李海坤,朱鳳艷,婁月霞,韓昌柴,劉震軍,王 穎

(1. 中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司 油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室，廊坊 065000； 2. 中石化石油工程機(jī)械有限公司 沙市鋼管廠，荊州 434000； 3. 中石油管道有限責(zé)任公司 西氣東輸管道分公司，武漢 430076)

不同電阻率土壤中管線鋼的自腐蝕速率分布

李海坤1,朱鳳艷1,婁月霞2,韓昌柴3,劉震軍1,王 穎1

(1. 中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司 油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室，廊坊 065000； 2. 中石化石油工程機(jī)械有限公司 沙市鋼管廠，荊州 434000； 3. 中石油管道有限責(zé)任公司 西氣東輸管道分公司，武漢 430076)

根據(jù)國內(nèi)外127個管線鋼自腐蝕速率與當(dāng)?shù)赝寥离娮杪蕯?shù)據(jù)，建立了自腐蝕速率與土壤電阻率的關(guān)系式，并進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：在近中性及堿性土壤環(huán)境中，管線鋼自腐蝕速率與當(dāng)?shù)赝寥离娮杪实膶?shù)近似成反比關(guān)系，管線鋼自腐蝕速率符合weibull分布，隨著土壤電阻率降低，腐蝕數(shù)據(jù)更加離散;管線鋼在酸性土壤中的自腐蝕速率往往比在相同電阻率的近中性和堿性土壤中的更高。

土壤電阻率；管線鋼；自腐蝕速率

金屬土壤腐蝕是材料與多種環(huán)境因素共同作用的結(jié)果，具有很高的復(fù)雜性。影響自腐蝕速率的土壤參數(shù)包括土壤類型、含水量、pH、電阻率、排水特性、氯離子和硫酸根離子含量、溫度及氧化還原電位。為了考察這些因素對土壤腐蝕性的貢獻(xiàn)，人們先采用模糊聚類等方法分析土壤腐蝕數(shù)據(jù)，再利用灰關(guān)聯(lián)、層次分析、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等手段構(gòu)建土壤腐蝕性模型[1-4]。工程設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)土壤腐蝕性參數(shù)和腐蝕模型估計(jì)鋼材的自腐蝕速率，以便在設(shè)計(jì)參數(shù)中給出腐蝕裕量并對工程的安全性作出評價。目前，用于判斷土壤腐蝕性的標(biāo)準(zhǔn)方法包括GB 50021-2009《巖土工程勘察規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)[5]和GB 50568-2010《油氣田及管道巖土工程勘察規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)[6]附錄A。GB 50021-2009標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：根據(jù)土壤pH、氧化還原電位、視電阻率、極化電流密度、質(zhì)量損失等多項(xiàng)指標(biāo)判定土壤腐蝕性。多參數(shù)土壤腐蝕性模型由于需要測試多種土壤參數(shù)，更適合應(yīng)用于區(qū)域性工程，但不同地區(qū)之間土壤差異往往比較大，對于經(jīng)?？缭缴锨Ч锏墓艿蓝燥@得過于復(fù)雜。因此，目前管道行業(yè)采用GB 50568-2010標(biāo)準(zhǔn)推薦的更加簡便的土壤電阻率判斷法則。

研究顯示，平均點(diǎn)蝕速率與土壤電阻率的自然對數(shù)大致成反比關(guān)系[7]，但測試數(shù)據(jù)分布顯示出較大的離散性。點(diǎn)蝕速率都隨土壤電阻率的增大而降低，但是當(dāng)土壤電阻率較低時，各文獻(xiàn)給出的自腐蝕速率差距較大[8-13]。可見，僅僅根據(jù)土壤電阻率預(yù)測土壤自腐蝕速率會產(chǎn)生較大的偏差。

目前，國外一般采用基于可靠性的設(shè)計(jì)與評價方法對新材料、新運(yùn)營條件下的管道進(jìn)行設(shè)計(jì)，管道可靠性設(shè)計(jì)及評價方法不僅要求給出管線鋼自腐蝕速率參數(shù)估計(jì)值，而且要求給出數(shù)據(jù)的分布模型和標(biāo)準(zhǔn)偏差[14-15]，而GB 50568-2010標(biāo)準(zhǔn)只給出了自腐蝕速率的大致范圍，并沒有給出腐蝕數(shù)據(jù)分布模型，因此有必要開發(fā)一個簡便而有效的管線鋼自腐蝕速率預(yù)測模型并給出數(shù)據(jù)分布。

