黃呈帥，郭永超，羅志鵬，王 俊

(1. 陜西省天然氣股份有限公司，陜西 西安 710016；2. 中國(guó)石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077)

0 前 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和日益嚴(yán)格的環(huán)保需求，石油、天然氣工業(yè)已逐漸成為工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的重要支柱。然而，埋地輸油、氣管道在運(yùn)行過(guò)程中長(zhǎng)期與不同的土壤環(huán)境相接觸，管體表面會(huì)產(chǎn)生不同程度的腐蝕，危害管體的服役安全[1]。靖西一線作為陜西省于20世紀(jì)90年代投資建設(shè)的第一條天然氣長(zhǎng)輸管道，承擔(dān)著向西安、寶雞、銅川、延安等地輸氣的職責(zé)[2]。該管道全線采用X52級(jí)管線鋼，通過(guò)對(duì)管道開(kāi)挖統(tǒng)計(jì)后分析可知該土壤環(huán)境中管道的點(diǎn)缺陷數(shù)量較少，但點(diǎn)缺陷較深，威脅管道的運(yùn)行安全[3]。鑒于此，探討X52管道在靖西一線典型土壤環(huán)境中的腐蝕行為對(duì)管道保護(hù)具有重要的指導(dǎo)作用。

研究發(fā)現(xiàn)，土壤環(huán)境中的pH值、溫度、含水量、離子種類及其濃度等因素均對(duì)管道在土壤中的腐蝕過(guò)程有重要影響。梁平等[4]認(rèn)為影響土壤腐蝕性的主要因素依次為pH值>含水量>電導(dǎo)率>全鹽>Cl->NO3->SO42->HCO3-。靖西一線途經(jīng)陜北安塞等地，土壤具有典型的黃綿土特性、呈堿性、含鹽量較高, 土壤含水量約為8.6%～10.8%，夏季降水集中，因此，靖西一線土壤中離子含量和含水量可能對(duì)管道腐蝕產(chǎn)生顯著影響。相關(guān)科研人員對(duì)土壤介質(zhì)中X70和X80管線鋼的腐蝕行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)土壤類型和管線鋼成分對(duì)腐蝕過(guò)程有顯著影響。覃飛等[5]的研究結(jié)果表明馬德里灘涂土壤中氯含量高導(dǎo)致X70鋼的腐蝕速率較高；李紅英等[6]發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)堿性土壤中X80鋼比X70鋼的耐腐蝕性更強(qiáng)。靖西一線廣泛采用X52級(jí)管線鋼，然而目前針對(duì)我國(guó)西部典型土壤中X52鋼腐蝕行為的研究極少。因此，本工作依據(jù)靖西一線途經(jīng)地區(qū)的土壤環(huán)境，研究土壤中含水量對(duì)X52埋地管道腐蝕過(guò)程的影響規(guī)律，對(duì)比不同離子濃度土壤模擬溶液中X52管線鋼的腐蝕行為，為揭示X52管線鋼在靖西一線土壤中的腐蝕原因提供理論依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與方法

選取靖西一線中老舊X52螺旋焊管的替換件作為試驗(yàn)材料，管道的規(guī)格為φ426 mm×7 mm。采用ARL4460直讀光譜儀和LECO TC600氧氮分析儀對(duì)管體母材的成分進(jìn)行分析，各元素對(duì)應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為(%)C(0.080 0)、Si(0.240 0)、Mn(1.060 0)、P(0.010 0)、S(0.010 0)、Cr(0.010 0)、Mo(<0.010 0)、Ni(0.010 0)、Nb(0.020 0)、V(<0.010 0)、Ti(<0.010 0)、Cu(0.030 0)、B(≤0.001 0)、Al(0.002 0)和N(0.001 3)，F(xiàn)e(余量)。圖1為X52管線鋼母材的典型金相組織。從圖1可以看出主要由多邊形鐵素體和珠光體組成。在X52管線鋼鋼板的軋制過(guò)程中，由于冷速較低導(dǎo)致多邊形鐵素體在過(guò)冷奧氏體晶界處優(yōu)先形核[7]，并且隨著碳原子在奧氏體中的擴(kuò)散，在臨近鐵素體的局部區(qū)域形成了層片狀珠光體組織，最終X52管線鋼呈現(xiàn)多邊形鐵素體和珠光體共存的形態(tài)。

