將同一試驗周期的試樣并排擺放，方便挖掘回收，回填土壤時按照挖掘順序逆序回填，分層夯實，確?；靥钔寥赖目紫堵逝c原生土壤一致，減小因土壤挖掘對試驗結果的干擾。

每個周期4片試樣，其中3片用來計算腐蝕速率，1片進行X射線衍射分析與EDS能譜分析。采用VHX-2000型3D景深顯微鏡觀察腐蝕形貌，并進一步采用Crossbeam 540聚焦離子束掃描電子顯微鏡(FIB-SEM)觀察腐蝕產物形貌。

1.2.2 加速腐蝕試驗

將從試驗地點取回的土壤放入烘箱經105 ℃烘干24 h至完全干燥，含水率為零。將干燥后的土壤碾碎，經1 mm的網篩進一步過濾出碎石，置于試驗箱中，并記錄試驗箱中干燥土壤粉末的重量。將制備好的金屬板材試樣按照材料的不同分別埋設在3個試驗箱中。埋設好試樣后向試驗箱中加入去離子水，將土壤含水率調整至20%，使得土壤因含水率產生的腐蝕影響處于最大狀態(tài)[4-12],再記錄試驗箱總重量。

將準備好的試驗箱分別置于40 ℃的恒溫箱中，以240 h為1個周期進行加速腐蝕試驗，共4個周期。因在恒溫箱中水分會蒸發(fā)從而導致土壤含水率下降，故每12 h稱量1次試驗箱重量，記錄水分流失質量并添加去離子水恢復土壤含水率。対試樣的分析方法與1.2.1中介紹的方法相同。

1.2.3 電化學試驗

電化學試驗在PARSTAT2273電化學工作站上進行，測量采用三電極體系，工作電極為Q235，參比電極為飽和氯化鉀甘汞電極(SCE)，石墨電極為輔助電極，測試介質為不同成分濃度的土壤模擬溶液，試驗溫度為25 ℃。動電位極化曲線測量參數為開路電位(OCP)至0.1 V，掃描速率為20 mV/min。

2 結果與討論

2.1 武漢土壤環(huán)境現場調查

對武漢市3處地點土壤進行理化成分分析，數據如表1所示。

表1 現場土壤浸出液理化成分表

試驗站點地區(qū)土壤含水率較高，均在12%以上。土壤pH值在8.0～8.5范圍內，屬于輕微堿性，這一點與土壤中含有較多的CO32-、HCO3-相符?，F場土壤樣本中檢出的對于金屬腐蝕產生主要影響的離子為SO42-、Cl-。由于Cl-的離子半徑非常小，故常能穿透表面銹層、破壞鈍化膜，會極大地加速陽極溶解加大金屬的腐蝕速率。

2. 2 腐蝕形貌

2.2.1 室外現場埋片試驗

圖1為Q235鋼在武漢石化埋地試驗不同時間后的腐蝕形貌，從圖1可以看出，整個試驗周期中試樣表面均有橙紅色腐蝕產物。試驗進行到3個月時，試樣表面起伏小且較為平整，在清洗試樣表面時，表面疏松的腐蝕產物呈片狀剝落，經簡單清洗后表面無腐蝕產物堆積。隨著試驗的進行，試樣的表面腐蝕產物逐漸堆積，厚度和覆蓋面積逐漸增大，質地堅硬，從圖1d可以觀察到試驗進行到1 a時，試樣表面大部分覆蓋有最大厚度為0.3 mm的腐蝕產物，試樣表面十分粗糙，試樣表面無腐蝕產物堆積的位置厚度較原始厚度減少較多，推測為試樣表面發(fā)生剝離所致。

圖1 Q235鋼在武漢石化埋地試驗不同時間后的腐蝕形貌

圖2為除銹后的試樣表面形貌，可以觀察到，經過3個月試驗的試樣表面在除銹后較為平整且整體顏色較淺，隨著試驗時間的延長，試樣表面的起伏逐漸增大，表面顏色逐漸變?yōu)樯钌?，被腐蝕產物覆蓋的區(qū)域在除銹后可以觀察到明顯的麻坑狀腐蝕痕跡。

2.2.2 室內加速試驗

圖3為Q235鋼在室內加速試驗不同時間后的腐蝕形貌。由圖3可見，當試驗進行到10 d時，試樣上部存在未腐蝕區(qū)域，下部呈麻坑狀腐蝕。腐蝕產物質地堅硬厚度較薄，有紅、黑2種顏色，點蝕坑分布在整個試樣表面，但存在選擇性，上段較少，下端較多。當試驗進行到20 d時, 試樣依然存在未腐蝕區(qū)域，已腐蝕區(qū)域的腐蝕產物厚度增加，質地堅硬，與泥土粘接呈顆粒狀。當試驗進行到30 d時，試樣不存在未腐蝕區(qū)域，大部分區(qū)域被紅棕色腐蝕產物覆蓋，銹層完整性較高。部分區(qū)域存在剝離，露出白色基體。當試驗進行到40 d時，試樣上腐蝕產物的顏色相較于前幾個周期變的更黑，試樣表面剝離面積增大，點蝕坑的深度更深。

