氯离子浓度对土壤腐蚀速率的影响.doc

氯离子浓度对土壤腐蚀速率的影响

杜新燕1 秦风1 黄淑菊2 武博2 张建勋2 郭彦龙3 李明军3 张飞豹1
（1．克拉玛依市科比技术有限责任公司 新疆 834003；2．西安交通大学材料科学与工程学院 西安 710049；3．西安市气象局 西安 710015）
摘要 在含4种Cl－离子浓度的弱碱性中壤褐土中埋20#钢试样，经过2个月试验后，失重法测试样
平均蚀速率和局部腐蚀扩展速率，结果表明，随着土壤中Cl－离子浓度提高，腐蚀腐蚀速率增加，并且
Cl－离子浓度对局部腐蚀扩展速率的促进作用明显高于平均腐蚀速率。其中的两种Cl－离子浓度的埋样
试样再经过4个月、6个月和8个月试验，仍显示上述规律。另外，本文结合中性和碱性土壤的腐蚀过
程，讨论了Cl－离子浓度对中性和碱性土壤腐蚀速率影响的一般趋势。
关键词：20＃钢；土壤腐蚀速率；Cl－离子浓度
中国分类号：TG172.4
Influence of Cl－ Concentration in soil on the corrosion rate
Abstract: The 20＃steel samples,which were buried in four different Cl－ Concentrations Alkaline soil for two months, were test by the weight method to get the unifom and the local corrosion rate. The result shows that the rate increases with the increasing Cl－ Concentration and Cl－ Concentration has more influence on the local corrosion rate than the uniform corrosion rate. The samples of the two among the four different Cl－ Concentrations duried for four,six,eight months again, also show the same result. Additionally,this paper studies  the general trend of the Cl－ concentration on the corrosion rate of the soil of Neutral and Alkaline soil.
Key Word: 20# steel; corrosion rate of the soil; Cl－Concentration
1． 引言
油气集输管道通常埋在土壤中，可能发生土壤腐蚀。由于土壤具有多相性和不均匀性，并且具有微孔可以渗透水份和气体，所以土壤腐蚀的主要隐患是由孔蚀、溃疡腐蚀等局部腐蚀引起的油、气、水的跑、冒、漏、爆等事故[1-2]，即土壤中局部腐蚀速率的研究更具有实用价值。
土壤含离子的类型和数量是影响土壤腐蚀性的重要因素之一，多数试验结果支持在各类离子之中，以Cl－离子的影响最为重要[3-4]，也有关于Cl－离子和离子对土壤腐蚀速率相近的看法[5]。另外目前关于Cl－离子浓度对土壤腐蚀影响的研究侧重于平均腐蚀速率，而工程界更关心的是局部腐蚀扩展速率，所以本文测试了Cl－离子浓度对平均腐蚀速率和局部腐蚀扩展速率的影响，并对Cl－离子浓度对两种腐蚀速率的影响进行了比较。
关于Cl－离子对土壤腐蚀影响的多数研究结果是在Cl－离子不是很高的条件下得到的，可是有的地方，例如新疆的哈密、鄯善等地，土壤中含水量很少，而相对Cl－离子含量较高。为了更加全面的认识Cl－离子浓度对土壤腐蚀的影响，本文依据中性和碱性土壤腐蚀的电化学过程，分析讨论了Cl－离子浓度影响腐蚀速率的一般趋势。
2．试验方法和条件
单井、支线等油气田集输管道通常以20＃钢钢管制造，所以选用直径为25.4mm的20＃无缝钢管为试验材料。考察局部蚀坑情况的试样长度为80mm（大试样）测试腐蚀速率的试样长度为15mm（小试样），每种Cl－离子浓度的试验选用大小各3个试样。试样经过150＃～400＃砂纸擦磨，小试样在分析天平称重后，埋在弱碱性中壤褐土的西安气象站院内空地土壤里。
西安气象站院内空地土壤的理化性能示于表1，土壤的母质和质地属于沉积物和中壤土。在这种土壤中再添加NaCl，调成含Cl－离子浓度分别是0.055％、0.196％和0.365％的另外3种土壤。以透气、透水的玻璃丝编制袋分装这3种土壤，埋好试样，然后埋入地下，4种Cl－离子浓度土壤中的试样距离地表的深度均为1米。
表1 西安气象站院内土壤的理化性质
土壤属性 土壤类型 土壤均一性 含水量,% 最小电阻率,Ω•m pH值 Cl－,% ,% 全盐量,% 有机质,%
中壤土 褐土 均匀 12.70 27.1 8.2 0.0351 0.0451 0.1741 0.74