根據(jù)靖西一線埋地管道的分布，選擇安塞地區(qū)管道附近的土質(zhì)作為典型代表來(lái)研究土壤對(duì)管道的腐蝕性，土壤的理化性質(zhì)見(jiàn)表1所示。土壤經(jīng)過(guò)烘干、研磨、20目過(guò)篩后放入烘箱中干燥6 h，測(cè)定干燥土壤的質(zhì)量；通過(guò)向干燥土壤中加入不同質(zhì)量的蒸餾水配制成含水量分別為(質(zhì)量分?jǐn)?shù))20%、40%、60%、80%和100%的土壤。依據(jù)LY/T 1251-1999的規(guī)定測(cè)定土壤溶液中離子含量，然后用分析純MgCl2、CaSO4、NaHCO3、NaNO3和去離子水按照比例配制安塞土壤模擬溶液，對(duì)應(yīng)的理化數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。同時(shí)，采用中性土壤模擬溶液(NS4溶液)作為對(duì)比，以揭示土壤環(huán)境中離子種類和濃度對(duì)X52埋地管道腐蝕過(guò)程的影響。

表1 土壤理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical parameters of soil

表2 土壤模擬溶液的理化參數(shù)Table 2 Chemical and physical parameters of soil simulated solution

1.2 測(cè)試表征

電化學(xué)測(cè)試的試樣尺寸為10 mm×10 mm×3 mm，取自管體母材區(qū)域，試樣經(jīng)丙酮清洗后，用砂紙打磨其表面。在試樣表面焊接銅導(dǎo)線，用于和工作電極相連接，然后采用環(huán)氧樹(shù)脂冷鑲封裝非工作表面，露出表面積為1 cm2區(qū)域作為工作面。將工作表面依次采用400,800，1 000號(hào)砂紙逐級(jí)打磨至表面無(wú)明顯劃痕，最后采用酒精對(duì)試樣表面進(jìn)行清洗，烘干后放入干燥箱待用。電化學(xué)測(cè)試在PARSTAT生產(chǎn)的2273電化學(xué)工作站上進(jìn)行，采用三電極體系，金屬鉑片作為輔助電極(Pt電極)；參比電極為飽和甘汞電極(SCE)， 用魯金毛細(xì)吸管為鹽橋，鹽橋內(nèi)的介質(zhì)為飽和KCl 水溶液；工作電極為待測(cè)試樣。測(cè)試溶液為不同含水量的安塞土壤溶液和不同種類的土壤模擬溶液。極化測(cè)試前，首先對(duì)試樣進(jìn)行開(kāi)路電位測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為60 min，然后進(jìn)行動(dòng)電位極化曲線測(cè)試。極化測(cè)試過(guò)程中電位的掃描速率為0.5 mV/s，在極化曲線的弱極化范圍內(nèi)采用迭代擬合法[8]計(jì)算出電極在不同含水量安塞土壤溶液和土壤模擬溶液中的自腐蝕電流密度Jcorr。電化學(xué)交流阻抗(EIS)測(cè)試電壓為開(kāi)路電位，擾動(dòng)電位幅值為10 mV，測(cè)試頻率范圍為1.0×(10-2～105) Hz。用Zview軟件對(duì)EIS測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，并選取合適的等效電路進(jìn)行擬合和分析。所有電化學(xué)試驗(yàn)測(cè)試在25 ℃水浴環(huán)境中進(jìn)行，每個(gè)試樣進(jìn)行3個(gè)平行試驗(yàn)，確保測(cè)試數(shù)據(jù)的重復(fù)性。電化學(xué)測(cè)試試樣經(jīng)酒精沖洗后干燥，采用TESCAN公司生產(chǎn)的MIRA 3 LMH掃描電鏡對(duì)其進(jìn)行形貌觀察和成分分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤含水量對(duì)X52管線鋼腐蝕行為的影響

