劉龍真

北京天然氣管道有限公司陜西輸氣管理處

摘要：為研究站場內壓縮機作業區的高溫環境對埋地管線鋼的腐蝕影響，分別選取壓縮機出口空冷器前的高溫管段、出口空冷器后的中溫管段和進口常溫管段埋設試片。取出試片后進行腐蝕形貌觀察、腐蝕失重分析和腐蝕產物XRD測試分析。結果表明：試片在中溫環境下腐蝕速率為0.85 mm/y，達到峰值；高溫和常溫環境的腐蝕速率分別為0.70 mm/y和0.13 mm/y。在高溫環境下腐蝕產物完全覆蓋在試片表面時，與試片結合較好，腐蝕微電池數量減少，腐蝕速率降低。

關鍵詞：溫度；X70管線鋼；  腐蝕速率； 腐蝕形貌

 

油氣管道在運行中，不可避免會因環境因素導致管道腐蝕，如雜散電流腐蝕[1-2]、土壤腐蝕[3]等。對于站場內壓縮機附近的管段，由于經過壓縮的天然氣是熱的，在沿管線向下移動的過程中逐漸變冷，土壤為電解質，管道成為連接通路，熱管道將會發生嚴重腐蝕，也即高溫腐蝕。目前，針對壓縮機附近高溫管段的具體腐蝕行為尚不清楚，因此展開相關研究工作具有實際意義。

溫度是鋼腐蝕的重要影響因素之一，許多研究者對鋼在不同溫度下的腐蝕行為進行了研究。如楊旭等[4]研究了遼河油田土壤溫度對管線鋼的腐蝕行為影響，結果表明在0℃到45℃范圍內，管線鋼的腐蝕行為由鈍化型腐蝕轉化為活性溶解控制。柴峰等[5]通過實驗室模擬研究環境溫度對船用耐蝕鋼的腐蝕行為影響，結果表明在30℃至50℃范圍內，點蝕坑數量增多，45℃時達到最大值。任遠輝等[6]通過極化曲線和阻抗等研究溫度對土壤中鋼的腐蝕行為影響，結果表明75℃時的腐蝕速率是25℃的8倍多。目前所有研究結果均是在土壤模擬液中的腐蝕行為，筆者通過某站場壓縮機作業區不同溫度區域管道現場埋片，對試片腐蝕速率、腐蝕形貌和腐蝕產物進行分析，驗證了高溫環境下X70管線鋼在土壤中的腐蝕機理。

1  研究方法

1.1  現場埋片位置和土壤環境

現場埋片所用材質為X70管線鋼，分別埋于壓縮機出口管段空冷器前（85～110℃）、壓縮機出口管段空冷器后（40～70℃）和壓縮機進口管段處（10～30℃，）；為確定腐蝕速率重現性，每個位置分別埋設5個表面積為6.5 cm2的平行樣片，試片距離管道3 cm。

現場埋片位置的土壤理化性能如表 1所示，土壤中含有少量的Cl-和SO42-，含水率為13.9%。

1.2  形貌觀察和失重測試

現場試片埋設時間為6個月，取出試片后，在實驗室先后將其進行物理清理和化學酸洗。前者將試片表面沉積的泥土和沙子清除，即在水中浸泡10 min左右，用毛刷清除掉表面的土壤覆蓋層，觀察表面腐蝕產物顏色。后者是將拍照后的試片放入酸洗液（500 mL鹽酸，3.5 g六次甲基四胺，加蒸餾水配制成1000 mL）中，其作用是清除掉表面的腐蝕銹層，便于觀察腐蝕形貌和試片稱重。隨后，分別將高溫區和中溫區試片的腐蝕產物進行XRD成分分析。   

2  結果分析與討論

2.1  腐蝕產物形貌分析

圖 1為X70管線鋼試片在不同溫度區埋設6個月的宏觀形貌和清除腐蝕產物后的宏觀形貌圖。可以看出，試片在高溫（a）和中溫（b）環境中，腐蝕產物呈現紅褐色，腐蝕產物較厚。對腐蝕產物進行分析時，發現高溫區的腐蝕產物分為內外兩層，外層疏松，用手輕敲易碎，內層致密，與金屬基體結合較好。常溫區腐蝕產物銹層較薄（c），即使表面有腐蝕出現，也能明顯看到有金屬基體存在。同時，從化學酸洗后的腐蝕形貌可以看出，高溫（d）和中溫（e）試片表面出現了大量的腐蝕坑，金屬基體減薄現象明顯，處于常溫區（f）的試片邊緣部分仍保留著金屬光澤，試片中心位置僅有少量腐蝕減薄現象。

圖 1 不同溫度區的試片腐蝕形貌

2.2  腐蝕失重分析

圖 2所示為不同溫度區埋設6個月后的試片腐蝕速率，其中高溫和中溫環境下分別為0.70 mm/y和0.85 mm/y，而常溫下的腐蝕速率比較低，為0.129 mm/y。如表 1所示土壤中含有少量的腐蝕性離子，且管道長期處于較高溫度環境內，其腐蝕速率較快。文獻[7]研究鋼在不同溫度下的腐蝕極化曲線，結果表明在55℃時自腐蝕電流密度呈現最大值。根據法拉第定律，可以確定，55℃時鋼的腐蝕性達到最大值。而據文獻阻抗測試結果也表明，55℃時溶液電阻和電荷傳遞電阻最小，綜合結果表明55℃時鋼腐蝕速率最大。本研究結果表明，中溫區管道溫度介于40℃至70℃之間，管道腐蝕速率呈現最大值，而在高溫區腐蝕速率降低，與文獻結果一致。

