环境因素对X80管线钢在NS4溶液中腐蚀性的影响

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第４卷第３期　

装备环境工程　

２００７年０６月　

ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ　ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　・１７・　

环境因素对Ｘ８０管线钢在ＮＳ４溶液中腐蚀性的影响　

梁平　，郝献超　，陈旭　，张亮　，李晓刚　

（１．北京科技大学材料科学与工程学院，北京１０００８３；　

２．辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺１　１３００１）　

摘要：通过动电位极化方法研究了温度、溶解氧、ｐＨ值等环境因素对Ｘ８０管线钢在ＮＳ４溶液中腐蚀性　

的影响，并将三者对Ｘ８０钢腐蚀速率的影响程度进行了灰关联分析。动电位极化曲线试验结果表明：随着　

ＮＳ４溶液中溶解氧含量的减少，Ｘ８０钢的腐蚀电流密度（　…）降低，耐腐蚀性增加；随着溶液温度升高和溶液　

ｐＨ值降低，Ｘ８０钢的腐蚀电流密度增加，耐腐蚀性下降；灰关联分析结果表明：根据关联度的大小，环境因素　

对Ｘ８０钢腐蚀速率影响大小的顺序为溶解氧、溶液ｐＨ值、温度。　

关键词：Ｘ８０管线钢；ＮＳ４溶液；耐蚀性；灰关联　

中图分类号：ＴＧ１７２．７　文献标识码：Ａ　

文章编号：１６７２—９２４２（２００７）０３—００１７—０４　

Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｆａｃｔｏｒｓ　

ｏｎ　ｔｈｅ　Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　Ｘ８０　Ｐｉｐｅｌｉｎｅ　Ｓｔｅｅｌ　ｉｎ　Ｎｓ４　Ｓｏｌｕｔｉｏｎ　

ＬＩＡＮＧ鲰　，ＨＡＯ　Ｘｉａｎ—ｃｈａｏ　，ＣＨＥＮ　Ｘｕ　，ＺＨＡＮＧ　Ｌｉａｎｇ　，ＬＩ　Ｘｉａｏ—ｇａｎｇ　

（１．Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｓｒｉｔｙ　ｏｆ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ　ｎａｄ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｆｕｓｈｕｎ　１　１３００１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｆａｃｔｏｒｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ　ｏｘｙｇｅｎ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ａｎｄ　ｐＨ　ｖａｌｕｅ，ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｒｅ—　

ｓｉｓｔｎａｃｅ　ｏｆ　Ｘ８０　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｓｔｅｅｌ　ｉｎ　ＮＳ４　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｂｙ　ｐｏｔｅｎｔｉｏｄｙｎａｍｉｃ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　ｈｔｅ　ａｂｏｖｅ　

ｈｔｒｅｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｎ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｒａｔｅｓ　Ｗａｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ｇｒｅｙ　ｉｎｔｅｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌａ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｐｏｔｅｎｔｉｏｄｙｎａｍｉｃ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　

ｃｕｒｖｅｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｈｔｅ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｅｎｓｉｔｙ（ｉ…）ｏｆ　Ｘ８０　ｓｔｅｅｌ　ｒｅｄｕｃｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ　ｏｘｙｇｅｎ　ｉｎ　ＮＳ４　ｓｏｌｕｔｉｏｎ．　

Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｉｃｏｒｒ　ｂｅｃａｍｅ　ｌａｒｇｅｒ　ｗｉｈｔ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｉｍｉｎｉｓｈｍｅｎｔ　ｏｆ　ｐＨ　ｏｆ　ＮＳ４　ｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ　ｒｅ—　

ｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｒｅｙ　ｉｎｔｅｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｒａｔｅ　ａｎｄ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｗａｓ　ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ　ｏｘｙ—　

ｇｅｎ，ｐＨ，ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｄｅｇｒｅｅ．　

，　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｘ８０　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｓｔｅｅｌ；ＮＳ４　ｓｏｌｕｔｉｏｎ；ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｇｒｅｙ　ｉｎｔｅｒｒｅｌａｔｉｏｎ　