1 腐蝕模型及數(shù)據(jù)分布

與腐蝕性相關(guān)的土壤參數(shù)可以分類為：(1) 含水量、土壤類型、排水特性，這些參數(shù)都與土壤含水量有關(guān)；(2) 土壤pH；(3) 土壤電阻率；(4) 離子濃度；(5) 溫度；(6) 氧化還原電位。梁平等[1]研究認(rèn)為影響X70 鋼土壤腐蝕性的主要因素從大到小的順序和權(quán)重依次為 土壤pH(0.405 0)>含水量(0.251 7)>電導(dǎo)率(0.149 3)>全鹽(0.086 8)>Cl-(0.050 1)>NO3-(0.029 1)>SO42-(0.017 3)>HCO3-(0.010 7)。這些腐蝕因素中的獨(dú)立變量為土壤pH、含水量、全鹽(或離子濃度)。土壤電阻率反映了土壤傳導(dǎo)腐蝕電流的能力，它是土壤含水量和載流離子濃度的函數(shù)[16-18]，在一定程度上綜合反映了多個參數(shù)對土壤腐蝕性的貢獻(xiàn)。因此影響X70鋼土壤腐蝕性的主要因素從大到小的順序可以簡化為土壤pH>土壤電阻率。國內(nèi)低pH土壤基本為酸性紅壤，基于此，可以把國內(nèi)陸地土壤分為酸性紅壤、近中性及堿性土壤兩類，然后統(tǒng)計(jì)管線鋼自腐蝕速率與土壤電阻率的關(guān)系。

將統(tǒng)計(jì)的加拿大和美國[19]高電阻率土壤中12個測試點(diǎn)的47個管線鋼自腐蝕數(shù)據(jù)和國內(nèi)土壤中測試的80個管線鋼自腐蝕數(shù)據(jù)與土壤電阻率對數(shù)作圖，結(jié)果如圖1所示。由圖1可見：當(dāng)土壤電阻率大于350 Ω·m時，管線鋼的自腐蝕速率低于0.025 4 mm/a，而且數(shù)據(jù)離散度很低；當(dāng)土壤電阻率低于350 Ω·m時，自腐蝕速率的數(shù)據(jù)離散度較大。管線鋼自腐蝕速率離散的點(diǎn)中有相當(dāng)一部分來自酸性土壤試驗(yàn)點(diǎn)，如果排除酸性土壤，腐蝕數(shù)據(jù)將得到較大收斂。兩個偏差較大值分別來自大慶蘇打鹽土和大港濱海鹽漬土，這可能與大港地區(qū)土壤中管線鋼的自腐蝕速率主要受氧擴(kuò)散控制有關(guān)[20]。陰極保護(hù)斷電電位達(dá)到-850 mV的情況下，超過93%測試點(diǎn)測得的自腐蝕速率低于0.025 4 mm/a。

圖1 自腐蝕速率與土壤電阻率的關(guān)系曲線Fig. 1 Correlation of free corrosion rate with soil resistivity

把圖1中近中性及堿性土壤(pH>5.5)中的自腐蝕速率數(shù)據(jù)按照土壤電阻率劃分為大于100 Ω·m，100～50 Ω·m，50～2 Ω·m和小于20 Ω·m等四個區(qū)間，對各區(qū)間的腐蝕數(shù)據(jù)分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖2～5所示。

圖2 土壤電阻率大于100 Ω·m時腐蝕數(shù)據(jù)的分布Fig. 2 Distribution of corrosion data with soil resistivity greater than 100 Ω·m

圖3 土壤電阻率在50～100 Ω·m時腐蝕數(shù)據(jù)的分布Fig. 3 Distribution of corrosion data with soil resistivity of 50～100 Ω·m

圖4 土壤電阻率在20～50 Ω·m時腐蝕數(shù)據(jù)的分布Fig. 4 Distribution of corrosion data with soil resistivity of 20～50 Ω·m

圖5 土壤電阻率小于20 Ω·m時腐蝕數(shù)據(jù)的分布Fig. 5 Distribution of corrosion data with soil resistivity less than 20 Ω·m