圖2為X52管線鋼在不同含水量安塞土壤環(huán)境中的開(kāi)路電位和極化曲線。從圖2a可以看出，X52管線鋼在不同含水量安塞土壤環(huán)境中的開(kāi)路電位隨時(shí)間延長(zhǎng)出現(xiàn)下降，在500 s時(shí)保持穩(wěn)定。在其曲線穩(wěn)定時(shí)刻取值作為電極的開(kāi)路電位，則X52管線鋼在20%、40%、60%、80%和100%含水量安塞土壤環(huán)境中的開(kāi)路電位分別為-0.291,-0.725，-0.722，-0.774，-0.756 V。開(kāi)路電位不僅與試樣材料有關(guān)，還與腐蝕介質(zhì)的成分、溫度、濃度等因素有關(guān)。由于土壤中含水量的不同，導(dǎo)致土壤中離子濃度、導(dǎo)電性等因素存在較大差異，最終造成X52鋼的開(kāi)路電位存在較大差異。在金屬電極的陽(yáng)極溶解過(guò)程中，金屬離子從金屬相向溶液中轉(zhuǎn)移，隨著電極反應(yīng)的進(jìn)行在金屬電極表面形成電子導(dǎo)體膜。如果該膜可以抑制陽(yáng)離子向溶液中的擴(kuò)散，阻礙陽(yáng)極溶解過(guò)程，并且其自身的溶解速率很低，則認(rèn)為陽(yáng)極表面發(fā)生陽(yáng)極鈍化現(xiàn)象。從圖2b可以看出，在陽(yáng)極極化區(qū)范圍內(nèi)隨著極化電位的持續(xù)增加，極化電流密度增大，表明陽(yáng)極極化過(guò)程中未發(fā)生鈍化現(xiàn)象。管線鋼材料為低碳微合金鋼，主要以Fe元素為主，其中具有保護(hù)性的鈍性Cr元素含量非常少，在腐蝕溶液中不足以形成含有Cr2O3的鈍化膜，所以管線鋼表面無(wú)法形成連續(xù)致密的氧化膜來(lái)阻止管線鋼在腐蝕溶液中的腐蝕。X80管線鋼[9]在格爾木土壤環(huán)境中，其陽(yáng)極溶解過(guò)程中形成的腐蝕產(chǎn)物包含2層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為致密的具有保護(hù)作用的Fe3O4層，外層為疏松無(wú)保護(hù)作用的FeOOH層。研究證明[10,11]X65管線鋼在酸性模擬土壤環(huán)境中，X80管線鋼及焊接結(jié)構(gòu)在NS4土壤模擬溶液中極化過(guò)程均不會(huì)發(fā)生鈍化。

電極在模擬溶液中的極化過(guò)程同時(shí)發(fā)生金屬陽(yáng)極溶解反應(yīng)和去極化陰極還原反應(yīng)，當(dāng)腐蝕電流密度為0時(shí)工作電極對(duì)應(yīng)的極化電位稱作電極在該模擬溶液中的自腐蝕電位Ecorr。在極化曲線的弱極化區(qū)采用迭代法分析后得到極化曲線對(duì)應(yīng)的自腐蝕電流密度Jcorr。表3為不同含水量安塞土壤環(huán)境中X52管線鋼的極化曲線參數(shù)。從表3可以看出，X52管線鋼在不同含水量安塞土壤環(huán)境中的自腐蝕電位隨著含水量的增加先降低后增加。當(dāng)土壤中的含水量?jī)H為20%時(shí)，X52的自腐蝕電位為-0.309 V，自腐蝕電流密度為8.301×10-10A/cm2，極化電阻為3.02×106Ω·cm2，表明X52管線鋼在低含水量安塞土壤環(huán)境中的腐蝕速率很低；當(dāng)土壤中的含水量增加到40%～60%時(shí)，X52管線鋼對(duì)應(yīng)的自腐蝕電位為-0.733～-0.741 V，自腐蝕電流密度為5.259×10-6～3.562×10-6A/cm2，極化電阻為2.22×103～3.20×103Ω·cm2，可以看出加大土壤中含水量會(huì)增加X(jué)52管線鋼在土壤中的腐蝕趨勢(shì)，使其腐蝕速率提高了4個(gè)數(shù)量級(jí)；繼續(xù)增加土壤中的含水量?jī)H略微降低自腐蝕電位，腐蝕速率基本保持不變。由此可知，在靖西一線土壤環(huán)境中土壤含水量的增加會(huì)顯著增強(qiáng)X52管線鋼的腐蝕傾向，提高其腐蝕速率。覃飛等[5]發(fā)現(xiàn)X70鋼在不同含水量土壤中的腐蝕速率為60%>20%>80%>40%。由本研究的結(jié)果可知，安塞土壤含水率對(duì)X52管線鋼的腐蝕行為的影響規(guī)律與文獻(xiàn)[5]略有差別，其腐蝕速率為40%>60%>80%>100%>20%。