目前，我国西气东输工程中采用的是国产Ｘ７０　２１世纪管线用钢的首选钢级　。不难预见，随着我　

管线钢，而采用更高级别的管线钢由于可以节约大　国工业发展以及对能源的大量需求，Ｘ８０管线钢在　

量成本…，因此，Ｘ８０管线钢被工业发达国家列为　

我国也将具有良好的发展前景和应用价值。　

收稿日期：２００７－０４—２６　

基金项目：国家自然科学基金重大项目（５４０９９３３３）；国家科技基础条件平台建设项目（２００５０ＫＡ１４０００）　

作者简介：梁平（１９７４一），男，辽宁人，讲师，博士研究生，主要研究方向为材料腐蚀与防护。　

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ｌ８・　装备环境工程　２００７年ｏ６月　

国外诸多事实已经表明，管线钢常因在土壤中　

发生应力腐蚀开裂（Ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｃｒａｃｋｉｎｇ，ＳＣＣ）　

而造成管线失效　３　Ｊ。管线钢的土壤应力腐蚀开裂　

可分为高ｐＨ—ＳＣＣ和近中性ｐＨ—ＳＣＣ两种形式，后者　

是目前研究的热点　Ｊ。ＮＳ４溶液是研究近中性ｐＨ—　

ＳＣＣ常用的试验室模拟溶液。目前对管线钢在ＮＳ４　

溶液中的应力腐蚀开裂行为和机理已进行了广泛的　

研究　Ｊ，但对于环境因素，如温度、溶解氧、ｐＨ值　

等对管线钢在该溶液中的腐蚀行为所造成的影响则　

研究得较少。因此，以Ｘ８０管线钢为试验材料，考　

察了上述环境因素对管线钢在ＮＳ４溶液中腐蚀性　

的影响，以期为现场应用Ｘ８０管线钢提供一些可供　

参考的科学依据。　

１　试验方法　

采用有效面积为１　ｃｍ　的正方形Ｘ８０管线钢试　

样（其化学成分见表１）为工作电极，试样背面点焊　

表１　Ｘ８０管线钢的化学成分　

Ｔａｂｌｅ　ｌ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ＸＳ０　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｓｔｅｅｌ　

元素　质量分数／％　元素　质量分数／％　

Ｃ　０．０８９　Ｃｕ　０．１２　

Ｓｉ　０．１６　Ｎｂ　０．０５８　

Ｍｎ　１．６３　０．０１７　

Ｓ　０．００２５　Ｍｏ　０．４３　

Ｐ　０．０１１　Ｆｅ　９７．４８３　

引出铜导线，用环氧树脂将试样包封在聚四氟乙烯　

中。试验前工作电极用ＳｉＣ水砂纸从６０　逐级打磨　

至１０００　，然后用丙酮或无水乙醇除油，去离子水清　

洗后吹干待用。　

用分析纯化学试剂和去离子水配制ＮＳ４溶液　

（其化学组成见表２），通过冰醋酸调节溶液的ｐＨ　

表２　ＮＳ４溶液的组成　

Ｔａｂｌｅ　２　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ＮＳ４　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　

组成的化合物　ＮａＨＣＯ，　ＫＣ１　ＣａＣ１２　ＭｇＳＯ４・７Ｈ２０　

体积质量／（ｇ・Ｌ　）　０．４８３　０．１２２　０．１３７　０．１３ｌ　

值，用ｐＨＢ－４Ｈ型酸度计测试溶液ｐＨ值。采用ＨＨ　

Ｓ１１．Ｎｉ２型电热恒温水浴锅控制溶液温度。溶液中　

通人纯度大于９９．５％的Ｎ　进行除氧，通过控制通　

气时间来调节溶液中的氧含量，用Ｕｎｉｓｅｎｓｅ　ＰＡ２０００　

Ｐｉｃｏａｍｍｅｔｅｒ测氧仪来测试ＮＳ４溶液中起始氧含量。　

动电位极化曲线由ＥＧ＆Ｇ公司的Ｐｏｔｅｎｔｉｏｓｔａｔ／　

Ｇａｌｖａｎｉｏｓｔａｔ　Ｍｏｄｅｌ　２７３仪器测试完成。采用三电极　

体系，Ｘ８０管线钢试样为工作电极，大面积石墨为辅　

助电极，饱和甘汞电极（ＳＣＥ）为参比电极，溶液体积　

为０．５　Ｌ。测试时首先将工作电极在一１．３　Ｖ下预　

极化３　ｍｉｎ，以去除试样表面在空气中形成的氧化　

膜，然后将工作电极在溶液中静止１５　ｍｉｎ后以０．５　

ｍＶ／ｓ的扫描速率进行动电位极化，扫描电位范围　

为一０．２５　Ｖ（相对于开路电位）一０．６　Ｖ，并用自身软　

件对曲线的Ｅ…和／‘＇ｔｏｒｔ进行拟和。　

２试验结果与讨论　

２．１　动电位极化　

２．１．１溶解氧对腐蚀速率的影响　

将ＮＳ４溶液温度控制在２０　ｃＩ＝、ｐＨ＝８．４５等条　

件下进行动电位极化，极化曲线结果见图１，其拟和　

结果见表３。　

譬　

一　

》　

置　

、　

．　

电流密度／（Ａ．ｃｍ　）　

图１　Ｘ８０钢在不同溶解氧密度的ＮＳ４溶液中的动电位　

极化曲线　

Ｆｉｇ．１　Ｐｏｔｅｎｔｉｏｄｙｎａｍｉｃ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　Ｘ８０　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　