由圖2～5可見，在各土壤電阻率區(qū)間，管線鋼的自腐蝕速率分布規(guī)律基本符合weibull分布，當(dāng)土壤電阻率減小時自腐蝕速率峰值向高自腐蝕速率區(qū)域移動，峰的寬度變寬。

將不同土壤電阻率區(qū)間weibull曲線的峰值連接,基本可得一條直線(即圖1中的計(jì)算值)，該直線符合式(1)。

(1)

式中：vc為自腐蝕速率，mm/a；Rs為土壤電阻率，Ω·m。

計(jì)算可知，現(xiàn)場測量值與計(jì)算值之間的標(biāo)準(zhǔn)差為0.026，極差為0.141 mm/a。超過95%的自腐蝕速率測量值相對式(1)計(jì)算值的偏差小于0.042 mm/a，超過90%的自腐蝕速率測量值相對式(1)計(jì)算值的偏差小于0.038 mm/a。圖1中的標(biāo)準(zhǔn)值是根據(jù)GB 50568-2010[6]附錄A一般地區(qū)土壤腐蝕性分級標(biāo)準(zhǔn)畫出的，根據(jù)式(1)計(jì)算的自腐蝕速率相對保守些。

2 腐蝕模型的驗(yàn)證

2.1 腐蝕模型的適用性

圖6是國內(nèi)6個測試點(diǎn)管線鋼自腐蝕速率與土壤電阻率的關(guān)系。由圖6可見，管線鋼自腐蝕速率極差對應(yīng)的數(shù)據(jù)來自鷹潭酸性土壤(pH為4.35)?？梢姡嵝耘c堿性土壤環(huán)境的腐蝕性應(yīng)該分開進(jìn)行評價，酸性土壤中管線鋼的自腐蝕速率不能依據(jù)土壤電阻率對數(shù)關(guān)系進(jìn)行評價。采用式(1)對國內(nèi)的6個測試點(diǎn)的腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明：堿性環(huán)境中，超過90%的自腐蝕速率測量值相對計(jì)算值的偏差小于0.045 mm/a，超過80%的自腐蝕速率測量值相對計(jì)算值的偏差小于0.025 mm/a。如果排除酸性土壤環(huán)境，自腐蝕速率與土壤電阻率具有很高的相關(guān)性。

圖6 圖內(nèi)6個測試點(diǎn)自腐蝕速率與土壤電阻率的關(guān)系曲線Fig. 6 Correlation of free corrosion rate with soil resistivity of six domestic test points

為了考察式(1)的推廣應(yīng)用價值，統(tǒng)計(jì)了長江中下游地區(qū)另一組管線鋼自腐蝕速率數(shù)據(jù)與土壤電阻率的關(guān)系，結(jié)果如圖7所示。由圖7可見，管線鋼的自腐蝕速率與土壤電阻率對數(shù)大致成反比，但高于計(jì)算值，陰極保護(hù)試片自腐蝕速率全部低于0.025 4 mm/a。計(jì)算顯示，現(xiàn)場測量的自腐蝕速率與計(jì)算值之間的標(biāo)準(zhǔn)差為0.026 5，極差為0.047 mm/a，該標(biāo)準(zhǔn)差接近式(1)所依據(jù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差?？梢娛?1)具有推廣應(yīng)用價值。

圖7 長江中下游地區(qū)管線鋼的自腐蝕速率與土壤電阻率的關(guān)系曲線Fig. 7 Correlation of free corrosion rate of pipeline steel with soil resistivity in the middle and lower reaches of Yangtze river

2.2 影響自腐蝕速率數(shù)據(jù)離散性的因素

土壤電阻率與土壤腐蝕性有關(guān)的原理為：在潮濕的土壤中鋼材表面會形成一層聯(lián)系鋼材表面陽極區(qū)和陰極區(qū)的液膜，促進(jìn)了陰、陽極區(qū)的電化學(xué)反應(yīng)；土壤電阻率越大，該液膜越薄，導(dǎo)電性能越差，則對電化學(xué)腐蝕的阻力越大；相反，低電阻環(huán)境會增大自腐蝕速率。大氣腐蝕研究顯示，相對濕度為60%時，鋼鐵表面就能形成一層液膜以維持電化學(xué)腐蝕反應(yīng)[21]。在粘土中要得到60%相對濕度，其含水飽和度需達(dá)到42%(體積分?jǐn)?shù))以上，而在泥沙比例為50/50的土壤中則只需要30%的含水飽和度[22]。研究表明，土壤電阻率隨土壤含水飽和度的增加而減小，當(dāng)含水飽和度較低時，土壤含水飽和度的微小變化即可引起土壤電阻率劇烈變化，而含飽和度較高時，土壤電阻率受含水飽和度影響較小，轉(zhuǎn)變點(diǎn)大約在含水飽和度35%附近[23]。