圖3 Q235鋼在室內加速試驗不同時間后的腐蝕形貌

對圖3中顯示的宏觀腐蝕形貌的分析可以看出，隨著加速試驗的進行，試樣表面受腐蝕面積逐漸增大，銹層逐漸增厚，顏色有由棕紅色逐漸變?yōu)楹谏内厔?。在試驗進行到一定時間以后可以明顯地觀察到試樣的銹層脫落，露出基體，且脫落的面積隨時間的延長而增大。

圖4為 Q235鋼在室內加速試驗除銹后的表面形貌，從圖4可以觀察到，隨著試驗的進行，Q235鋼表面形貌發(fā)生了明顯的變化，由不均勻的點蝕轉變?yōu)槿娓g。10 d時試樣下部的點蝕坑顯著多于上部，這是由于試樣埋設深度的不同導致的含氧量區(qū)別所產生的腐蝕狀況的差異。30 d時的試樣表面開始出現剝離，且剝離面積隨著時間的延長而增大。

圖4 Q235鋼在室內加速試驗除銹后的表面形貌

圖5為4個周期試樣表面的點蝕坑形貌，隨著腐蝕時間的延長，試樣表面點蝕坑的深度逐漸增加，從試驗進行到10 d時的142 μm增加到40 d時的461 μm，點蝕坑面積也逐漸增大；且當腐蝕進行到一定時間以后，試樣表面出現剝離，如圖6所示，剝離的厚度可達到226.8 μm。

圖6 剝離區(qū)域斜視圖

2.3 腐蝕產物與腐蝕速率

2.3.1 腐蝕產物分析

通過比較圖7與圖8可以發(fā)現，在室外埋地試驗中試樣表面腐蝕產物的形貌比較不規(guī)則，存在部分顆粒狀與大小不一的層片狀腐蝕產物，且腐蝕產物上廣泛存在直徑為2～10 μm的孔隙，而在室內加速試驗中試樣表面的腐蝕產物呈條狀或針狀，且堆積十分緊密，具備典型的Fe的氧化物的形態(tài)特征。

圖7 Q235鋼在室外現場埋片試驗中1 a時腐蝕產物的微觀形貌

圖8 Q235鋼在加速試驗中40 d時腐蝕產物的微觀形貌

圖9 Q235鋼在室外埋地試驗中腐蝕產物的EDS譜

表2 Q235鋼在室外埋地試驗中腐蝕產物的元素組成

圖10 Q235鋼在室內加速試驗中腐蝕產物的EDS譜

表3 Q235鋼在室內加速試驗中腐蝕產物的元素組成

從圖11 Q235鋼在武漢土壤埋地試驗與室內加速試驗產生的腐蝕產物XRD譜可知，Q235鋼在武漢土壤環(huán)境中主要生成的腐蝕產物為α-FeOOH、β-FeOOH、Fe3O4和Fe2O3。鐵的2種羥基氧化物含量差別明顯，這是由于α-FeOOH十分穩(wěn)定，而β-FeOOH易轉化為α-FeOOH。室外埋地試驗與室內加速試驗的腐蝕產物區(qū)別較小，表明陽極反應種類相同。

圖11 Q235鋼在武漢土壤埋地試驗與室內加速試驗產生的腐蝕產物XRD譜

2.3.2 腐蝕速率

由圖12 Q235鋼在室外埋地試驗與室內加速試驗的腐蝕速率變化可知，在室內加速試驗中，Q235鋼的腐蝕速率有持續(xù)下降的趨勢，腐蝕速率從10 d時的447.14 μm/a逐漸降低至40 d時的360.96 μm/a，并趨于穩(wěn)定。在室外埋地試驗中，腐蝕速率從90 d時的59.68 μm/a逐漸降低至360 d時的42.51 μm/a。根據圖7與圖8可知，腐蝕產物在基體表面堆積緊密，一定程度上可以緩解腐蝕性因素與基體接觸，從而使腐蝕速率逐漸降低。

圖12 Q235鋼在室外埋地試驗與室內加速試驗的腐蝕速率變化

參照SY/T 0087.1-2006“鋼制管道及儲罐腐蝕評價標準 埋地鋼質管道外腐蝕直接評價”標準(見表4)，室外現場埋地試驗中的Q235鋼在1 a時腐蝕速率為42.51 μm/a時對應的失重腐蝕率為3.34 g/(dm2·a)，其腐蝕等級評價為“輕”。

