王宏新

北京安科腐蚀技术有限公司

 

摘要：盐碱地具有高pH值与高盐分含量的双重特征，这种土壤环境可能导致埋设于其中的管道面临严重的腐蚀威胁。本文对盐碱地土样和非盐碱地的对照土样进行了理化成分分析，通过室内模拟实验考察了X65管线钢在两种土壤中的腐蚀形貌和腐蚀速率。与此同时，在现场盐碱地土壤埋设了ER腐蚀速率探头，将其与实验室试片腐蚀速率结果进行了对比。结果表明，盐碱地土壤会加速埋地管线钢的腐蚀。通过进一步探讨腐蚀机理，为盐碱地土壤中的管道腐蚀防护工作提供理论依据与实践指导。

关键词：盐碱地； 埋地管道；X65管线钢；腐蚀速率

 

盐碱地具有高pH值与高盐分含量的双重属性，对于未施加阴极保护或者阴极保护失效的埋地管道，因防腐层破损点与土壤接触而形成腐蚀高风险区，会加速管道金属材料的腐蚀，导致管壁减薄、点蚀甚至穿孔风险剧增[1]。据统计，我国西北及沿海盐碱区域近40%的管道失效事故与土壤腐蚀直接相关，造成较大的经济损失，并伴随泄漏引发的严重生态环境污染[2-3]。研究盐碱地土壤对埋地管道金属材料的腐蚀机理，建立阴极保护系统失效情况下管道腐蚀预测与防护体系，是保障管道安全运行的核心课题。当前关于盐碱地土壤腐蚀性的研究，多依赖于实验室条件下的土壤模拟液进行模拟分析[4-6]，在一定程度上揭示了土壤腐蚀的机理，但相较于真实、复杂的土壤环境而言，其局限性仍不容忽视。本文对盐碱地土样和非盐碱地对照土样进行了理化成分分析，通过室内模拟实验考察了X65管线钢在两种土壤中的腐蚀形貌和腐蚀速率。与此同时，在现场盐碱地土壤埋设了ER腐蚀速率探头，并将其与实验室得到的试片腐蚀速率进行了对比。研究结果可为盐碱地土壤中管道的腐蚀防护工作提供指导。

1  研究方法

1.1  试验材料与介质

选用材质为X65管线钢，裸露面积为6.5 cm2的圆形试片， 其主要化学成分（质量分数％）为: C 0.03，Si 0.17，Mn 1.51，P 0.024，Ni 0.17，Cu 0.04，Mo 0.16等。取某盐碱地现场土壤样品，以北京市昌平区非盐碱地土壤为对照试样，于实验室进行理化性能测试（表 1）。表明盐碱地土样的HCO3-、 Cl-、SO42-、pH明显高于对照土样；两种土壤成分可以代表典型盐碱地和非盐碱地土壤条件。

表 1 试样土壤成分测试结果

1.2  实验设计和现场布置

实验设计土壤箱尺寸为1 m×0.8 m（图 1），依次在盐碱地和非盐碱地两种土样中布设6个6.5 cm2的试片，埋设时间8个月，自2024年3月30日至2024年11月30日。届时取出试片在实验室进行腐蚀失重分析。

图 1 实验设计和装置

在上述盐碱地现场土壤环境中埋设ER腐蚀速率探头（厚度为500 μm），与盐碱地的金属管道同埋深，将ER腐蚀速率采集仪放置于测试桩内，探头和采集仪通过测试桩面板连线（图 2）；通过阴极保护管理平台设置探头的采样周期，远程实时监测探头的壁厚减薄情况，通过平台自动绘制一段时间内探头的壁厚减薄变化曲线，将壁厚减薄折算为年腐蚀速率；并与实验室埋设试片的腐蚀速率进行比对分析。

图 2 ER腐蚀速率探头和现场安装图

1.3  形貌观察和失重测试

试片埋设8个月后取出，在实验室对试片分别进行物理清洗和化学酸洗。前者是将试片在水中浸泡10 min左右，用毛刷清除掉表面沉积的泥土和沙子，观察表面腐蚀产物颜色。后者是将物理清洗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，清除掉表面的腐蚀锈层，便于观察腐蚀形貌并对试片进行失重分析。采用0.1 mg的分析天平对试片称重，腐蚀速率计算公式为：

ν＝8.76 ×107×（W1－W2－W3）/ ρST   （1）

式中， ν为腐蚀速率，mm/y；W1为实验前试片质量，g；W2为实验除锈后试片质量，g；W3为空白失重样，g。ρ为铁的密度，kg/m3，S为试片面积，cm2；T为腐蚀时间，h。

2  结果分析与讨论

2.1  腐蚀形貌分析

观察物理清洗后（图 3）和化学酸洗后（图 4）的试片表面形貌，盐碱地土壤腐蚀试片表面整体失去金属光泽，呈现显著的非均匀腐蚀特征，覆盖黄褐色较厚的腐蚀产物层，大部分与金属基体结合较为紧密，局部区域因产物剥落暴露出灰黑色基体。经酸洗后，试片出现了大面积的金属基体减薄，呈连续的坑状（图 4）。非盐碱地对照样腐蚀试片表面腐蚀产物较薄，局部区域能明显看到裸露的金属基体。经酸洗后，试片表面局部出现很浅的腐蚀减薄，大部分保留了金属基体的形貌。综合对比可知，盐碱地土壤明显导致金属腐蚀。