自腐蝕速率一般在土壤含水量23%～28%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)附近達(dá)到最大[24-25]，隨著土壤中有機(jī)物含量的增加，土壤飽和含水量逐漸增加，一般在20%～40%，有機(jī)物含量較低的土壤，其飽和含水量基本在30%以下[26]。可見，自腐蝕速率最大值發(fā)生在土壤含水量達(dá)到飽和時，此時土壤顆粒間隙的空氣濕度達(dá)到飽和。當(dāng)土壤含水量超過飽和狀態(tài)時，土壤顆粒間隙的空氣逐漸被水替代，自腐蝕速率轉(zhuǎn)為氧擴(kuò)散控制，自腐蝕速率逐漸降低[20]。同一土壤中，隨著含水量的增加，土壤電阻率呈對數(shù)函數(shù)減小，在高含水量情況下土壤電阻率變化很小[18,27-30]。這導(dǎo)致在低土壤電阻率情況下，土壤可能處于飽和狀態(tài)，自腐蝕速率較大，也可能處于不飽和或過飽和狀態(tài)，自腐蝕速率較小。因此，根據(jù)土壤電阻率預(yù)測自腐蝕速率在低土壤電阻率情況下會存在較大的偏差。

3 結(jié)論

(1) 在近中性與堿性土壤環(huán)境中，自腐蝕速率與土壤電阻率的對數(shù)近似存在反比關(guān)系。

(2) 自腐蝕速率數(shù)據(jù)符合韋伯分布，總體標(biāo)準(zhǔn)差0.026 mm/a，隨著土壤電阻率降低腐蝕數(shù)據(jù)離散度變大。

(3) 管線鋼在酸性土壤中的自腐蝕速率往往比在相同電阻率的近中性和堿性土壤中的更高。

[1] 梁平,李曉剛,杜翠薇,等. 影響埋地X70管線鋼腐蝕性的土壤因素評價[J]. 腐蝕與防護(hù)，2009，30(8)：526-530.

[2] 梁平,杜翠薇,余杰，等. Q235鋼在庫爾勒地區(qū)土壤腐蝕性的影響因素分析[J]. 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2010，22(2)：146-149.

[3] 魯慶，穆志純. 層線性模型在碳鋼土壤腐蝕規(guī)律中的應(yīng)用研究[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35(11)：1458-1464.

[4] 周淑梅. 一種過程神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在管道土壤腐蝕速率預(yù)測中的應(yīng)用[J]. 齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，24(4)：5-9.

[5] 中華人民共和國建設(shè)部. 巖土工程勘察規(guī)范：GB 50021-2009[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[6] 中國石油天然氣管道工程有限公司. 油氣田及管道巖土工程勘察規(guī)范：GB 50568-2010[S]. 北京，中國計(jì)劃出版社，2010.

[7] FARRAG K A. External corrosion growth rate from soil properties[C]//Proceedings of the 8th International Pipeline Conference. [S.l.]:[s.n.],2010:627-634.

[8] Pipeline external corosion direct assessment method-ology: ANSI/NACE Standard RP 0502-2002[S]. Houston:NACE Interational,2002.

[9] RICKER R E. Analysis of pipeline steel corrosion data from NBS(NIST) studies conducted between 1922-1940 and relevance to pipeline management[J]. Journal of Research of the National Institute of Standards & Technology,2010,115(5):373-392.

[10] SIMON T，PRAGER L H，VOERMANS C V M，et al. Deterministic pipeline integrity assessment to optimize corrosion control and reduce cost:02075[C]//Corrosion 2002. [S.l.]:NACE international,2002.

[11] BABOIAN R. NACE corrosion engineer′s reference book[M]. Huston:NACE International,2002.

[12] Managing system integrity of gas pipelines:ASME B31.8S-2004[S].

