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。

图 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。

图 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]。

图 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。