圖 2 不同溫度區的試片腐蝕形貌

2.3  XRD分析

XRD分析針對高溫和中溫環境的腐蝕產物進行，結果如圖 3所示。試片表面有大量SiO2，這是與腐蝕產物結合較緊密的土壤主要成分；腐蝕產物還含有FeOOH、 Fe3O4、Fe2O3和FeOCl。表 1所示土壤環境為弱堿性，在酸性不很強時，H+的去極化作用不是很明顯，所以管線鋼的陰極主要是氧的去極化反應，而管線鋼則作為陽極被腐蝕，土壤腐蝕電池的腐蝕電流不斷從陰極區通過土壤進入陽極區，使碳鋼發生腐蝕[8]。

圖 3 高溫和低溫環境下腐蝕產物XRD分析結果

2.4  溫度影響腐蝕機理分析

X70管線鋼隨著運行溫度升高，在土壤中腐蝕速度加快，金屬與土壤接觸面產生一定的腐蝕產物，這個過程可分為三步：①腐蝕介質在溫度和擴散作用下向界面遷移；②在界面發生反應；③在界面生成腐蝕產物膜。

反應過程為：Fe-2e- →Fe2+ ；O2+2H2O→4OH-。

在長期高溫和中溫環境下，導致試片周圍所處土壤電解質的不均勻性使金屬表面缺氧，在金屬界面的Fe陽極溶解產生過多的Fe2+，Fe2+在含水率較低的土壤中促使產生H+，此時，土壤中的腐蝕性離子如Cl-或SO42-等陰離子內遷，H+和Cl-的聚集促進金屬溶解，而金屬離子的溶解反過來又會促使H+和Cl-濃度增大，形成了閉塞電池的自催化反應，成為影響腐蝕的最主要因素之一[9,10]。

另外，高溫環境試片表面先覆蓋一層腐蝕產物，若腐蝕產物層未達到100%覆蓋，試片表面仍然存在腐蝕微電池，腐蝕驅動力會增強；當試片表面完全被腐蝕產物覆蓋時，較厚且較為致密的腐蝕產物與金屬基體結合較好，腐蝕微電池數量則減少，此時腐蝕會減慢。

3  結論

（1）在現場不同溫度環境下埋設試片6個月后，X70管線鋼腐蝕速率分別為常溫0.129 mm/y，中溫0.85 mm/y，高溫0.70 mm/y，中溫環境腐蝕速率最高。

（2）常溫環境下試片表面腐蝕產物較少，中溫環境和高溫環境下試片表面呈現出較厚的紅褐色腐蝕產物。

（3）高溫環境下，金屬腐蝕產物與試片表面結合較好，試片完全被腐蝕層覆蓋時，腐蝕微電池減少，腐蝕速率降低。

 

參考文獻：

[1]張玉星，杜艷霞，路民旭. 動態直流雜散電流干擾下埋地管道的腐蝕行為[J]. 腐蝕與防護，2013，34(9)：771-774.

[2]金醒群. 地鐵雜散電流對埋地鋼質燃氣管道的腐蝕[J]. 煤氣與熱力，2012，32(3)：31-34.

[3]李興濂，王光雍，孫嘉瑞，等. 三峽地區材料33年土壤腐蝕行為研究[J].腐蝕科學與防護技術，1995，7(1)：1-9.

[4]楊旭，吳明，謝飛，等. 遼河油田土壤中溫度對高強度管線鋼腐蝕行為的影響[J].材料保護，2016，49(9)：74-77.

[5]李灝，柴鋒，何宜柱，等. 環境溫度對船用耐蝕鋼腐蝕行為的影響[J]. 鋼鐵，2013，48(8)：65-69.

[6]伍遠輝，羅宿星，王圣蜜，等. 溫度對土壤中碳鋼腐蝕行為的影響[J].腐蝕與防護，2011，32(7)：513-516.

[7]徐士祺. 溫度對油田注水管道內電化學腐蝕的影響[J]. 腐蝕與防護，2015，36(3)：226-229.

[8]金名惠，孟廈蘭，馮國強，等. 碳鋼在我國四種土壤中腐蝕機理的研究[C].面向21世紀的科技進步與社會經濟發展，1999.

[9]郭昊，杜翠薇，李曉剛，等. 在NaHCO3溶液中X70鋼的模擬縫隙腐蝕機理研究[J].腐蝕科學與防護技術，2008，20(5)：336-339.

[10]何業東，齊慧濱. 材料腐蝕與防護概論[M].機械工業出版社，2005.

 

作者簡介：劉龍真，1982年生，北京天然氣管道有限公司陜西輸氣管理處管道科工程師，從事油氣儲運工作13年，現主要從事天然氣管道防腐工作。聯系方式：15619932173，liulongzhen@163.com。