ｓｔｅｅｌ　ｉｎ　ＮＳ４　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ　ＯＸ—　

ｙｇｅｎ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　

表３动电位极化曲线拟和结果　

Ｔａｂｌｅ　３　Ｔｈｅ　ｆｉｔｔｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　Ｆｉｇ．１　

从图１和表３可以看出，随着ＮＳ４溶液中氧密　

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第４卷第３期　梁平等：环境因素对Ｘ８０管线钢在Ｎｓ４溶液中腐蚀性的影响　．１９．　

度从７，８５１　ｍｇ／Ｌ减少到１．９６３　ｍｇ／Ｌ时，腐蚀电流　

密度从８．４３４　ｔｚＡ／ｃｍ　降低到３．１２０　ｔｚＡ／ｃｍ　，这表　

２．１．３　ｐＨ值对腐蚀速率的影响　

将ＮＳ４溶液通人Ｎ　２　ｈ以上，以排除溶液中的　

溶解氧，然后将Ｘ８０钢在不同ｐＨ值的溶液中进行　

明溶解氧是造成Ｘ８０钢腐蚀的一个重要因素，且随　

着溶解氧密度的降低，Ｘ８０钢的耐蚀性增加。这是　

因为，当溶液中的氧未被排除时，溶解氧作为阴极的　

去极化剂，氧的含量越高，氧的传输过程越容易进　

行，阴极也越容易发生反应，从而也促进了阳极反　

应，即铁的溶解过程的进行，因而增加了腐蚀速率，　

使耐腐蚀性下降；反之，当溶解氧逐渐被排除后，由　

于氧的不足，阻碍了阴极去极化反应，从而使Ｘ８０　

的电化学腐蚀过程受到抑制，导致腐蚀速率降低，耐　

蚀性提高。　

２，１．２温度对腐蚀速率的影响　

将ＮＳ４溶液通人Ｎ　２　ｈ以上，以排除溶液中　

的溶解氧，然后将Ｘ８０钢在不同温度下的溶液中　

进行动电位极化测试，测试结果见图２，拟合结果　

见表４。　

譬　

譬　

一　

暑　

ｂ兰　

删　

电流密度／（Ａ．ｃｍ　）　

图２不同温度下Ｘ８０钢在ＮＳ４溶液中动电位极化曲线　

Ｆｉｇ．２　Ｐｏｔｅｎｔｉｏｄｙｎａｍｉｃ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　Ｘ８０　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　

ｓｔｅｅｌ　ｉｎ　ＮＳ４　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　

表４图２极化曲线拟和结果　

Ｔａｂｌｅ　４　Ｔｈｅ　ｆｉｔｔｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　Ｆｉｇ．２　

温度／℃　２０　３０　４０　５０　

腐蚀电　／ｍＶ（ｖｓ．ＳＣＥ）一７９２．０—７６０．７—７５６．４—７５５．０　

腐蚀￣ＯＴＺ／（　・ｃｍ　）３．１２０　５．９１４　８．９８３　９．４０５　

温度也是影响Ｘ８０管线钢腐蚀的一个重要因　

素。从图２和表４可以看出，随着溶液温度升高，　

Ｘ８０管线钢的腐蚀电流密度逐渐升高，腐蚀速率增　

加，耐腐性下降。这是因为温度升高以后，增加了阳　

极溶解和阴极还原反应的驱动力，反应速度因此而　

加快。　

动电位极化测试，测试结果见图３，拟合结果见表５。　

兽　

一　

＞　

暑　

删　

电流密度／（Ａ・ｃｍ　）　

图３　Ｘ８０钢在不同ｐＨ值的ＮＳ４溶液中的动电位极化曲线　

Ｆｉｇ．３　Ｐｏｔｅｎｔｉｏｄｙｎａｍｉｅ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　Ｘ８０　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　