表3 X52管線鋼在不同含水量安塞土壤中的腐蝕參數(shù)Table 3 Corrosion parameters for X52 steel in soils with different water content

電化學(xué)阻抗譜是研究電極動(dòng)力學(xué)和表面現(xiàn)象的一項(xiàng)重要手段，圖3為X52管線鋼母材在不同含水量安塞土壤中測(cè)得的電化學(xué)阻抗Nyquist譜及EIS譜的擬合電路。從圖3可以看出，不同含水量安塞土壤中X52管線鋼的EIS譜均由1個(gè)高頻容抗弧和低頻容抗弧組成。通常，EIS譜低頻區(qū)與電極腐蝕過(guò)程中的反應(yīng)速率相關(guān)，而高頻區(qū)與電極反應(yīng)過(guò)程中的腐蝕產(chǎn)物有關(guān)。X52管線鋼在低含水量(20%)安塞土壤環(huán)境中低頻容抗弧半徑比高含水量(40%～100%)中的大1個(gè)數(shù)量級(jí)，表明低含水量土壤環(huán)境的腐蝕性最低，該結(jié)果與前述動(dòng)電位極化曲線的趨勢(shì)相一致。從圖3還可以看出，低頻區(qū)容抗弧的半徑隨含水量的變化趨勢(shì)為20%>100%>80%>60%>40%，表明X52管線鋼在安塞土壤中的腐蝕速率隨土壤中含水量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。針對(duì)EIS譜中的高頻區(qū)，其容抗弧半徑可以反映電極表面土壤介質(zhì)和腐蝕產(chǎn)物層的性質(zhì)。圖3中EIS譜高頻區(qū)的容抗弧半徑隨含水量的增加先降低后增加，表明電極表面土壤和腐蝕產(chǎn)物的電阻先降低后增加。

采用圖3c的擬合電路來(lái)模擬X52管線鋼在安塞土壤中的EIS特性，其中Rsol為X52管線鋼表面安塞土壤溶液介質(zhì)電阻，Rct為電荷轉(zhuǎn)移電阻，Rp為腐蝕產(chǎn)物電阻，Cs為雙電層界面電容，選擇常相位角原件Q作為腐蝕產(chǎn)物電容。對(duì)不同含水量安塞土壤介質(zhì)中X52鋼的EIS譜進(jìn)行擬合，結(jié)果如表4所示。由表4可知，在低含水量(20%)安塞土壤介質(zhì)中，土壤溶液自身的溶液電阻Rsol很大，增大了腐蝕過(guò)程的阻力；隨著土壤介質(zhì)中含水量的增加，Rsol先減小后增大。土壤溶液介質(zhì)的導(dǎo)電性與其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)相關(guān)，當(dāng)含水量較低時(shí)，土壤介質(zhì)中沒(méi)有形成連續(xù)的離子傳輸通道，土壤介質(zhì)的電阻很大。隨著含水量的增加，土壤介質(zhì)中的導(dǎo)電離子在飽和水土壤中傳輸通道暢通，土壤溶液介質(zhì)的電阻降低了2個(gè)數(shù)量級(jí)，導(dǎo)電性顯著提高。電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct與電極表面的反應(yīng)速率密切相關(guān)。一般來(lái)講，Rct值與腐蝕速率呈反比關(guān)系。20%含水量土壤介質(zhì)中，Rct值很高；隨著土壤含水量的增加，Rct值先降低后增加。由此可知，X52鋼在20%含水量安塞土壤介質(zhì)中的腐蝕速率最低，在40%含水量土壤介質(zhì)中的腐蝕速率最高。

表4 X52管線鋼在不同含水量安塞土壤介質(zhì)中的EIS擬合參數(shù)Table 4 EIS parameters for X52 steel in soils with different water content

