常溫下伴熱管線的土壤腐蝕行為研究

黃星澎，張國福

（遼寧石油化工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

作為一種特殊性質(zhì)的腐蝕介質(zhì)，土壤對金屬的腐蝕作用需要適當?shù)姆椒ㄟM行檢測，地下的金屬構(gòu)件會與土壤直接接觸，從而常常會使得如石油產(chǎn)品管道，燃氣管道等構(gòu)件失效造成經(jīng)濟損失和環(huán)境危害[1]。土壤的特殊性質(zhì)表現(xiàn)在土壤本身是一個較為復(fù)雜的腐蝕體系，溫度和含水量等因素影響或干擾土壤腐蝕構(gòu)件的因素很多，并且不同的金屬在不同的土壤環(huán)境下發(fā)生的腐蝕行為也有差異。

遼河油田在我國北方地區(qū)屬于重要的石油產(chǎn)地，石油管道的地下埋設(shè)量很大，由于埋設(shè)管道地區(qū)為水稻田地或濕地，土壤性質(zhì)與濕地草甸土相近，地下水位較高，腐蝕環(huán)境更加復(fù)雜[2]。

由于腐蝕環(huán)境復(fù)雜，為使得土壤對構(gòu)件的腐蝕行為研究更為理想，更多的采用電化學(xué)分析的方法，簡便快捷的對土壤的腐蝕體系進行模擬。通過電化學(xué)阻抗譜的測試來分析盤錦及土壤環(huán)境相似地區(qū)的腐蝕行為，從而實現(xiàn)研究目的。

1 實驗部分

1.1 實驗用土壤分析

實驗所選擇的土壤為盤錦地區(qū)輸油管線附近的典型土壤，其pH值為7.4，與土壤相關(guān)的理化性質(zhì)見表1[3]。

表1 輸油管線附近土壤理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of soil in liaohe oilfield mg/L

1.2 實驗材料

實驗所用土壤自然干燥之后，研磨至可以通過20目篩，之后進行烘烤。烘烤溫度為105 ℃，烘烤時間6 h[4]。按水土質(zhì)量1︰1進行去離子水和土的配比配制溶液。

選用碳鋼和管線鋼的典型鋼材20#鋼和X80鋼及黃銅為實驗試樣，實驗規(guī)格為10 mm×10 mm×10 mm的立方體，工作面積10 mm×10 mm。用導(dǎo)線焊接在與工作面對應(yīng)的背面，之后用環(huán)氧樹脂裹住試件的非工作面，待環(huán)氧樹脂凝固后對試件的工作面進行打磨。20#鋼從 80#砂紙一直打磨到 2 000#砂紙后進行機械拋光，X80#鋼從80#砂紙一直打磨到2 000#砂紙后進行機械拋光，銅從500#砂紙一直打磨到2 000#砂紙后進行機械拋光。

試件打磨光亮之后用酒精超聲清洗，再用去離子水沖洗，干燥。試驗所用材料化學(xué)成分見表2-4。

表2 20#鋼的化學(xué)成分及質(zhì)量分數(shù)Table2 20# steel chemical composition %

表3 X80鋼的化學(xué)成分及質(zhì)量分數(shù)Table3 X80 line pipe steel chemical composition %

表4 Cu的化學(xué)成分及質(zhì)量分數(shù)Table4 Copper chemical composition %

1.3 測試方法

1.3.1 伴熱管線不同材料的腐蝕行為比較

實驗所用電化學(xué)儀器采用 PARSTAT2273電化學(xué)測試系統(tǒng)和PowerSuite測試軟件，采用三電極體系，20#鋼、X80鋼、銅等實驗試件作為工作電極，石墨電極為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，輸油管線附近土壤配制溶液為介質(zhì)。激勵信號為10 mV正弦波，測試頻率范圍100 kHz~100 MHz。極化曲線測量掃描速度為0.166 mV/s，開路電位掃面范圍-0.25~0.25 V。測定結(jié)果利用ZSimpWin軟件進行交流阻抗擬合處理（圖1）。

在實驗過程里完全采用常相位角原件 CPE取代電容元件，所得實驗數(shù)據(jù)當中的RS代表土壤配制腐蝕溶液電阻，R1代表金屬電極表面腐蝕產(chǎn)物和土壤顆粒組成的結(jié)合層的電阻，常相位角原件 CPE1代表腐蝕產(chǎn)物結(jié)合層所形成的電容，常相位角原件CPE2代表雙電層的電容。因為土壤腐蝕的交流阻抗譜彌散效應(yīng)很強所以Q代表常相位角原件（CPE）代替純電容C，RCT代表電荷轉(zhuǎn)移電阻，采用圖1等效電路進行擬合，電極體系阻抗譜數(shù)學(xué)的表達式為:

圖1 土壤腐蝕溶液中20#鋼、Cu、X80鋼的交流阻抗圖譜Fig.1 The EIS of 20 #steel, copper,X80 line pipe steel in soil corrosion solutions

表5 EIS數(shù)據(jù)Table 5 EIS data

從表5中比較加熱導(dǎo)線，伴熱管，輸油管線可已看出銅的電阻RCT加熱導(dǎo)線最大，輸油管線次之，伴熱管的電荷轉(zhuǎn)移電阻最小，即加熱導(dǎo)線電荷轉(zhuǎn)移電阻﹥輸油管線電荷轉(zhuǎn)移電阻﹥伴熱管電荷轉(zhuǎn)移電阻。常相位角原件(加熱導(dǎo)線)小于常相位角原件(輸油管線)小于常相位角原件(伴熱管) 依據(jù)文獻可知在土壤為堿性條件下能夠使得導(dǎo)線產(chǎn)生抗腐蝕的氧化產(chǎn)物，因而避免導(dǎo)線進一步被腐蝕[6]。

