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管道研究

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压缩机作业区高温环境对埋地管线钢腐蚀影响研究

来源:《管道保护》2021年第2期 作者:刘龙真 时间:2021-4-26 阅读:

刘龙真

北京天然气管道有限公司陕西输气管理处


摘要:为研究站场内压缩机作业区的高温环境对埋地管线钢的腐蚀影响,分别选取压缩机出口空冷器前的高温管段、出口空冷器后的中温管段和进口常温管段埋设试片。取出试片后进行腐蚀形貌观察、腐蚀失重分析和腐蚀产物XRD测试分析。结果表明:试片在中温环境下腐蚀速率为0.85 mm/y,达到峰值;高温和常温环境的腐蚀速率分别为0.70 mm/y和0.13 mm/y。在高温环境下腐蚀产物完全覆盖在试片表面时,与试片结合较好,腐蚀微电池数量减少,腐蚀速率降低。

关键词:温度;X70管线钢;  腐蚀速率; 腐蚀形貌

 

油气管道在运行中,不可避免会因环境因素导致管道腐蚀,如杂散电流腐蚀[1-2]、土壤腐蚀[3]等。对于站场内压缩机附近的管段,由于经过压缩的天然气是热的,在沿管线向下移动的过程中逐渐变冷,土壤为电解质,管道成为连接通路,热管道将会发生严重腐蚀,也即高温腐蚀。目前,针对压缩机附近高温管段的具体腐蚀行为尚不清楚,因此展开相关研究工作具有实际意义。

温度是钢腐蚀的重要影响因素之一,许多研究者对钢在不同温度下的腐蚀行为进行了研究。如杨旭等[4]研究了辽河油田土壤温度对管线钢的腐蚀行为影响,结果表明在0℃到45℃范围内,管线钢的腐蚀行为由钝化型腐蚀转化为活性溶解控制。柴峰等[5]通过实验室模拟研究环境温度对船用耐蚀钢的腐蚀行为影响,结果表明在30℃至50℃范围内,点蚀坑数量增多,45℃时达到最大值。任远辉等[6]通过极化曲线和阻抗等研究温度对土壤中钢的腐蚀行为影响,结果表明75℃时的腐蚀速率是25℃的8倍多。目前所有研究结果均是在土壤模拟液中的腐蚀行为,笔者通过某站场压缩机作业区不同温度区域管道现场埋片,对试片腐蚀速率、腐蚀形貌和腐蚀产物进行分析,验证了高温环境下X70管线钢在土壤中的腐蚀机理。

1  研究方法

1.1  现场埋片位置和土壤环境

现场埋片所用材质为X70管线钢,分别埋于压缩机出口管段空冷器前(85~110℃)、压缩机出口管段空冷器后(40~70℃)和压缩机进口管段处(10~30℃,);为确定腐蚀速率重现性,每个位置分别埋设5个表面积为6.5 cm2的平行样片,试片距离管道3 cm。

现场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-,含水率为13.9%。




1.2  形貌观察和失重测试

现场试片埋设时间为6个月,取出试片后,在实验室先后将其进行物理清理和化学酸洗。前者将试片表面沉积的泥土和沙子清除,即在水中浸泡10 min左右,用毛刷清除掉表面的土壤覆盖层,观察表面腐蚀产物颜色。后者是将拍照后的试片放入酸洗液(500 mL盐酸,3.5 g六次甲基四胺,加蒸馏水配制成1000 mL)中,其作用是清除掉表面的腐蚀锈层,便于观察腐蚀形貌和试片称重。随后,分别将高温区和中温区试片的腐蚀产物进行XRD成分分析。   

2  结果分析与讨论

2.1  腐蚀产物形貌分析

图 1为X70管线钢试片在不同温度区埋设6个月的宏观形貌和清除腐蚀产物后的宏观形貌图。可以看出,试片在高温(a)和中温(b)环境中,腐蚀产物呈现红褐色,腐蚀产物较厚。对腐蚀产物进行分析时,发现高温区的腐蚀产物分为内外两层,外层疏松,用手轻敲易碎,内层致密,与金属基体结合较好。常温区腐蚀产物锈层较薄(c),即使表面有腐蚀出现,也能明显看到有金属基体存在。同时,从化学酸洗后的腐蚀形貌可以看出,高温(d)和中温(e)试片表面出现了大量的腐蚀坑,金属基体减薄现象明显,处于常温区(f)的试片边缘部分仍保留着金属光泽,试片中心位置仅有少量腐蚀减薄现象。



1 不同温度区的试片腐蚀形貌


2.2  腐蚀失重分析

图 2所示为不同温度区埋设6个月后的试片腐蚀速率,其中高温和中温环境下分别为0.70 mm/y和0.85 mm/y,而常温下的腐蚀速率比较低,为0.129 mm/y。如表 1所示土壤中含有少量的腐蚀性离子,且管道长期处于较高温度环境内,其腐蚀速率较快。文献[7]研究钢在不同温度下的腐蚀极化曲线,结果表明在55℃时自腐蚀电流密度呈现最大值。根据法拉第定律,可以确定,55℃时钢的腐蚀性达到最大值。而据文献阻抗测试结果也表明,55℃时溶液电阻和电荷传递电阻最小,综合结果表明55℃时钢腐蚀速率最大。本研究结果表明,中温区管道温度介于40℃至70℃之间,管道腐蚀速率呈现最大值,而在高温区腐蚀速率降低,与文献结果一致。