图1 蚀坑测试装置示意图
试样经过2个月、4个月、6个月和8个月的持续腐蚀试验后，从
土壤中取出，先以自来水中冲洗除泥，然后按照GB/T16545－1996国
标的规定，在除膜液（组成为：500ml盐酸+3.5g六次甲基四胺+1000ml
）中除锈，干燥。测试速率的试样以分析天平称重，以失重法确定腐蚀
速率。蚀坑扩展深度的测量在图1所示的装置上进行。
3．试验结果

Cl－离子浓度＝0.055％ Cl－离子浓度＝0.365％
图2 两种Cl－离子浓度下的腐蚀形貌
（1）Cl－离子浓度对腐蚀速率影响
埋在含四种Cl－离子浓度土壤中的腐蚀形貌主要呈现的是溃疡腐蚀，见图2。经过2个月实验后，4种Cl－离子下的腐蚀速率的测试结果示于表2，表中的υp指在溃疡处测得的最深蚀坑的扩展速率，所以本文以下称蚀坑扩展速率。经过2个月～8个月试验后的腐蚀速率示于表3。由图表显示的结果看出，随着Cl－离子浓度的提高，腐蚀程度增加。
表2 四种Cl－离子浓度下的平均腐蚀速率和蚀坑扩展速率（2个月）
Cl－离子浓度，％ 0.035 0.055 0.195 0.365
υm，mm/a 或 g/dm2·a 0.077或5. 903 0.092或7.041 0.149或11.490 0.168或12.905
υp，mm/a 0.618 0.708 0.834 0.960
表3 四种Cl－离子浓度下的平均腐蚀速率和蚀坑扩展速率（4个月～8个月）
试验时间，月 4 6 8
υm或υp ，mm/a（Cl－离子浓度为0.035％） 0.051或0.423 0.058或0.350 0.057或0.347
υm或υp，mm/a （Cl－离子浓度为0.196％） 0.129或0.630 0.125或0.512 0.111或0.515
4．讨论
（1）腐蚀速率与Cl－离子浓度的关系
Cl－离子浓度为0.035％和0.196％的腐蚀速率与试验时间的关系示于图3，由图看出Cl－离子浓度为0.196％的腐蚀速率总是高于Cl－离子浓度为0.035％的。并且Cl－离子浓度对蚀坑扩展速率的影响程度大于对平均腐蚀速率的影响程度。另外，在选定的试验时间内，腐蚀速率随着时间的延长而减少，但是平均速率的变化比较平缓，而蚀坑扩展速率的变化幅度较大。可是当试验时间大于6个月后，蚀坑扩展速率的变化也趋于平缓。
图3 平均腐蚀速率与试验时间关系
B，D为Cl－离子浓度＝0.035％；B、C为υm；D、E为υp；
C、E为Cl－离子浓度为＝0.196％。

时间，月
腐蚀速率mm/a

为了探讨腐蚀速率随Cl－离子浓度变化的趋势，将Cl－离子浓度和腐蚀速率作图，见图4。由图看出腐蚀速率与Cl－离子浓度的关系曲线呈现指数方程，如式（1）。式中的k和n是与土壤理化性能有关
的常数。对于20＃钢，在具有表1类似理化性能的土壤中，平均腐蚀速率的k和n分别是0.22和0.28，而蚀坑扩展速率的k和n分别是1.20和0.20。
（1）
式中，υ－腐蚀速率，mm/a；
c－Cl－离 子浓度，％。
Cl－离子浓度，％