在集膚效應(yīng)下，輸油管線中起管道保護作用的黃夾克被破壞后,土壤腐蝕介質(zhì)直接接觸超稠油主輸油管線與集膚效應(yīng)伴熱系統(tǒng)的結(jié)合處。使伴熱系統(tǒng)的芯線與伴熱管之間形成了銹蝕,伴隨腐蝕產(chǎn)物的形成其間電阻也逐步增大,在集膚效應(yīng)伴熱系統(tǒng)正常運行的以及土壤腐蝕存在的條件下,銅制導(dǎo)線將穿過土壤腐蝕造成的銹蝕層對 20#鋼的伴熱管進行高壓放電,造成20#鋼伴熱管的腐蝕更加嚴重[7]。

通過以上的實驗分析，在工況情況下集膚效應(yīng)伴熱管 20#鋼的腐蝕最為嚴重，而銅導(dǎo)線由于本身在土壤的腐蝕中比較耐腐蝕并且陰極保護作用的情況下腐蝕情況更加不明顯，所以伴熱管線的研究重點應(yīng)該是20#鋼所制的伴熱管。

1.3.2 在常溫下土壤含水量的不同對土壤腐蝕性的影響

土壤濕度的變化導(dǎo)致了土壤腐蝕行為在電化學(xué)方面的表現(xiàn)不盡相同。圖2為土壤所處環(huán)境溫度為26 ℃的時候，伴熱管在含水量分別為10%、20% 和30%的土壤中連續(xù)的腐蝕 1, 10, 20, 30 d后的極化曲線。

2 實驗結(jié)論分析

當土壤處于 26 ℃的環(huán)境時，在土壤含水量低的情況下（10% WHC和20% WHC）的伴熱管極化曲線顯示對應(yīng)腐蝕時間的增加，自腐蝕電位以及腐蝕電流密度都有其變化的趨勢。當土壤含水量低的時候，在測試的第一天極化曲線上顯示的自腐蝕電位比其后任何連續(xù)測試的時候的自腐蝕電位都要小。 在土壤含水量為20%的情況下第1天，第10 天以及第 20 天時極化曲線圖譜大體一致，但是當?shù)竭_第 30 天時20% WHC的極化曲線上顯示的自腐蝕電位發(fā)生了明顯的變大情況。在土壤含水量為10%的情況下極化曲線隨著腐蝕時間的延長在任何連續(xù)測試的時間點上都有明顯的變化。當土壤的含水量低的情況下連續(xù)的腐蝕時間的延長，在金屬表面接觸的土壤中的水含量逐步地減少。土壤的腐蝕性位于土壤中水含量的關(guān)系密切，在土壤中的一部分水分不能夠與二價鐵離子形成水合物的時候，伴熱管在土壤中腐蝕時間的延長使得可形成水合物的水分愈來愈少，金屬的腐蝕有所減弱低，在極化圖中顯示為自腐蝕電位的上升。

在含水量低的土壤中其腐蝕電流密度也發(fā)生了相應(yīng)的變化，實驗所用腐蝕時間的增加使得腐蝕電流密度與自腐蝕電位的發(fā)展呈現(xiàn)出相應(yīng)的關(guān)系，即腐蝕電流密度逐步減小。這樣的結(jié)果是由于在土壤含水量低的情況下，土壤中氧的輸送難度小，并且土壤所在的環(huán)境溫度并不高，所以土壤的腐蝕行為也不嚴重，土壤中的氧含量能夠適應(yīng)氧的去極化過程的需要，其顯示為腐蝕電流密度并不是很大。

金屬在放入土壤之前都經(jīng)過了打磨和拋光其表面很光滑，伴隨著腐蝕時間的延長，金屬的表面發(fā)生了銹蝕，由于金屬表面產(chǎn)生了缺陷在隨后的腐蝕中腐蝕速率逐步增大。由于腐蝕時間的延長金屬表面的腐蝕產(chǎn)物也開始響應(yīng)的變多變厚，同時這些銹蝕深深嵌入了金屬表面，這些腐蝕產(chǎn)物反過來對金屬又起到了保護的作用，使得土壤的腐蝕性有所減緩。腐蝕產(chǎn)物的形成對金屬有這看似矛盾的情況，在腐蝕開始階段其對金屬有破壞的作用，但隨著腐蝕時間的延長又對金屬起了保護的作用。在土壤含水量較高的情況下金屬在測試的第1天，第10天以及第20天后的極化圖譜大體一致，而到了第30天后極化圖中的自腐蝕電位產(chǎn)生了比較明顯的變化。腐蝕時間的延長使得高含水量的土壤的自腐蝕電位隨著時間的增加而變小，腐蝕電流密度同樣也是開始變大。在土壤含水量高的情況下，即便是實驗所用腐蝕時間的增加會使得土壤中原來的含氧量有所下降，但是由于土壤中的水含量高溶解氧的能力強，氧的去極化過程同樣有足夠的氧氣參加，在極化圖中的表現(xiàn)為金屬試樣的自腐蝕電位持續(xù)下降。

3 結(jié)束語

通過電化學(xué)測試中的極化曲線圖和自腐蝕電位的比較、交流阻抗圖以及電荷轉(zhuǎn)移電阻的比較，能夠發(fā)現(xiàn)伴熱管在土壤溶液中的腐蝕最為嚴重，伴熱導(dǎo)線的腐蝕情況最輕。并且由于電偶腐蝕的存在伴熱管的腐蝕變的更加的嚴重。

土壤環(huán)境不變的情況下：20% WHC﹥30%WHC﹥10%WHC

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