ｓｔｅｅｌ　ｉｎ　ＮＳ４　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｐＨ　

表５图３极化曲线拟和结果　

Ｔａｂｌｅ　５　Ｔｈｅ　ｆｉｔｔｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　Ｆｉｇ．３　

从图３和表５中可以看出，随着ＮＳ４溶液ｐＨ　

值的减小，腐蚀电流密度增加。当溶液呈弱碱性或　

接近中性时，虽然随着溶液ｐＨ值的降低，Ｘ８０管线　

钢的腐蚀电流密度增加，但腐蚀电流密度仍较小，但　

当溶液ｐＨ呈酸性时，腐蚀电流密度迅速从７．８１２　

ｔｚＡ／ｃｍ　上升至２３，０１　ｐ￣Ａ／ｃｍ　，耐蚀性明显下降。　

这是因为当溶液呈弱碱性或接近中性时，生成的腐　

蚀产物附着在试样表面，从而对试样起到一定的保　

护作用。而当溶液呈酸性时，生成的腐蚀产物被溶　

解的速度加快或溶解部分所占的比重增加，从而腐　

蚀产物不能完全附着在试样表面，对试样的保护作　

用明显减弱，导致腐蚀加速。这一方面的研究正在　

进行。　

２．２灰关联分析　

灰关联分析是通过计算关联度来分析两个事物　

之间相关性程度的一种方法，其实质是曲线间几何　

形状的分析比较，即几何形状越接近，则关联度越　

大　加　。文中选取温度、ｐＨ值、含氧量为子因素，　

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２０・　装备环境工程　２００７年ｏ６月　

以腐蚀速率作为母因素，通过计算关联度，分析它们　

对Ｘ８０钢在ＮＳ４溶液中腐蚀性的影响程度。　

题［Ｊ］．焊管，２００６，２９（１）：６—１０．　

［２］　黄志潜．Ｘ８０级管线钢在高压大流量输气管道上的应　

用与发展前景［Ｊ］．焊管，２００５，２８（２）：１—１０．　

［３］ＭＡＮＦＲＥＤＩ　Ｃ，ＯＴＥＧＵＩ　Ｊ　Ｌ．Ｆａｉｌｕｒｅｓ　ｂｙ　ＳＣＣ　ｉｎ　Ｂｕｒｉｅｄ　

Ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ［Ｊ］．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｆａｉｌｕｒｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ，２００２，９：　

４９５—５０９．　

将Ｘ８０钢在不同条件下的上述腐蚀速率数据　

组成参考数列，温度、含氧量和溶液ｐＨ值组成比较　

数列，按照灰色关联度的计算方法逐步计算，分辨系　

数Ｐ采用０．５，Ｘ８０钢腐蚀速率和温度、含氧量、溶液　

ｐＨ值之间的关联度计算结果如表６所示。　

［４］ＷＡＮＧ　Ｊ　Ｑ，ＡＴＲＥＮＳ　Ａ．ＳＣＣ　Ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｘ６５　Ｐｉｅｌｐｉｎｅ　

Ｓｔｅｌ　ｉｎ　ｔｈｅ”ｈｉｇｈ”ｐＨ　Ｃａｒｂｏｎａｔｅ／ｂｉｃａｒｂｏｎａｔｅ　Ｓｏｌｕｔｉｏｎ　

表６　ｘｓ０钢腐蚀速率和环境因素的关联度　

Ｔａｂｌｅ　６　Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｆａｃｔｏｒ　ａｎｄ　ＣＯＩＴＯ－　

ｓｉｏｎ　ｒａｔｅ　ｏｆ　Ｘ８０　ｓｔｅｅｌ　ｉｎ　ＮＳ４　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　

注：　ｒ为腐蚀速率和温度之间的关联度；　。２为腐蚀速率和含氧量之间　

的关联度；　ｐＨ为腐蚀速率和年日照时数之间的关联度。　

由表６可以看出：环境因子的大小顺序为：Ｏ　

＞ｐＨ＞Ｔ，这说明环境因素对腐蚀速率影响的大小　

顺序为：溶解氧、ｐＨ值、温度。　

３　结语　

１）随着溶液中溶解氧含量的减少，Ｘ８０钢在　

ＮＳ４溶液中的腐蚀电流密度减小，耐蚀性能提高。　

随着溶液温度的升高和ｐＨ值的下降，Ｘ８０钢的腐　

蚀电流密度减小，耐蚀性能降低。　

２）通过灰关联分析确定了环境因素对腐蚀速　

率影响的从大到小顺序为：溶解氧、ｐＨ值、温度。　

参考文献：　

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