杜翠薇¹，王力偉¹，李曉剛¹，劉智勇¹，汪崧¹，高瑾¹，吳俊升¹，黃一中²

1. 北京科技大學(xué)腐蝕與防護中心，教育部腐蝕與防護重點實驗室，北京100083

2. 南洋理工大學(xué)

Email:, ducuiwei@yahoo.com.cn lixiaogang99@263.net
 
摘 要：土壤腐蝕是埋地管線鋼腐蝕失效的主要形式之一，現(xiàn)場埋樣實驗是研究土壤腐蝕最可靠的試驗方法，能夠獲得最原始的資料，為合理選材和加強防護提供了依據(jù)。目前“國家材料環(huán)境腐蝕試驗站網(wǎng)”已開展了大量管線鋼在全國典型土壤中的現(xiàn)場埋樣，積累了各種管線鋼的土壤腐蝕數(shù)據(jù)。為了提高材料的國際競爭力，實現(xiàn)投試環(huán)境的全球化發(fā)展，北京科技大學(xué)腐蝕與防護中心進行了Q235鋼和X70鋼在英國土壤埋樣試驗。通過失重法測量了Q235鋼和X70管線鋼在英國牛津埋樣2年后的平均腐蝕速率，并利用掃描電鏡和X射線衍射對兩種材料的腐蝕產(chǎn)物和除銹后的形貌進行了觀察和分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種鋼的腐蝕形態(tài)均為全面腐蝕加局部腐蝕，X70鋼的腐蝕均勻性較好，兩種鋼表面腐蝕產(chǎn)物均為FeOOH、Fe₂O₃和Fe₃O₄，Q235鋼在英國牛津土壤中埋設(shè)2年后的平均腐蝕速率大于X70管線鋼。

關(guān)鍵詞：Q235鋼;X70鋼;英國牛津;土壤腐蝕
 
引言

土壤腐蝕是埋地管線鋼的主要腐蝕失效形式之一。室外現(xiàn)場埋片是土壤腐蝕試驗的基本方法，所得數(shù)據(jù)與實際最為接近。“國家材料環(huán)境腐蝕試驗站網(wǎng)” 在全國各種典型土壤中采用現(xiàn)場埋樣的方法積累了大量管線鋼材料的腐蝕數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了環(huán)境試驗標準化，腐蝕檢測數(shù)字化、定量化。為了提高材料環(huán)境適應(yīng)性和國際競爭力，使材料環(huán)境腐蝕數(shù)據(jù)積累走向國際化，本文選用兩種典型管線材料Q235鋼和X70鋼在英國牛津草甸土壤中進行現(xiàn)場埋樣，埋樣時間為2年，分別測量兩種材料的腐蝕失重率，并對腐蝕產(chǎn)物的形貌和成分進行對比分析。

1 實驗材料及方法

埋設(shè)所用Q235 鋼和X70鋼試樣的尺寸為80mm×40mm×4mm，化學(xué)成分見表所示，試件的前處理、除銹處理及埋設(shè)等均參照”國家材料環(huán)境腐蝕試驗站網(wǎng)”的材料土壤腐蝕試驗規(guī)程。

表1 實驗所用Q235鋼和X70鋼的化學(xué)成分(單位：質(zhì)量百分數(shù)%)

　　

牛津位于大不列顛南部，屬于溫帶海洋性氣候，四季溫差小，夏季涼爽，冬季溫暖，空氣濕潤，多雨霧，秋冬尤甚。“國家材料環(huán)境腐蝕試驗站網(wǎng)”牛津土壤試驗站的土壤類型為褐土，主要特征是：表土呈褐色至棕黃色;剖面中、下部有粘粒和鈣的積聚;呈中性(表層)至微堿性(心底土層)反應(yīng)。

2實驗結(jié)果

2.1 腐蝕形貌

圖1和圖2分別為Q235鋼和X70鋼試件埋設(shè)前、埋設(shè)2年后除銹前和除銹后的宏觀照片。可以看出，兩種試件在英國牛津土壤試驗站埋設(shè)2年后，表面均附著有較厚的棕紅色腐蝕產(chǎn)物，X70鋼的腐蝕產(chǎn)物的分布較均勻，厚度在整個表面基本相同，Q235鋼的腐蝕產(chǎn)物層表現(xiàn)出局部性，產(chǎn)物層的厚度不均勻。經(jīng)過除銹后，X70鋼的腐蝕深度均勻，局部出現(xiàn)小的、淺的腐蝕坑，Q235鋼的腐蝕嚴重，腐蝕坑深且連成片。圖3是兩種鋼去除表面腐蝕產(chǎn)物膜的掃描電鏡圖像，X70鋼的腐蝕產(chǎn)物較致密，Q235鋼的腐蝕產(chǎn)物層出現(xiàn)開裂。圖4為兩種鋼去除表面腐蝕產(chǎn)物后的蝕坑放大圖，可以看出Q235鋼的蝕坑深度大于X70鋼。

