王宏新

北京安科腐蝕技術(shù)有限公司

摘要：鹽堿地具有高pH值與高鹽分含量的雙重特征，這種土壤環(huán)境可能導(dǎo)致埋設(shè)于其中的管道面臨嚴(yán)重的腐蝕威脅。本文對鹽堿地土樣和非鹽堿地的對照土樣進行了理化成分分析，通過室內(nèi)模擬實驗考察了X65管線鋼在兩種土壤中的腐蝕形貌和腐蝕速率。與此同時，在現(xiàn)場鹽堿地土壤埋設(shè)了ER腐蝕速率探頭，將其與實驗室試片腐蝕速率結(jié)果進行了對比。結(jié)果表明，鹽堿地土壤會加速埋地管線鋼的腐蝕。通過進一步探討腐蝕機理，為鹽堿地土壤中的管道腐蝕防護工作提供理論依據(jù)與實踐指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：鹽堿地； 埋地管道；X65管線鋼；腐蝕速率

鹽堿地具有高pH值與高鹽分含量的雙重屬性，對于未施加陰極保護或者陰極保護失效的埋地管道，因防腐層破損點與土壤接觸而形成腐蝕高風(fēng)險區(qū)，會加速管道金屬材料的腐蝕，導(dǎo)致管壁減薄、點蝕甚至穿孔風(fēng)險劇增[1]。據(jù)統(tǒng)計，我國西北及沿海鹽堿區(qū)域近40%的管道失效事故與土壤腐蝕直接相關(guān)，造成較大的經(jīng)濟損失，并伴隨泄漏引發(fā)的嚴(yán)重生態(tài)環(huán)境污染[2-3]。研究鹽堿地土壤對埋地管道金屬材料的腐蝕機理，建立陰極保護系統(tǒng)失效情況下管道腐蝕預(yù)測與防護體系，是保障管道安全運行的核心課題。當(dāng)前關(guān)于鹽堿地土壤腐蝕性的研究，多依賴于實驗室條件下的土壤模擬液進行模擬分析[4-6]，在一定程度上揭示了土壤腐蝕的機理，但相較于真實、復(fù)雜的土壤環(huán)境而言，其局限性仍不容忽視。本文對鹽堿地土樣和非鹽堿地對照土樣進行了理化成分分析，通過室內(nèi)模擬實驗考察了X65管線鋼在兩種土壤中的腐蝕形貌和腐蝕速率。與此同時，在現(xiàn)場鹽堿地土壤埋設(shè)了ER腐蝕速率探頭，并將其與實驗室得到的試片腐蝕速率進行了對比。研究結(jié)果可為鹽堿地土壤中管道的腐蝕防護工作提供指導(dǎo)。

1  研究方法

1.1  試驗材料與介質(zhì)

選用材質(zhì)為X65管線鋼，裸露面積為6.5 cm2的圓形試片， 其主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)％）為: C 0.03，Si 0.17，Mn 1.51，P 0.024，Ni 0.17，Cu 0.04，Mo 0.16等。取某鹽堿地現(xiàn)場土壤樣品，以北京市昌平區(qū)非鹽堿地土壤為對照試樣，于實驗室進行理化性能測試（表 1）。表明鹽堿地土樣的HCO3-、 Cl-、SO42-、pH明顯高于對照土樣；兩種土壤成分可以代表典型鹽堿地和非鹽堿地土壤條件。

表 1 試樣土壤成分測試結(jié)果

1.2  實驗設(shè)計和現(xiàn)場布置

實驗設(shè)計土壤箱尺寸為1 m×0.8 m（圖 1），依次在鹽堿地和非鹽堿地兩種土樣中布設(shè)6個6.5 cm2的試片，埋設(shè)時間8個月，自2024年3月30日至2024年11月30日。屆時取出試片在實驗室進行腐蝕失重分析。

