費(fèi)小丹,李明齊,蔡鐸昌,唐敬友,李江波
1.西南科技大學(xué)國防科技學(xué)院,四川 綿陽 621010
2.西華師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,四川 南充 637002
地下的金屬管道,如果不采取合理的防腐措施,或措施不當(dāng)、管理不善,都有可能引起管道腐蝕穿孔,造成管道泄漏事故,甚至使整段管道報(bào)廢。陰極保護(hù)是防止腐蝕的重要措施。90年代以來,能源、交通、城市建設(shè)等行業(yè)飛躍發(fā)展,對陰極保護(hù)的需求猛增。陰極保護(hù)有犧牲陽極的陰極保護(hù)和外加電流的陰極保護(hù)。進(jìn)行防腐研究的工作者采用不同方法研究了陰極保護(hù)對金屬腐蝕行為的影響。葛艾天等研究了陜京管道站場的區(qū)域陰極保護(hù)[1]。孫魁對陰極保護(hù)系統(tǒng)的供電方式、陽極材料及安裝方式、排流方式、監(jiān)測系統(tǒng)等方面進(jìn)行了探討[2]。韓國的Jung-Gu Kim等用塔菲爾曲線法研究了25~95 ℃下,陰極保護(hù)電位對絕熱管線在模擬地下水的腐蝕的影響[3]。尼日利亞的M.T.Lilly等研究表明犧牲陽極的陰極保護(hù)和外加電流的陰極保護(hù)可有效減小油氣管線腐蝕[4]。
X70鋼是西氣東輸工程指定用鋼。西氣東輸工程是我國建國以來距離最長的天然氣管道工程,干線線路總長約4000 km,途經(jīng)的土壤的類型繁多。卵石黃泥土是一種分布廣泛的酸性土壤,其腐蝕性很強(qiáng)。但是關(guān)于X70鋼在這種土壤中腐蝕規(guī)律的研究還未見報(bào)道。所以有必要評價(jià)陰極保護(hù)對X70鋼在該種土壤中的腐蝕速率,為工程的安全運(yùn)行提供依據(jù)。本文采用外加電流的陰極保護(hù),通過失重法和交流阻抗法研究陰極保護(hù)電位對X70鋼在卵石黃泥土中腐蝕行為的影響規(guī)律,探討要使X70鋼獲得較好的保護(hù)效果所需施加的保護(hù)電位。
土壤取自四川省南充地區(qū)的卵石黃泥土。將取回的土壤自然風(fēng)干,除去其中的草根、石塊等雜物,仔細(xì)研磨,使其通過20目的土壤篩。然后在烘箱中105 ℃烘6h以除去土壤中殘余的水分,殺死土壤中的微生物。處理后的土壤與蒸餾水均勻混合,配成濕度20%的土壤介質(zhì),裝于500 ml的塑料燒杯中。為防止水分蒸發(fā),加蓋密封,24h后待體系穩(wěn)定進(jìn)行測定。
將 X70鋼 加 工 成10 mm×10 mm×4 mm和 30 mm×30 mm×4 mm的試樣,并在樣品背后焊上銅導(dǎo)線,然后將非工作面用瀝青封裝。電化學(xué)測試前工作表面依次用120#~1000#的金相砂紙磨光后,酒精及丙酮去油,蒸餾水洗凈。
陰極極化電位分別為-850 mV、-950 mV、-1050 mV(相對Cu/CuSO4電極)。試驗(yàn)周期為30天。
1.3.1 電化學(xué)阻抗譜測試
交流阻抗測試采用CHI618B電化學(xué)分析儀(上海辰華儀器公司)。阻抗測試激勵信號為5 mV的正弦波,測試頻率范圍為5 mHz~100 kHz。用Zsimpwin軟件進(jìn)行交流阻抗曲線擬合處理,確定交流阻抗的各參數(shù)值。
1.3.2 腐蝕失重測試
實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,將試樣表面的瀝青除去(難于去除的用二甲苯溶劑清洗),在500 ml鹽酸加500 ml蒸餾水加20 g六次甲基四胺溶液中除去試樣表面的腐蝕產(chǎn)物。水洗、吹干后,在分析天平上稱重,精確到0.1 mg,計(jì)算腐蝕失重。
1.4.1 陰極極化電位對陰極保護(hù)效率的影響
圖1是采用失重法測得的卵石黃泥土中X70鋼腐蝕速率隨著陰極極化電位的變化情況??梢园l(fā)現(xiàn),隨著陰極極化電位負(fù)移的增大,X70鋼在卵石黃泥土中的腐蝕速率逐漸減小。在陰極極化電位為-850 mV條件下,X70鋼的陰極保護(hù)效率為58.7%;在陰極極化電位為-950 mV條件下,X70鋼的陰極保護(hù)效率為77.3%;在陰極極化電位為-1050 mV條件下,X70鋼的陰極保護(hù)效率達(dá)到了94.5%。因此,本試驗(yàn)說明在卵石黃泥土中的陰極保護(hù)電位應(yīng)負(fù)于-950 mV,否則土壤中的鋼鐵仍然會以較大的速率腐蝕。
1.4.2 陰極極化電流密度的變化情況
圖2為在不同的外加陰極極化電位下電流密度隨試驗(yàn)時(shí)間的變化情況,從圖中可以發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)剛開始時(shí)幾種陰極極化電位下X70鋼所需施加的電流密度很大,隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加所需施加的電流密度逐漸減小并趨于穩(wěn)定,而且隨著陰極極化電位負(fù)移的增大,所需施加的電流密度穩(wěn)定值越大。
