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)境可能導致埋設于其中的管道面臨嚴重的腐蝕威脅。本文對鹽堿地土樣和非鹽堿地的對照土樣進(jìn)行了理化成分分析，通過(guò)室內模擬實(shí)驗考察了X65管線(xiàn)鋼在兩種土壤中的腐蝕形貌和腐蝕速率。與此同時(shí)，在現場(chǎng)鹽堿地土壤埋設了ER腐蝕速率探頭，將其與實(shí)驗室試片腐蝕速率結果進(jìn)行了對比。結果表明，鹽堿地土壤會(huì )加速埋地管線(xiàn)鋼的腐蝕。通過(guò)進(jìn)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與實(shí)踐指導。

關(guān)鍵詞：鹽堿地； 埋地管道；X65管線(xiàn)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(diǎn)與土壤接觸而形成腐蝕高風(fēng)險區，會(huì )加速管道金屬材料的腐蝕，導致管壁減薄、點(diǎn)蝕甚至穿孔風(fēng)險劇增[1]。據統計，我國西北及沿海鹽堿區域近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，建立陰極保護系統失效情況下管道腐蝕預測與防護體系，是保障管道安全運行的核心課題。當前關(guān)于鹽堿地土壤腐蝕性的研究，多依賴(lài)于實(shí)驗室條件下的土壤模擬液進(jìn)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(shí)、復雜的土壤環(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(jìn)行了理化成分分析，通過(guò)室內模擬實(shí)驗考察了X65管線(xiàn)鋼在兩種土壤中的腐蝕形貌和腐蝕速率。與此同時(shí)，在現場(chǎng)鹽堿地土壤埋設了ER腐蝕速率探頭，并將其與實(shí)驗室得到的試片腐蝕速率進(jìn)行了對比。研究結果可為鹽堿地土壤中管道的腐蝕防護工作提供指導。

1  研究方法

1.1  試驗材料與介質(zhì)

選用材質(zhì)為X65管線(xiàn)鋼，裸露面積為6.5 cm2的圓形試片， 其主要化學(xué)成分（質(zhì)量分數％）為: C 0.03，Si 0.17，Mn 1.51，P 0.024，Ni 0.17，Cu 0.04，Mo 0.16等。取某鹽堿地現場(chǎng)土壤樣品，以北京市昌平區非鹽堿地土壤為對照試樣，于實(shí)驗室進(jìn)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果

1.2  實(shí)驗設計和現場(chǎng)布置

實(shí)驗設計土壤箱尺寸為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6個(gè)6.5 cm2的試片，埋設時(shí)間8個(gè)月，自2024年3月30日至2024年11月30日。屆時(shí)取出試片在實(shí)驗室進(jìn)行腐蝕失重分析。

圖 1 實(shí)驗設計和裝置

在上述鹽堿地現場(chǎng)土壤環(huán)境中埋設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，探頭和采集儀通過(guò)測試樁面板連線(xiàn)（圖 2）；通過(guò)陰極保護管理平臺設置探頭的采樣周期，遠程實(shí)時(shí)監測探頭的壁厚減薄情況，通過(guò)平臺自動(dòng)繪制一段時(shí)間內探頭的壁厚減薄變化曲線(xiàn)，將壁厚減薄折算為年腐蝕速率；并與實(shí)驗室埋設試片的腐蝕速率進(jìn)行比對分析。

圖 2 ER腐蝕速率探頭和現場(chǎng)安裝圖

1.3  形貌觀(guān)察和失重測試

試片埋設8個(gè)月后取出，在實(shí)驗室對試片分別進(jìn)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(guān)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(guān)察腐蝕形貌并對試片進(jìn)行失重分析。采用0.1 mg的分析天平對試片稱(chēng)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(shí)驗前試片質(zhì)量，g；W2為實(shí)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(shí)間，h。

2  結果分析與討論

2.1  腐蝕形貌分析

觀(guān)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，呈現顯著(zhù)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合較為緊密，局部區域因產(chǎn)物剝落暴露出灰黑色基體。經(jīng)酸洗后，試片出現了大面積的金屬基體減薄，呈連續的坑狀（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，鹽堿地土壤明顯導致金屬腐蝕。

圖 3 物理清洗后的試片宏觀(guān)形貌

圖 4 化學(xué)酸洗后的試片宏觀(guān)形貌

2.2  腐蝕速率

結合試片在鹽堿地和非鹽堿地試樣埋設8個(gè)月后的腐蝕速率（圖 5），采用失重法計算6個(gè)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。結果與圖 3和圖 4的腐蝕形貌分別對應，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出明顯的基體減薄，腐蝕較為嚴重，對應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)酸洗后僅局部出現了疏松的腐蝕產(chǎn)物膜，除試片邊緣外，依然保持了埋設前金屬基體的形貌，腐蝕速率較低。根據SY/T 0029―2024《埋地鋼制檢查片應用技術(shù)規范》，在沒(méi)有陰極保護時(shí)，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標準區間，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(jìn)一步表明鹽堿地的特殊土壤成分會(huì )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(jìn)一步確定實(shí)際腐蝕情況，于2024年7月1日在鹽堿地現場(chǎng)埋設ER腐蝕速率探頭，至2025年3月13日，8個(gè)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壁厚減薄自動(dòng)折算的腐蝕速率為0.688 mm/y（圖 6），與實(shí)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]到現場(chǎng)實(shí)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(shí)驗室的鹽堿地土樣條件及成分可能不完全一致，由此會(huì )呈現腐蝕速率偏差。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(méi)有采取合理的防護措施，以大于0.5 mm/y的腐蝕速率計，在管道的設計壽命內，鹽堿地土壤會(huì )大大加速管道腐蝕泄漏風(fēng)險。

圖 6 鹽堿地現場(chǎng)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(huì )顯著(zhù)提升土樣的電導率，加速金屬的電化學(xué)腐蝕過(guò)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，且與金屬基體結合差，清除腐蝕產(chǎn)物后呈現出明顯的壁厚減薄，這是由于金屬表面的陽(yáng)極氧化反應生成了鐵離子，與陰極還原反應產(chǎn)生的氫氧根離子結合生成腐蝕產(chǎn)物，而鹽堿地的高pH雖然會(huì )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，繼續沿著(zhù)腐蝕產(chǎn)物的周?chē)�加速金屬腐蝕，金屬表面的腐蝕微電池持續存在，進(jìn)而在金屬表面形成了新的腐蝕產(chǎn)物，最終金屬表面將會(huì )完全被較厚的腐蝕產(chǎn)物覆蓋。清除腐蝕產(chǎn)物后，呈現出明顯的金屬基體減薄現象，表明鹽堿地的金屬腐蝕速率較高。

3  結論與建議

（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腐蝕速率探頭監測的腐蝕速率與實(shí)驗室試片腐蝕速率接近，腐蝕速率顯著(zhù)超出標準規定的自腐蝕速率臨界值0.3 mm/y，實(shí)測數據高達0.688 mm/y，超標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，還應實(shí)施陰極保護，即外加電流或者犧牲陽(yáng)極，向金屬注入電子，抑制對陽(yáng)極鐵的腐蝕。管道施加陰極保護后應監測陰極保護的效果。建議同步安裝ER腐蝕速率探頭監測裝置，評估其腐蝕速率減緩幅度。

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作者簡(jiǎn)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。