圖 1 實驗設(shè)計和裝置

在上述鹽堿地現(xiàn)場土壤環(huán)境中埋設(shè)ER腐蝕速率探頭（厚度為500 μm），與鹽堿地的金屬管道同埋深，將ER腐蝕速率采集儀放置于測試樁內(nèi)，探頭和采集儀通過測試樁面板連線（圖 2）；通過陰極保護管理平臺設(shè)置探頭的采樣周期，遠程實時監(jiān)測探頭的壁厚減薄情況，通過平臺自動繪制一段時間內(nèi)探頭的壁厚減薄變化曲線，將壁厚減薄折算為年腐蝕速率；并與實驗室埋設(shè)試片的腐蝕速率進行比對分析。

圖 2 ER腐蝕速率探頭和現(xiàn)場安裝圖

1.3  形貌觀察和失重測試

試片埋設(shè)8個月后取出，在實驗室對試片分別進行物理清洗和化學(xué)酸洗。前者是將試片在水中浸泡10 min左右，用毛刷清除掉表面沉積的泥土和沙子，觀察表面腐蝕產(chǎn)物顏色。后者是將物理清洗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，清除掉表面的腐蝕銹層，便于觀察腐蝕形貌并對試片進行失重分析。采用0.1 mg的分析天平對試片稱重，腐蝕速率計算公式為：

ν＝8.76 ×107×（W1－W2－W3）/ ρST   （1）

式中， ν為腐蝕速率，mm/y；W1為實驗前試片質(zhì)量，g；W2為實驗除銹后試片質(zhì)量，g；W3為空白失重樣，g。ρ為鐵的密度，kg/m3，S為試片面積，cm2；T為腐蝕時間，h。

2  結(jié)果分析與討論

2.1  腐蝕形貌分析

觀察物理清洗后（圖 3）和化學(xué)酸洗后（圖 4）的試片表面形貌，鹽堿地土壤腐蝕試片表面整體失去金屬光澤，呈現(xiàn)顯著的非均勻腐蝕特征，覆蓋黃褐色較厚的腐蝕產(chǎn)物層，大部分與金屬基體結(jié)合較為緊密，局部區(qū)域因產(chǎn)物剝落暴露出灰黑色基體。經(jīng)酸洗后，試片出現(xiàn)了大面積的金屬基體減薄，呈連續(xù)的坑狀（圖 4）。非鹽堿地對照樣腐蝕試片表面腐蝕產(chǎn)物較薄，局部區(qū)域能明顯看到裸露的金屬基體。經(jīng)酸洗后，試片表面局部出現(xiàn)很淺的腐蝕減薄，大部分保留了金屬基體的形貌。綜合對比可知，鹽堿地土壤明顯導(dǎo)致金屬腐蝕。

圖 3 物理清洗后的試片宏觀形貌

圖 4 化學(xué)酸洗后的試片宏觀形貌

2.2  腐蝕速率

結(jié)合試片在鹽堿地和非鹽堿地試樣埋設(shè)8個月后的腐蝕速率（圖 5），采用失重法計算6個平行試片的腐蝕速率，鹽堿地為0.578 mm/y，非鹽堿地僅為0.236 mm/y。結(jié)果與圖 3和圖 4的腐蝕形貌分別對應(yīng)，鹽堿地試片物理清理后的表面腐蝕產(chǎn)物較厚、易脫落，經(jīng)化學(xué)酸洗后的金屬基體表面呈現(xiàn)出明顯的基體減薄，腐蝕較為嚴(yán)重，對應(yīng)的腐蝕速率明顯很高。與之不同的是，非鹽堿地試片經(jīng)物理清洗和化學(xué)酸洗后僅局部出現(xiàn)了疏松的腐蝕產(chǎn)物膜，除試片邊緣外，依然保持了埋設(shè)前金屬基體的形貌，腐蝕速率較低。根據(jù)SY/T 0029―2024《埋地鋼制檢查片應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》，在沒有陰極保護時，試片在非鹽堿地土壤的自腐蝕速率處于0.04 mm/y～0.30 mm/y標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間，而相同條件下鹽堿地土壤的自腐蝕速率大于0.30 mm/y；這種腐蝕速率差異進一步表明鹽堿地的特殊土壤成分會加速埋地金屬管道的腐蝕。