图3 蚀坑扩展速率与Cl－离子浓度的关系
B、C为υm；D、E为υp；
B、D为实验点；C、E为拟合曲线。

腐蚀速率。mm/a

○
○
○
○
○
○
○
○
○
○

○
由我们的试验结果看出，腐蚀速率随Cl－离子浓度的增加呈现指数关系增长。这是在土壤的含水量12.7％，含量为0.0451％，全盐量为0.1741％，最高Cl－离子浓度小于2.87％（占含水量12.7％）的条件下得到的。基于下面的原因，Cl－离子浓度对土壤平均腐蚀速率的影响不是单调趋势，即，当中性或碱性土壤中的钢制管道发生电化学腐蚀时，氧是主要的去极化剂氧在水中的溶解度受到Cl－离子浓度、可溶性盐总量的影响。关于Cl－离子浓度对水中氧含量及腐蚀速率影响的研究表明，在水溶液中NaCl的含量小于约10％（Cl－离子浓度约6％）之前，水溶液中的含氧量基本不变，钢的腐蚀速率随NaCl含量的增加而提高。但是当水溶液中NaCl的含量大于约10％后，水溶液中的含氧量随Cl－离子浓度增加而下降，钢的腐蚀速率也随之下降[6]。另外，土壤中的水不仅含Cl－离子，还含其它离子，它们也能降低氧的含量，所以在考虑土壤中Cl－离子浓度对腐蚀速率的影响时，还要考虑到土壤中的含水量及其它离子的含量。
（2）电阻率对土壤腐蚀性评定的局限性
文献[7]以土壤的pH值和电阻率预测钢在土壤中的平均腐蚀速率和蚀坑扩展速率。电阻率能反应土壤中的离子对去极化剂迁移速率的总体影响，但是不能全面的反应对蚀坑扩展有重要影响的Cl－离子的作用。一方面，由于Cl－离子的直径小、极易穿透氧化膜，是孔蚀的诱发剂。另一方面，蚀坑中的Cl－离子具有“自催化酸化作用”[8]，使坑内金属活化溶解，这也解释了在本文的试验条件下，Cl－离子加速蚀坑扩展速率的作用明显的高于加速平均速率的作用。由于孔蚀等局部腐蚀是埋地集输管道的主要腐蚀失效形式，所以Cl－离子等离子对土壤腐蚀的影响不能完全由pH值和电阻率来预测。
5．结论
由上述的测试结果和分析讨论，可得如下的结论。
（1） Cl－离子影响钢的土壤腐蚀速率，并且对局部腐蚀速率的影响大于对平均腐蚀速率的的影响；
（2） Cl－离子浓度在一定范围内，能加速钢在土壤中的腐蚀速率，腐蚀速率与Cl－离子浓度呈现指数关系。但是高于临界浓度后，降低钢在土壤中的腐蚀速率。该临界浓度受到土壤的含水量，可溶性盐含量和土壤孔隙度等的影响；
（3） 随着试样埋地时间增长，平均腐蚀速率平缓的下降，而蚀坑扩展速率初期下降速率较快，当试验时间大于6个月后，速率的变化也很平缓。
参 考 文 献
[1] 卢绮霞等，石油工业中的腐蚀与防护，化学工业出版社，2001，p.27
[2] 李岩,屈祖玉,罗德贵,李晓刚 埋地管线腐蚀失效案例库设计与研究 腐蚀与防护，2004，Vol.25 No.12- p.541～543
[3] 范 强 李永杰 梅云新,秦京线输油管道土壤腐蚀的模糊综合评判,内蒙古石油化工,2009 年第13 期 p.22～24
[4] 王凯全 张 弛,埋地钢质管道土壤腐蚀因子分析,油　气　储　运，2009年，Vol.28, No.6 ,p.52～55
[5] 王世伟 李 瑛 王林山 土壤中侵蚀性离子对X70钢的侵蚀作用研究 腐蚀科学与防护技术 2005 Vol.17 No.2 p.98~100,124
[6] 刘道新等，材料的腐蚀与防护，西北工业大学出版社，2006，p.232
[7] R•温斯顿•里维著，尤利格腐蚀手册Uhlig’Corrosion Handbook （Second Edition）（原著第二版）杨武等译 化学工业出版社 2005 p.409
[8] 黄淑菊，金属腐蚀与防护，西安交通大学出版社，1988，p.98
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