圖4為X52管線鋼在不同含水量安塞土壤介質(zhì)中經(jīng)過(guò)動(dòng)電位極化測(cè)試后的腐蝕形貌及80%含水土壤中試樣表面腐蝕產(chǎn)物的成分分析結(jié)果。從圖4可以看出，土壤介質(zhì)中含水量對(duì)試樣表面的腐蝕形貌有顯著影響：當(dāng)含水量為20%時(shí)，X52管線鋼表面僅很小的局部區(qū)域被腐蝕，表面缺陷處優(yōu)先形成絲狀和點(diǎn)狀腐蝕形貌；當(dāng)含水量增加到40%和60%時(shí)，X52管線鋼表面腐蝕速率加快，大量的黑色腐蝕產(chǎn)物均勻地分布在試樣表面；當(dāng)含水量增加到80%和100%時(shí)，X52管線鋼表面的腐蝕速率沒(méi)有顯著變化，可以看到表面存在大量的腐蝕坑。從圖4e發(fā)現(xiàn)試樣表面的腐蝕坑呈潰瘍狀形貌，腐蝕產(chǎn)物較為疏松，中心存在明顯的腐蝕產(chǎn)物的微裂紋。從圖4g可以看出黑色的腐蝕產(chǎn)物和潰瘍狀腐蝕坑附近氧含量顯著增加，表明圖4g中觀察到的黑色物質(zhì)和潰瘍狀形貌均為氧化反應(yīng)產(chǎn)物。

2.2 土壤模擬溶液中離子濃度對(duì)X52管線鋼腐蝕行為的影響

圖5為X52管線鋼在安塞土壤模擬溶液和NS4土壤模擬溶液中測(cè)得的動(dòng)電位極化曲線及Nyquist譜和擬合的EIS譜等效電路。

從圖5a可以看出，X52管線鋼在2種土壤模擬溶液中未發(fā)生鈍化。經(jīng)過(guò)擬合后可知，X52管線鋼的母材在安塞土壤模擬溶液中對(duì)應(yīng)的自腐蝕電位為-0.508 V，NS4溶液中對(duì)應(yīng)的自腐蝕電位為-0.710 V。以上結(jié)果表明X52管體母材在安塞土壤模擬溶液中的耐腐蝕性要優(yōu)于NS4溶液中的。X52管體母材在安塞和NS4土壤模擬溶液中的自腐蝕電流密度分別為0.007 4 A/cm2和0.021 9 A/cm2。材料的自腐蝕電流密度與電極表面的反應(yīng)速率密切相關(guān)，通常認(rèn)為自腐蝕電流密度與材料的腐蝕速率呈正比關(guān)系。結(jié)果表明， X52母材在NS4土壤模擬溶液中的腐蝕速率為安塞土壤模擬溶液中的3倍，即X52母材在NS4溶液中更易腐蝕。

從圖5b可知，在安塞土壤模擬溶液中X52母材的EIS譜由高頻容抗弧和低頻感抗弧組成。在電極反應(yīng)過(guò)程中出現(xiàn)感抗弧，一般認(rèn)為是吸附過(guò)程或點(diǎn)蝕形核所致[12]，對(duì)應(yīng)的擬合電路見(jiàn)圖5c，其中Rsol為溶液電阻，Rct為電荷轉(zhuǎn)移電阻，RL為表面腐蝕產(chǎn)物電阻，L為純電感，選擇常相位角原件Q代替雙電層電容C。X52母材在NS4溶液中的EIS譜由1個(gè)高頻容抗弧和低頻韋伯阻抗直線段組成，對(duì)應(yīng)的擬合電路見(jiàn)圖5c，其中W為擴(kuò)散過(guò)程引起的Warburg阻抗。Warburg阻抗主要是由于法拉第電流密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電極反應(yīng)的交換電流密度，使電極反應(yīng)從活化控制轉(zhuǎn)變?yōu)闈舛葦U(kuò)散控制。