圖 5 鹽堿地和非鹽堿地對照土樣的腐蝕速率

為進一步確定實際腐蝕情況，于2024年7月1日在鹽堿地現(xiàn)場埋設(shè)ER腐蝕速率探頭，至2025年3月13日，8個多月探頭壁厚由最初的499.06μm減薄至19.75μm，陰極保護管理平臺根據(jù)壁厚減薄自動折算的腐蝕速率為0.688 mm/y（圖 6），與實驗室采用失重法計算的0.578 mm/y相差0.110 mm/y，誤差為15.9%�？紤]到現(xiàn)場實際的鹽堿地土壤環(huán)境，經(jīng)歷了大自然春夏秋冬和干濕交替，與實驗室的鹽堿地土樣條件及成分可能不完全一致，由此會呈現(xiàn)腐蝕速率偏差。但探頭壁厚減薄與試片失重兩者均表明鹽堿地對金屬的腐蝕性較強，若埋地金屬管道沒有采取合理的防護措施，以大于0.5 mm/y的腐蝕速率計，在管道的設(shè)計壽命內(nèi)，鹽堿地土壤會大大加速管道腐蝕泄漏風(fēng)險。

圖 6 鹽堿地現(xiàn)場ER腐蝕探頭剩余壁厚變化趨勢

2.3  鹽堿地土壤對金屬的腐蝕機理分析

表 1表明，鹽堿地具有高氯離子、高硫酸根離子含量，高鹽特征會顯著提升土樣的電導(dǎo)率，加速金屬的電化學(xué)腐蝕過程。圖 3和圖 4的試片表面形貌表明，鹽堿地土壤腐蝕后試片表面腐蝕產(chǎn)物明顯增多，且與金屬基體結(jié)合差，清除腐蝕產(chǎn)物后呈現(xiàn)出明顯的壁厚減薄，這是由于金屬表面的陽極氧化反應(yīng)生成了鐵離子，與陰極還原反應(yīng)產(chǎn)生的氫氧根離子結(jié)合生成腐蝕產(chǎn)物，而鹽堿地的高pH雖然會抑制金屬的均勻腐蝕，但是氯離子具有很強的穿透性，可以破壞表面疏松的腐蝕產(chǎn)物，繼續(xù)沿著腐蝕產(chǎn)物的周圍加速金屬腐蝕，金屬表面的腐蝕微電池持續(xù)存在，進而在金屬表面形成了新的腐蝕產(chǎn)物，最終金屬表面將會完全被較厚的腐蝕產(chǎn)物覆蓋。清除腐蝕產(chǎn)物后，呈現(xiàn)出明顯的金屬基體減薄現(xiàn)象，表明鹽堿地的金屬腐蝕速率較高。

3  結(jié)論與建議

（1）鹽堿地土壤中金屬基體減薄較為明顯，其腐蝕速率達到非鹽堿地對照土樣的2.4倍。ER腐蝕速率探頭監(jiān)測的腐蝕速率與實驗室試片腐蝕速率接近，腐蝕速率顯著超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的自腐蝕速率臨界值0.3 mm/y，實測數(shù)據(jù)高達0.688 mm/y，超標(biāo)229%。

（2）從腐蝕機理分析可以看出，為了減緩鹽堿地金屬管道的腐蝕，除合理選材和增加防腐涂層外，還應(yīng)實施陰極保護，即外加電流或者犧牲陽極，向金屬注入電子，抑制對陽極鐵的腐蝕。管道施加陰極保護后應(yīng)監(jiān)測陰極保護的效果。建議同步安裝ER腐蝕速率探頭監(jiān)測裝置，評估其腐蝕速率減緩幅度。

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作者簡介：王宏新，1992年生，碩士學(xué)歷，高級工程師，研究方向為埋地管道腐蝕、陰極保護與雜散電流干擾等。聯(lián)系方式：18240128650；wanghx@ancorr.cn。