圖1 土壤中X70鋼腐蝕速率隨陰極極化電位的變化曲線Fig.1 Curve of the corrosion rate of X70steel versus cathodic potential in soil
圖2 陰極極化電流密度隨試驗(yàn)時(shí)間的變化曲線Fig.2 The variation of CP current density with test time
1.4.3 交流阻抗法研究陰極極化對X70鋼腐蝕的影響
圖3為外加陰極極化電位下卵石黃泥土中X70鋼的交流阻抗圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn),隨著陰極極化電位負(fù)移,X70鋼的交流阻抗圖半圓逐漸增大,說明陰極極化電位越負(fù),X70鋼的腐蝕速率越小,保護(hù)效率就越高。這與失重法測得的結(jié)果一致。圖4為在-950 mV的陰極保護(hù)電位下,卵石黃泥土中X70鋼的交流阻抗圖隨著試驗(yàn)時(shí)間的變化情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn),隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加,卵石黃泥土中X70鋼的交流阻抗弧逐漸增大,這說明隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,卵石黃泥土中X70鋼的腐蝕速率逐漸減小。表1和表2分別圖3和圖4的阻抗圖譜數(shù)據(jù)解析結(jié)果。Rl表示電極表面腐蝕產(chǎn)物和土粒組成的結(jié)合層的電阻,Rt表示電荷轉(zhuǎn)移電阻,由于土壤腐蝕的EIS彌散效應(yīng)很強(qiáng),所以均用常相位角元件CPE1 代替腐蝕產(chǎn)物結(jié)合層電容元件, CPE2代替雙電層電容元件。由表1可知,電荷轉(zhuǎn)移電阻隨著極化電位的負(fù)移而增大,腐蝕速率減?。挥杀?可知,在-950 mV的極化電位下,電荷轉(zhuǎn)移電阻隨著腐蝕時(shí)間的增加而增大。
圖3 在土壤中不同陰極極化電位下X70鋼第16天的阻抗圖Fig.3 EIS for X70 steel at different potentials in soil after 16 days
圖4 -950mV極化電位下土壤中X70鋼阻抗圖譜隨著試驗(yàn)時(shí)間變化Fig.4 EIS for X70 steel with different test times at -950 mV in soil
1)隨著陰極極化電位的負(fù)移,卵石黃泥土中X70鋼的腐蝕速率逐漸減小,陰極保護(hù)效率逐漸增大。陰極保護(hù)電位應(yīng)負(fù)于-950 mV才能使卵石黃泥土中的X70鋼獲得較高的保護(hù)效率;
2)在不同的陰極極化電位下,隨著試驗(yàn)時(shí)間的增長,所需施加的電流密度逐漸減小并趨于穩(wěn)定,而且隨著陰極極化電位負(fù)移的增大,所需施加的電流密度穩(wěn)定值越大。
表1 X70鋼在不同陰極電位下阻抗圖譜數(shù)據(jù)解析結(jié)果Table 1 Fitted results for EIS of X70 steel in soil at different potentials
表2 X70鋼在-950m V的陰極極化電位下阻抗圖譜隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)解析結(jié)果Table 2 Fitted results for EIS of X70 steel in soil after different days at -950 mV
[1]葛艾天,涂明躍.區(qū)域陰極保護(hù)在陜京管道站場的應(yīng)用[J].腐蝕與防護(hù),2009,30(5):343-345.
[2]孫魁.西氣東輸管道工程陰極保護(hù)技術(shù)的探討[J].石油工程建設(shè),2001,30(5):5-8.
[3]Jung-Gu Kim,Yong-wook Kim.Cathodic Protection criteria of thermally insulated pipeline buried in soil[J].Corrosion Science,2001,43:2011-2021.
[4]M.T.Lilly ,S.C.Ihekwoaba ,S.O.T.Ogaji,S.D.Probert.Prolonging the lives of buried crude-oil and natural-gas pipelines by cathodic protection[J].Applied Energy 2007(84):958-970.