表5為安塞和NS4土壤模擬溶液中電極的EIS譜擬合參數(shù)。從表5可以看出，安塞土壤模擬溶液的溶液電阻和電荷轉(zhuǎn)移電阻均大于NS4土壤模擬溶液的。溶液電阻與土壤模擬溶液中離子濃度呈正比關(guān)系，因此NS4模擬溶液中溶液電阻最小。在電化學(xué)腐蝕過(guò)程中，電荷轉(zhuǎn)移電阻與材料的耐腐蝕能力有關(guān)，電荷轉(zhuǎn)移電阻越大，材料的耐腐蝕能力越強(qiáng)。由于電極在NS4溶液中的電荷轉(zhuǎn)移電阻較小，表明X52管線鋼在NS4溶液中更容易被腐蝕，與極化曲線的測(cè)量結(jié)果一致。

表5 X52管線鋼在安塞和NS4土壤模擬溶液中的EIS譜擬合參數(shù)Table 5 EIS parameters for X52 steel in NS4 and Ansai soil simulated solution

圖6為NS4和安塞土壤模擬溶液中X52管線鋼表面的腐蝕形貌。從圖6可以看出，X52鋼表面在NS4土壤模擬溶液中出現(xiàn)了許多腐蝕坑，腐蝕坑周圍包含大量的腐蝕產(chǎn)物；與NS4土壤模擬溶液對(duì)比，X52鋼表面在安塞土壤模擬溶液中的腐蝕坑數(shù)量明顯減少，表明其腐蝕速率降低，與圖5中極化曲線和阻抗譜的結(jié)果一致。

2.3 腐蝕機(jī)理分析

埋地管道在土壤介質(zhì)中的腐蝕行為不僅與自身的材質(zhì)有關(guān)，更取決于土壤介質(zhì)本身的性質(zhì)。首先，水作為腐蝕介質(zhì)中離子傳輸?shù)耐ǖ缹?duì)腐蝕過(guò)程有顯著影響。從表4可以看出，當(dāng)土壤中的含水量從20%增加到40%時(shí)，其電化學(xué)轉(zhuǎn)移電阻從27 786 Ω·cm2降低到558 Ω·cm2。在含水量較低(20%)的土壤環(huán)境中，土壤結(jié)構(gòu)疏松，含有大量無(wú)水孔洞；這種疏松多孔的結(jié)構(gòu)使X52鋼在極化過(guò)程中表面僅與少量的微小液滴接觸，增加了離子和電子傳輸?shù)淖枇Γ闺姌O表面僅發(fā)生輕微的局部腐蝕。當(dāng)含水量提高到40%時(shí)，土壤中大量的間隙被水分填充，形成較為密實(shí)的土壤介質(zhì)，為離子擴(kuò)散和電子傳遞提供了良好的通道，降低了電極極化阻力，促進(jìn)了電極反應(yīng)，顯著提高了腐蝕速率。同時(shí)，當(dāng)土壤的含水量從40%增加到100%時(shí)，電化學(xué)轉(zhuǎn)移電阻從558 Ω·cm2增加到2 200 Ω·cm2。土壤溶液放置在空氣中會(huì)溶解O2，由于吸氧腐蝕電位要比析氫腐蝕電位高1.229 V，因此在極化過(guò)程的初始階段吸氧腐蝕先于析氫反應(yīng)優(yōu)先發(fā)生[13]。含水量增加降低了電極表面的吸氧量，增加了極化阻力，降低了腐蝕速率。