图 3 物理清洗后的试片宏观形貌

图 4 化学酸洗后的试片宏观形貌

2.2  腐蚀速率

结合试片在盐碱地和非盐碱地试样埋设8个月后的腐蚀速率（图 5），采用失重法计算6个平行试片的腐蚀速率，盐碱地为0.578 mm/y，非盐碱地仅为0.236 mm/y。结果与图 3和图 4的腐蚀形貌分别对应，盐碱地试片物理清理后的表面腐蚀产物较厚、易脱落，经化学酸洗后的金属基体表面呈现出明显的基体减薄，腐蚀较为严重，对应的腐蚀速率明显很高。与之不同的是，非盐碱地试片经物理清洗和化学酸洗后仅局部出现了疏松的腐蚀产物膜，除试片边缘外，依然保持了埋设前金属基体的形貌，腐蚀速率较低。根据SY/T 0029―2024《埋地钢制检查片应用技术规范》，在没有阴极保护时，试片在非盐碱地土壤的自腐蚀速率处于0.04 mm/y～0.30 mm/y标准区间，而相同条件下盐碱地土壤的自腐蚀速率大于0.30 mm/y；这种腐蚀速率差异进一步表明盐碱地的特殊土壤成分会加速埋地金属管道的腐蚀。

图 5 盐碱地和非盐碱地对照土样的腐蚀速率

为进一步确定实际腐蚀情况，于2024年7月1日在盐碱地现场埋设ER腐蚀速率探头，至2025年3月13日，8个多月探头壁厚由最初的499.06μm减薄至19.75μm，阴极保护管理平台根据壁厚减薄自动折算的腐蚀速率为0.688 mm/y（图 6），与实验室采用失重法计算的0.578 mm/y相差0.110 mm/y，误差为15.9%。考虑到现场实际的盐碱地土壤环境，经历了大自然春夏秋冬和干湿交替，与实验室的盐碱地土样条件及成分可能不完全一致，由此会呈现腐蚀速率偏差。但探头壁厚减薄与试片失重两者均表明盐碱地对金属的腐蚀性较强，若埋地金属管道没有采取合理的防护措施，以大于0.5 mm/y的腐蚀速率计，在管道的设计寿命内，盐碱地土壤会大大加速管道腐蚀泄漏风险。

图 6 盐碱地现场ER腐蚀探头剩余壁厚变化趋势

2.3  盐碱地土壤对金属的腐蚀机理分析

表 1表明，盐碱地具有高氯离子、高硫酸根离子含量，高盐特征会显著提升土样的电导率，加速金属的电化学腐蚀过程。图 3和图 4的试片表面形貌表明，盐碱地土壤腐蚀后试片表面腐蚀产物明显增多，且与金属基体结合差，清除腐蚀产物后呈现出明显的壁厚减薄，这是由于金属表面的阳极氧化反应生成了铁离子，与阴极还原反应产生的氢氧根离子结合生成腐蚀产物，而盐碱地的高pH虽然会抑制金属的均匀腐蚀，但是氯离子具有很强的穿透性，可以破坏表面疏松的腐蚀产物，继续沿着腐蚀产物的周围加速金属腐蚀，金属表面的腐蚀微电池持续存在，进而在金属表面形成了新的腐蚀产物，最终金属表面将会完全被较厚的腐蚀产物覆盖。清除腐蚀产物后，呈现出明显的金属基体减薄现象，表明盐碱地的金属腐蚀速率较高。

3  结论与建议

（1）盐碱地土壤中金属基体减薄较为明显，其腐蚀速率达到非盐碱地对照土样的2.4倍。ER腐蚀速率探头监测的腐蚀速率与实验室试片腐蚀速率接近，腐蚀速率显著超出标准规定的自腐蚀速率临界值0.3 mm/y，实测数据高达0.688 mm/y，超标229%。

（2）从腐蚀机理分析可以看出，为了减缓盐碱地金属管道的腐蚀，除合理选材和增加防腐涂层外，还应实施阴极保护，即外加电流或者牺牲阳极，向金属注入电子，抑制对阳极铁的腐蚀。管道施加阴极保护后应监测阴极保护的效果。建议同步安装ER腐蚀速率探头监测装置，评估其腐蚀速率减缓幅度。

 

参考文献：

[1]程克强，孙如华，徐帅陵.新疆典型盐渍土特征及腐蚀性对输气管道工程的影响研究[J].工程地质学报，2016，24(s1)：316-323.

[2]王光雍，王海江.自然环境的腐蚀与防护—大气 海水 土壤[M]. 北京：化学工业出版社，1997.

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

[4]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.

[5]武俊伟，李晓刚，杜翠薇，等.X70钢在库尔勒土壤中短期腐蚀行为研究[J].中国腐蚀与防护学报，2005(25)：15.

[6]胥聪敏，国蓉，胡海军，等.X80管线钢在海滨盐碱土壤模拟溶液中的耐腐蚀性能研究[J].钢铁研究学报，2010(3)：5.

作者简介：王宏新，1992年生，硕士学历，高级工程师，研究方向为埋地管道腐蚀、阴极保护与杂散电流干扰等。联系方式：18240128650；wanghx@ancorr.cn。