表4 SY/T 0087.1-2006“鋼制管道及儲罐腐蝕評價標準埋地鋼質管道外腐蝕直接評價”

與已有研究[8]和室外埋地試驗結果相比較，Q235鋼在武漢土壤室內加速試驗中的腐蝕速率相較于室外埋設試驗增大約8倍，這是因為Q235鋼主要物相為鐵素體和珠光體，且各晶粒間體積差距較大，電位相差也較大，之間易形成原電池。而室內加速試驗控制條件是溫度為40 ℃和土壤含水率為20%，相較于武漢地區(qū)實際土壤環(huán)境的溫度和含水率更高，且20%含水率接近土壤飽和濕度，土壤中的Cl-會溶解于水中，并在Q235鋼表面富集，形成點蝕坑，使局部的腐蝕加重。

2.4 電化學測試

由圖13 Q235鋼在武漢土壤室內加速試驗不同時間后的極化曲線可知，Q235鋼在武漢土壤中的自腐蝕電位隨腐蝕時間的延長而逐漸正移，自腐蝕電流密度也逐漸降低；由表5中電化學參數可知極化曲線斜率也隨試驗時間的延長而升高。這是由于隨著腐蝕的進行，試樣表面的Fe不斷失電子，形成腐蝕產物，腐蝕產物的堆積會使Fe2+往外的擴散通道受阻，使得正電荷在接觸面上堆積造成電位升高。自腐蝕電位與自腐蝕電流的變化趨勢與失重法測得的腐蝕速率變化趨勢相符。

圖13 Q235鋼在武漢土壤室內加速試驗不同時間后的極化曲線

表5 室內加速試驗中Q235鋼的電化學擬合參數隨時間的變化

3 分析探討

Q235鋼在武漢土壤環(huán)境中的腐蝕行為主要為電化學腐蝕，其主要的反應公式如下：

陽極反應：

Fe-2e→Fe2+

(1)

陰極反應：

O2+2H2O+4e→4OH-

(2)

Fe2++ 2OH-→Fe(OH)2↓

(3)

陽極反應生成的腐蝕產物Fe(OH)2不穩(wěn)定，會隨著時間與環(huán)境中的O2氧化生成FeOOH和Fe2O3·H2O等產物；且當環(huán)境中H2O含量充足時，Fe(OH)2還會與O2和H2O生成Fe(OH)3。

2Fe(OH)2+O2→Fe2O3·H2O

(4)

2Fe(OH)2+O2→2FeOOH

(5)

4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3

(6)

Fe2+與活性吸附物質結合生成不穩(wěn)定產物

Fe2++ 2OH-→Fe(OH)2↓

Fe2++ CO32-→FeCO3↓

FeCO3與OH-反應形成鈍化膜

同時反應中生成的中間腐蝕產物β-FeOOH不穩(wěn)定，會逐漸轉變?yōu)橘|地緊密堅固的α-FeOOH，附著在基體表面起到保護作用，這也是腐蝕速率隨時間的延長而下降的重要原因。

通過圖5與圖6可知試樣表面存在點蝕現象，隨著腐蝕時間的延長，試樣表面點蝕坑的深度逐漸增加，面積逐漸增大，并在試驗后期出現剝落現象。這與土壤中含有穿透表面銹層破壞Fe鈍化的Cl-有關，O2、H2O、Cl-及其他腐蝕反應的主要參與物質吸附于點蝕處，極大地加速了金屬的陽極溶解過程，進一步促進了點蝕。

4 結 論

(1)武漢地區(qū)土壤呈弱堿性、具有高含水率、離子濃度較低的特點，Q235鋼在武漢土壤環(huán)境中，整體土壤腐蝕性等級為“輕”。

(2)Q235鋼在武漢土壤環(huán)境中的腐蝕速率持續(xù)降低并逐漸趨于穩(wěn)定，腐蝕產物主要為較為致密的α-FeOOH、β-FeOOH、Fe3O4和Fe2O3。Q235鋼在室外現場埋地試驗中的腐蝕主要為均勻腐蝕，室內加速試驗中存在點蝕現象，并在后期出現剝落，室內加速試驗的腐蝕速率約為室外現場試驗的8倍。

(3)隨著腐蝕反應的進行，Q235鋼的自腐蝕電位正移，自腐蝕電流降低，陽極極化曲線斜率增大，其腐蝕電化學過程由陽極反應控制。

(4)武漢土壤水環(huán)境中Cl-對Q235鋼腐蝕起促進作用，導致在金屬表面富集形成點蝕坑，在40 ℃和20%含水率的條件下，Q235鋼的腐蝕速率約為空白條件的腐蝕速率下的8倍。