其次，埋地土壤中可溶性鹽的含量對(duì)低碳鋼的腐蝕有重要影響。表5中X52管線鋼在安塞土壤模擬溶液中電化學(xué)轉(zhuǎn)移電阻為5 495 Ω·cm2，遠(yuǎn)大于其在NS4土壤模擬溶液中的電化學(xué)轉(zhuǎn)移電阻751 Ω·cm2，表明溶液的組成對(duì)低碳鋼腐蝕有重要影響。研究表明[4,14]，土壤中的pH值、含水量和陰離子均對(duì)電極極化過(guò)程產(chǎn)生重要影響，其中pH值是影響腐蝕過(guò)程的關(guān)鍵因素，Cl-是所有陰離子中促進(jìn)腐蝕作用的最重要元素。土壤的pH值決定了土壤的酸堿度，與陰極反應(yīng)過(guò)程密切相關(guān)，隨著pH值的降低，自腐蝕速率增加[15]。在土壤模擬溶液中，Cl-不僅可以穿透金屬表層已生成的腐蝕層，吸附在腐蝕層表面與陽(yáng)離子形成可溶性氯化物，還可以在未產(chǎn)生點(diǎn)蝕的區(qū)域富集促進(jìn)陽(yáng)極溶解[16]，因而隨著Cl-含量的增加，自腐蝕電流密度顯著增加[17]。NO3-對(duì)腐蝕過(guò)程影響較小，反應(yīng)生成的致密Fe2O3阻礙了電極反應(yīng)的發(fā)生[18]；CO32-在水溶液中易水解，生成OH-和HCO3-，促進(jìn)溶液pH值提高，但由于FeCO3在電極表面吸附后不溶解，阻礙了電極表面進(jìn)一步反應(yīng)；增加SO42-的濃度，腐蝕電流密度顯著增加，由于硫酸鹽的溶解性較低，腐蝕產(chǎn)物一定程度上阻礙氧的傳輸，金屬的腐蝕速率不會(huì)隨其濃度增加后繼續(xù)大幅度提升；增加HCO3-的濃度，O2和H+的去極化作用加速了陰極反應(yīng)，但過(guò)高濃度的HCO3-可與金屬的反應(yīng)產(chǎn)物或溶液中的其他陽(yáng)離子生成致密的碳酸鹽保護(hù)膜，降低了腐蝕速率[19]。從表2可知，NS4溶液中HCO3-、SO42-和Cl-濃度分別為351 mg/L、51 mg/L和145 mg/L，顯著高于安塞模擬土壤溶液中相應(yīng)各陰離子的濃度。雖然土壤模擬溶液的pH值略有偏差，但都屬于近中性土壤模擬溶液，對(duì)極化過(guò)程影響較小。由于Cl-對(duì)電極腐蝕的影響最大，因此X52管線鋼在NS4模擬溶液中的極化電位更負(fù)，腐蝕電流密度也更大。

同時(shí)，將圖2b和圖5a中X52管線鋼的極化曲線對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，安塞土壤模擬溶液中X52鋼的自腐蝕電位大于含水量40%～100%安塞土壤環(huán)境中X52鋼的自腐蝕電位。主要是由于安塞土壤介質(zhì)中不僅包含土壤模擬溶液中存在的Cl-、HCO3-和NO32-等離子，還包含其他更加復(fù)雜的成分，使X52管線鋼在安塞土壤介質(zhì)中的自腐蝕電位更負(fù)。從表4和表5可以看出，含水量40%～100%安塞土壤介質(zhì)中X52管線鋼表面的電荷轉(zhuǎn)移電阻小于安塞土壤模擬溶液中X52鋼的電荷轉(zhuǎn)移電阻，因此高含水量安塞土壤介質(zhì)中X52鋼的耐腐蝕性要弱于安塞土壤模擬溶液。

3 結(jié) 論

(1)X52鋼在20%含水量安塞土壤中的自腐蝕電流密度比高水量土壤(40%～100%)低4個(gè)數(shù)量級(jí)，增加含水量可以促進(jìn)腐蝕反應(yīng)。X52鋼在20%含水量安塞土壤介質(zhì)中的電荷轉(zhuǎn)移電阻比高含水量土壤介質(zhì)高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)；隨土壤含水量的增加，低頻容抗弧半徑先降低后增加，對(duì)應(yīng)腐蝕速率規(guī)律為40%>60%>80%>100%>20%。

(2)在20%含水量安塞土壤介質(zhì)中，X52鋼表面出現(xiàn)少量腐蝕坑，腐蝕產(chǎn)物顆粒底部呈現(xiàn)潰瘍狀腐蝕形貌；隨著土壤中含水量的增加，X52鋼表面腐蝕坑數(shù)量顯著增加。

(3)NS4溶液中的離子濃度大于安塞土壤模擬溶液中的，導(dǎo)致X52鋼在NS4溶液中的腐蝕速率較高。EIS分析結(jié)果表明，增加溶液中陰離子濃度導(dǎo)致溶液電阻和電荷轉(zhuǎn)移電阻減小，促使電極反應(yīng)由極化控制轉(zhuǎn)變?yōu)闈舛葦U(kuò)散控制。