　　　圖1 Q235鋼埋設(shè)前、埋設(shè)2年除銹前和除銹后的宏觀照片

　　圖2 X70鋼埋設(shè)前、埋設(shè)2年除銹前和除銹后的宏觀照片

　　　圖3 Q235鋼和X70鋼腐蝕后表面形貌SEM

　　　圖4 Q235鋼和X70鋼去除腐蝕產(chǎn)物后表面形貌SEM

2.2 腐蝕產(chǎn)物XRD分析

Q235鋼和X70鋼在英國牛津土壤中埋樣2年的腐蝕產(chǎn)物XRD分析結(jié)果如圖5和圖6所示，兩種鋼的腐蝕產(chǎn)物均為FeOOH、Fe₂O₃和Fe₃O₄。#p#副標題#e#

　　　圖5 Q235鋼在英國牛津埋樣2年后腐蝕產(chǎn)物 XRD分析

　　　圖6 X70鋼在英國牛津埋樣2年后腐蝕產(chǎn)物 XRD分析

2.3腐蝕失重率

參照“國家材料環(huán)境腐蝕試驗站網(wǎng)”的材料土壤腐蝕試驗規(guī)程，分別測量兩種材料在英國牛津土壤中埋設(shè)2年后的腐蝕失重率并計算平均腐蝕速率，Q235鋼的腐蝕失重率為0.511%，平均腐蝕速率為0.654g/(dm²•a)；X70鋼的腐蝕失重率為0.496%，平均腐蝕速率為0.618 g/(dm²•a)。

3 分析討論

　　碳鋼在中堿性土壤中的陰極反應(yīng)為氧的還原：

　　陽極過程是金屬的溶解：

　　Fe²⁺和OH^-之間的次生反應(yīng)生成Fe(OH)₂：

　　在堿性環(huán)境下，F(xiàn)e(OH)₂和OH^-結(jié)合形成Fe₃O₄^[1~2]：

　　有氧氣存在時，F(xiàn)e(OH)₂能夠氧化成Fe(OH)₃：

　Fe(OH)₃轉(zhuǎn)化成更穩(wěn)定的產(chǎn)物：

一般認為鋼鐵材料表面最初形成的腐蝕產(chǎn)物是γ-FeOOH，隨后轉(zhuǎn)化為α-FeOOH和γ-Fe₂O₃的混合物。Kamimura等^[3]發(fā)現(xiàn)暴露在工業(yè)環(huán)境中的耐候鋼表面形成的腐蝕產(chǎn)物中α-FeOOH與γ-FeOOH的比值隨著暴露時間的延長而增加。聶向暉等^[4]發(fā)現(xiàn)Q235鋼在含水量10%的濱海鹽土中埋樣1個月的腐蝕產(chǎn)物有明顯的分層現(xiàn)象，內(nèi)層腐蝕產(chǎn)物較致密，為α-FeOOH，外層腐蝕產(chǎn)物較疏松，α-FeOOH外側(cè)分布著Fe₂O₃和Fe₃O₄。Neff等^[5~6]對不同地點出土的金屬文物研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)層腐蝕產(chǎn)物由γ-Fe₂O₃和Fe₃O₄呈條帶狀分布在α-FeOOH基體上組成，其密度大于外層腐蝕產(chǎn)物。Gerwin等^[7]對德國出土的鐵文物的研究發(fā)現(xiàn)，金屬內(nèi)層腐蝕產(chǎn)物為Fe3O4，外層腐蝕產(chǎn)物為α-FeOOH。#p#副標題#e#

　圖7 Q235鋼和X70鋼的顯微組織
 

金屬材料在土壤中的腐蝕與兩方面因素有關(guān)：(1)材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、受力條件等材料因素^[8~11]；（2)土壤結(jié)構(gòu)、電阻率、含鹽量、氧氣含量、含水量、pH值、溫度、壓力、微生物種類等環(huán)境因素^[12~15]。圖7為Q235鋼和X70鋼的金相組織顯微照片， Q235鋼的組織主要由鐵素體和珠光體組成，由于碳含量較低，珠光體含量相對比較少，沿軋制方向略呈條帶狀分布。X70鋼組織主要為多邊形鐵素體晶粒，鐵素體晶粒間均勻分布著細小的粒狀馬氏體-奧氏體相(M-A島，起細化晶粒和強化作用)，且存在一定的變形織構(gòu)——其軋面晶粒較大而垂直軋面方向晶粒較小。兩種鋼在英國牛津土壤中埋樣2年后的腐蝕結(jié)果顯示，X70鋼表面的腐蝕產(chǎn)物膜的保護性優(yōu)于Q235鋼，Q235 鋼的腐蝕速率大于X70鋼。

4 結(jié)論

Q235鋼和X70鋼在英國牛津土壤中埋樣2年后的腐蝕形態(tài)均為全面腐蝕加局部腐蝕，Q235鋼局部點蝕深度大于X70鋼。

Q235鋼和X70鋼的表面腐蝕產(chǎn)物膜成分相同，均為FeOOH、Fe₂O₃和Fe₃O₄ 。

Q235鋼在英國牛津土壤中的腐蝕速率大于 X70鋼。

參考文獻

[1] Giddey S, Cherry B, Lawson S, Forsyth M. Stability of oxide films formed on mild steel in turbulent flow conditions of alkaline solutions at elevated temperatures [J]. Corrosion Science, 2001, 43: 1497-1517.

