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

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。目前“國家材料環境腐蝕試驗站網”已開展了大量管線鋼在全國典型土壤中的現場埋樣，積累了各種管線鋼的土壤腐蝕數據。為了提高材料的國際競爭力，實現投試環境的全球化發展，北京科技大學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物和除銹后的形貌進行了觀察和分析。結果發現，兩種鋼的腐蝕形態均為全面腐蝕加局部腐蝕，X70鋼的腐蝕均勻性較好，兩種鋼表面腐蝕產物均為FeOOH、Fe₂O₃和Fe₃O₄，Q235鋼在英國牛津土壤中埋設2年后的平均腐蝕速率大于X70管線鋼。

關鍵詞：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。室外現場埋片是土壤腐蝕試驗的基本方法，所得數據與實際最為接近。“國家材料環境腐蝕試驗站網” 在全國各種典型土壤中采用現場埋樣的方法積累了大量管線鋼材料的腐蝕數據，實現了環境試驗標準化，腐蝕檢測數字化、定量化。為了提高材料環境適應性和國際競爭力，使材料環境腐蝕數據積累走向國際化，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，并對腐蝕產物的形貌和成分進行對比分析。

1 實驗材料及方法

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

表1 實驗所用Q235鋼和X70鋼的化學成分(單位：質量百分數%)

　　

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。“國家材料環境腐蝕試驗站網”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。

2實驗結果

2.1 腐蝕形貌

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

　　　圖1 Q235鋼埋設前、埋設2年除銹前和除銹后的宏觀照片

　　圖2 X70鋼埋設前、埋設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鋼去除腐蝕產物后表面形貌SEM

2.2 腐蝕產物XRD分析

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

　　　圖5 Q235鋼在英國牛津埋樣2年后腐蝕產物 XRD分析

　　　圖6 X70鋼在英國牛津埋樣2年后腐蝕產物 XRD分析

2.3腐蝕失重率

參照“國家材料環境腐蝕試驗站網”的材料土壤腐蝕試驗規程，分別測量兩種材料在英國牛津土壤中埋設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^-之間的次生反應生成Fe(OH)₂：

　　在堿性環境下，Fe(OH)₂和OH^-結合形成Fe₃O₄^[1~2]：

　　有氧氣存在時，Fe(OH)₂能夠氧化成Fe(OH)₃：

　Fe(OH)₃轉化成更穩定的產物：

一般認為鋼鐵材料表面最初形成的腐蝕產物是γ-FeOOH，隨后轉化為α-FeOOH和γ-Fe₂O₃的混合物。Kamimura等^[3]發現暴露在工業環境中的耐候鋼表面形成的腐蝕產物中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]發現Q235鋼在含水量10%的濱海鹽土中埋樣1個月的腐蝕產物有明顯的分層現象，內層腐蝕產物較致密，為α-FeOOH，外層腐蝕產物較疏松，α-FeOOH外側分布著Fe₂O₃和Fe₃O₄。Neff等^[5~6]對不同地點出土的金屬文物研究發現，內層腐蝕產物由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物。Gerwin等^[7]對德國出土的鐵文物的研究發現，金屬內層腐蝕產物為Fe3O4，外層腐蝕產物為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：(1)材料的成分、組織結構、表面狀態、受力條件等材料因素^[8~11]；（2)土壤結構、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——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年后的腐蝕結果顯示，X70鋼表面的腐蝕產物膜的保護性優于Q235鋼，Q235 鋼的腐蝕速率大于X70鋼。

4 結論

Q235鋼和X70鋼在英國牛津土壤中埋樣2年后的腐蝕形態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。

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人物簡介

杜翠薇，女，北京科技大學新材料技術研究院教授，博士生導師，國家材料環境腐蝕平臺副主任，中國腐蝕與防護學會常務副秘書長，常務理事，承壓設備專業委員會副主任委員。長期從事材料腐蝕與防護研究工作，在Nature、Corrosion Science、Electrochimica Acta、Corrosion、金屬學報、中國腐蝕與防護學報等國內外腐蝕及材料相關的知名期刊及會議上發表學術論文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。