2 不同温度区的试片腐蚀形貌


2.3  XRD分析

XRD分析针对高温和中温环境的腐蚀产物进行,结果如图 3所示。试片表面有大量SiO2,这是与腐蚀产物结合较紧密的土壤主要成分;腐蚀产物还含有FeOOH、 Fe3O4、Fe2O3和FeOCl。表 1所示土壤环境为弱碱性,在酸性不很强时,H+的去极化作用不是很明显,所以管线钢的阴极主要是氧的去极化反应,而管线钢则作为阳极被腐蚀,土壤腐蚀电池的腐蚀电流不断从阴极区通过土壤进入阳极区,使碳钢发生腐蚀[8]。



3 高温和低温环境下腐蚀产物XRD分析结果


2.4  温度影响腐蚀机理分析

X70管线钢随着运行温度升高,在土壤中腐蚀速度加快,金属与土壤接触面产生一定的腐蚀产物,这个过程可分为三步:①腐蚀介质在温度和扩散作用下向界面迁移;②在界面发生反应;③在界面生成腐蚀产物膜。

反应过程为:Fe-2e- →Fe2+ ;O2+2H2O→4OH-。

在长期高温和中温环境下,导致试片周围所处土壤电解质的不均匀性使金属表面缺氧,在金属界面的Fe阳极溶解产生过多的Fe2+,Fe2+在含水率较低的土壤中促使产生H+,此时,土壤中的腐蚀性离子如Cl-或SO42-等阴离子内迁,H+和Cl-的聚集促进金属溶解,而金属离子的溶解反过来又会促使H+和Cl-浓度增大,形成了闭塞电池的自催化反应,成为影响腐蚀的最主要因素之一[9,10]。

另外,高温环境试片表面先覆盖一层腐蚀产物,若腐蚀产物层未达到100%覆盖,试片表面仍然存在腐蚀微电池,腐蚀驱动力会增强;当试片表面完全被腐蚀产物覆盖时,较厚且较为致密的腐蚀产物与金属基体结合较好,腐蚀微电池数量则减少,此时腐蚀会减慢。

3  结论

(1)在现场不同温度环境下埋设试片6个月后,X70管线钢腐蚀速率分别为常温0.129 mm/y,中温0.85 mm/y,高温0.70 mm/y,中温环境腐蚀速率最高。

(2)常温环境下试片表面腐蚀产物较少,中温环境和高温环境下试片表面呈现出较厚的红褐色腐蚀产物。

(3)高温环境下,金属腐蚀产物与试片表面结合较好,试片完全被腐蚀层覆盖时,腐蚀微电池减少,腐蚀速率降低。

 

参考文献:

[1]张玉星,杜艳霞,路民旭. 动态直流杂散电流干扰下埋地管道的腐蚀行为[J]. 腐蚀与防护,2013,34(9):771-774.

[2]金醒群. 地铁杂散电流对埋地钢质燃气管道的腐蚀[J]. 煤气与热力,2012,32(3):31-34.

[3]李兴濂,王光雍,孙嘉瑞,等. 三峡地区材料33年土壤腐蚀行为研究[J].腐蚀科学与防护技术,1995,7(1):1-9.

[4]杨旭,吴明,谢飞,等. 辽河油田土壤中温度对高强度管线钢腐蚀行为的影响[J].材料保护,2016,49(9):74-77.

[5]李灏,柴锋,何宜柱,等. 环境温度对船用耐蚀钢腐蚀行为的影响[J]. 钢铁,2013,48(8):65-69.

[6]伍远辉,罗宿星,王圣蜜,等. 温度对土壤中碳钢腐蚀行为的影响[J].腐蚀与防护,2011,32(7):513-516.

[7]徐士祺. 温度对油田注水管道内电化学腐蚀的影响[J]. 腐蚀与防护,2015,36(3):226-229.

[8]金名惠,孟厦兰,冯国强,等. 碳钢在我国四种土壤中腐蚀机理的研究[C].面向21世纪的科技进步与社会经济发展,1999.

[9]郭昊,杜翠薇,李晓刚,等. 在NaHCO3溶液中X70钢的模拟缝隙腐蚀机理研究[J].腐蚀科学与防护技术,2008,20(5):336-339.

[10]何业东,齐慧滨. 材料腐蚀与防护概论[M].机械工业出版社,2005.

 


作者简介:刘龙真,1982年生,北京天然气管道有限公司陕西输气管理处管道科工程师,从事油气储运工作13年,现主要从事天然气管道防腐工作。联系方式:15619932173,liulongzhen@163.com。


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