[2] Cheng Y F, Steward F R. Corrosion of carbon steels in high-temperature water studied by electrochemical techniques [J]. Corrosion Science, 2004, 46: 2405-2420.

[3] Kamimura T, Hara S, Miyuki H, et al. Composition and protective ability of rust layer formed on weathering steel exposed to various environments [J]. Corrosion Science, 2006, 48:2799-2812.

[4] Nie X H, Li Y L, Li J K, et al. Morphology, Products and Cor rosion Mechanism Analy sis of Q235 Carbon Steel in Sea-shore Salty Soil [J]. Material Engineering, 2010, (8): 24-28.

　　(聶向暉, 李云龍, 李記科, 等. Q235碳鋼在濱海鹽土中的腐蝕形貌、產(chǎn)物及機理分析[J]. 材料工程, 2010(8): 24-28.)

[5] Neff D, Dillmann P, Bellot-Gurlet L, et al. Corrosion of iron archaeological artefacts in soil: characterisation of the corrosion system [J]. Corrosion Science. 2005, 47(2): 515-535.

[6] Neff D, Dillmann P, Descostes M, et al. Corrosion of iron archaeological artefacts in soil: Estimation of the average corrosion rates involving analytical techniques and thermodynamic calculations[J]. Corrosion Science, 2006, 48(10): 2947-2970.

[7] Gerwin W, Baumhauer R. Effect of soil parameters on the corrosion of archaeological metal finds [J]. Geoderma, 2000, 96: 63-80.

[8] Leygraf C, Corrosion-induced release of chromium and iron from ferritic stainless steel grade AISI 430 in simulated food contact [J]. Journal of Food Engineering, 2008, 87: 291-300.

[9] Takenaka T, Ono T, Narazaki Y, et al. Improvement of corrosion resistance of magnesium metal by rare earth elements [J]. Electrochimica Acta, 2007, 57: 117-121.

[10] Wu Y F, Chiang W C, Wu J K. Effect of crystallization on Effect of crystallization on corrosion behavior ofFe40Ni38B18Mo4 amorphous alloy in 3.5% sodium chloride solution [J]. Materials Letters, 2008, 62: 1554-1556.

[11] Du C W, Liu Z Y, Liang P, et al. Short-term corrosion behavior of X70 pipeline steel with different microstructure in Kuerle soil with saturated water[J]. Heat Treatment of Metals, 2008, 33(6), 80-84.

　　(杜翠薇, 劉智勇, 梁平, 等. 不同組織 X70 鋼在庫爾勒含飽和水土壤中的短期腐蝕行為[J]. 金屬熱處理, 2008, 33(6), 80-84.)

[12] Murray J, Moran P. Influence of moisture on corrosion of pipeline steel in soils using in Suit impedance spectroscopy [J]. Corrosion, 1989, 45(1): 33-43.

[13] Ferreiraa C A M, Ponciano J A C, Vaitsman D S, et al. Evaluation of the corrosivity of the soil through its chemical composition [J]. Science of the Total Environment, 2007, 38(1-3): 250-255.

[14] Oguzie E E, Agochukwu I B, Onuchukwu A I. Monitoring the corrosion susceptibility of mild steel in varied soil textures by corrosion product count technique[J]. Materials Chemistry and Physics, 2004, 84: 1-6.

[15] Du C W, Li X G, Wu J W, et al. Corrosion Behavior Comparison of X70 Steel in Three Different Environments [J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2004, 26(5): 529-532.

　　(杜翠薇, 李曉剛, 武俊偉, 等. 三種土壤對 X70 鋼腐蝕行為的比較[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報, 2004, 26(5): 529-532.)

人物簡介

杜翠薇，女，北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院教授，博士生導(dǎo)師，國家材料環(huán)境腐蝕平臺副主任，中國腐蝕與防護學(xué)會常務(wù)副秘書長，常務(wù)理事，承壓設(shè)備專業(yè)委員會副主任委員。長期從事材料腐蝕與防護研究工作，在Nature、Corrosion Science、Electrochimica Acta、Corrosion、金屬學(xué)報、中國腐蝕與防護學(xué)報等國內(nèi)外腐蝕及材料相關(guān)的知名期刊及會議上發(fā)表學(xué)術(shù)論文150 余篇，其中SCI/EI 論文近100 篇，合作編寫專著7 部，教材1 部，獲得國家專利12 項，省部級獎勵多項。