[13] ZHOU W X. Guidelines for reliability based design and assessment of onshore natural gas pipelines[R]. Virginia:Pipeline Rssearch Council International，2011.

[14] 張振永，張金源，余志峰，等. 基于可靠性設(shè)計(jì)與評價方法在天然氣管道中的應(yīng)用[C]//中國國際管道會議論文集. 廊坊：石油工業(yè)出版社，2013:94-101.

[15] 張志祥，徐紹輝，崔峻嶺，等. 電阻率法確定土壤水分特征曲線初探[J]. 土壤，2013，45(6)：1127-1132.

[16] 劉磊. 土壤電阻率估算及影響因素研究[D]. 南京：南京信息工程大學(xué)，2011.

[17] 張潤霞，王益權(quán)，解迎革. 鹽分對土壤電阻率的影響研究[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2015，33(2)：208-212.

[18] BOVEN G V，KING F. The effects of seasonal changes on the cathodic protection of pipelines in high resistivity soils:GRI-04/0095[R]. [S.l.]:[s.n.],2005.

[19] 翁永基，李相怡，楊建平. 大港油田土壤腐蝕模型研究[J]. 石油學(xué)報(bào)，1996，17(3)：137-144.

[20] SHREIR L，JARMAN R A，BURSTEIN G T. Corrosion:Metal/Environment Reactions[M]. [S.l.]:[s.n.],1994.

[21] BEEN J，KING F. Relationship between soil resistivity,soil moisture content and the incidence of corrosion and/or environmental cracking:NRTC-01788[R]//NOVA Reearch & Technology Centre Report. [S.l.]:[s.n.],2004.

[22] CHAUHAN S P S，KATE J M. Experimental stu-dies on the effects of density and moisture content on resistivity of soils[J]. Indian Geotechnical Journal，1983，13(1)：65-70.

[23] 陳旭，杜翠薇，李曉剛，等. 含水量對X70鋼在大港濱海鹽漬土壤中腐蝕行為的影響[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30(7)：730-734.

[24] 馬珂，曹備，陳杉檬. 含水量對Q235鋼土壤腐蝕行為的影響[J]. 腐蝕與防護(hù)，2014，35(9)：922-924.

[25] 何熙，韋武思，孫榮國，等. 秸稈改良材料對沙質(zhì)土壤飽和含水量的影響[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2012，28(9)：75-79.

[26] 章鋼婭，劉順民，孫慧珍. 塔里木地區(qū)土壤電阻率的影響因素研究[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2006，43(1)：160-162.

[27] 吳云清. 從化地區(qū)多層次土壤電阻率季節(jié)變化特征研究[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2013.

[28] 許曉輝. 黃淮海地區(qū)典型土壤的巖土物理學(xué)關(guān)系研究[D]. 淄博：山東理工大學(xué)，2014.

[29] 聶向暉，杜鶴，杜翠薇,等. 大港土電阻率的測量及其導(dǎo)電模型[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30(9)：982-985.

Distribution of Free Corrosion Rate of Pipeline Steel in Soil with Different Resistivity

LI Haikun1, ZHU Fengyan1, LOU Yuexia2, HAN Changchai3, LIU Zhenjun1, WANG Ying1

(1. National Engineering Laboratory for Pipeline Safety, China Petroleum Pipeline Research Institute Co., Ltd., Langfang 065000, China； 2. Shashi Steel Pipe Factory, Sinopec Oilfield Equipment Corporation, Jingzhou 434000, China；3. Petro China West-East Gas Pipeline Company, Wuhan 430076, China)

The function between free corrosion rate of pipeline steel and soil resistivity was set up and verified using 127 data of free corrosion rate and soil resistivity from home and abroad. The results show that the free corrosion rate of pipeline steel and the logarithm of soil resistivity have an inverse relationship approximately in neutral and alkaline soil. The data of free corrosion rate follow the Weibull distribution. When the soil resistivity decreases, the distribution of corrosion data becomes more scatter. The free corrosion rate of pipeline steel in acid soil is greater than that in neutral and alkaline soil with the same resivitity.

soil resistivity；pipeline steel；free corrosion rate

10.11973/fsyfh-201708006

2014-04-22

李海坤(1978-)，工程師，碩士，主要從事油氣管道腐蝕與防護(hù)技術(shù)研究，18131643601，lihk78@126.com

TG172

A

1005-748X(2017)08-0598-04