国内外海泥对管线钢腐蚀行为的研究现状及展望

国内外海泥对管线钢腐蚀行为的研究现状及展望

点击次数：4 发表时间：2012-12-4 16:24:49 所属分类：工作学习近年来，国内外对陆地土壤的腐蚀性开展了多种研究：从单项指标（土壤电阻率、含水量、含盐量、氧化还原电位）发展到多项综合指标（德国DVGV标准、美国ANSI标准等），提出了多种数学模型来评价和预测土壤的腐蚀性，如模式识别方法、模糊聚类分析方法、模糊灰色理论、人工神经网络方法等。

海底沉积物是一种特殊的土壤，对其腐蚀性进行研究对预防海底设施灾害性腐蚀破坏的发生具有战略性意义。

1、海泥腐蚀的研究现状

国外对海底沉积物腐蚀性的研究起步较早：20世纪80年代，King利用英国北海有关水文、地质因子资料，通过因子加权分析对其海底沉积物腐蚀性进行了区域性评估，并绘制了北海油田的海底沉积物定性腐蚀图；就钢铁在表层沉积物中腐蚀速率、SRB（硫酸盐还原菌）对腐蚀的影响进行研究发现，在SRB大量繁殖时，钢铁腐蚀速率可增加6~7倍，甚至15倍以上。

随着中国海洋石油事业的发展，有关大陆架海域海底沉积物腐蚀性的调查、评价以及相关结论的报道相继出现。

采用因子加权法对辽东湾海底沉积物的腐蚀性进行了评价与区划，绘制了辽东湾表层沉积物腐蚀性图谱。针对北部湾石油开发区海底沉积物腐蚀环境提出了具有定量性质的海底沉积物腐蚀性的二元评价法，并绘制了北部湾海域的腐蚀性图谱，还指出海泥类型是影响海泥腐蚀性的主要因素之一，与失重试验获得的钢腐蚀数据有明显的对应关系。通过多变量统计分析方法对南海珠江口东海海底沉积物腐蚀性进行了评价与区划。

对在海泥中的腐蚀产物（锈层）进行X射线衍射和穆斯堡尔图谱分析认为：海泥腐蚀初期氧的扩散作用对腐蚀速度影响不大，当有锈层存在时，氧的扩散控制作用明显增大；碳钢及低合金钢在海泥中的锈层相组成不同于在海水中形成的锈层，在海泥中只有一层锈，并粘结有海泥，碳钢的海泥锈层中α-FeOOH的含量明显少于海水锈层中的含量，而低合金钢的海泥锈层中几乎没有α-FeOOH的存在。

管线钢在海沙（不含SRB）和海泥（含有SRB）中出现了电偶效应，断电路电偶对电位差由正值变为负值，即随着时间的延长，电偶的极性发生逆转；海泥中初期电偶对阴极转变为电偶对阳极而加速腐蚀；海沙中初期电偶对阳极转变为电偶对阴极而受到一定程度的保护；这主要是由于土质充气不同而产生的氧浓差电池引起的。

利用电化学阻抗法研究了平台钢、管线钢在辽东湾海泥中的初期腐蚀

行为，提出了材料在海泥中腐蚀过程的等效电路，分析了阻抗谱随着腐蚀时间的变化特征以及极化电阻（R P）和界面电容（C d）随着时间的变化趋势，讨论了极化电阻的变化规律，探讨了不同材料在不同海泥中的相对腐蚀速度。

2、海泥对海底管道的腐蚀特性及研究手段

从腐蚀角度出发，海洋环境沿垂直方向可分为5个不同特性的腐蚀区，分别是海洋大气区、浪花飞溅区、潮差区、海水全浸区和海泥区。海底管线工程一般敷设于海底表面或浅埋，所受腐蚀作用主要发生在海泥区，该区也是第3个腐蚀峰值区。海底沉积物是海泥区的主要物质，其物理性质、化学性质和生物性质是影响腐蚀环境的3大因素，且随海域和海水深度不同而异。海底沉积物可视为固、液两相的土壤，盐度高、电阻率低。海底泥浆是一种较好的电解质，腐蚀性比陆地土壤高。

海水运动可引起海底沉积物的运动，海底含沙海流等的运动会引起钢质构筑物的磨蚀，在水土界面会形成一种典型的氧浓差腐蚀电池，而这个界面处于变化之中，会使钢质结构发生严重的局部腐蚀。

2.1、海泥腐蚀海底管道的测量方法

（1）室外实海测量腐蚀失重测量是非常重要的基础方法，但其耗时、

费力，对于金属在海泥中腐蚀速度的测量更是如此。室外实海测量类似于陆地土壤的实地埋片失重法，按试验场所不同分为现场（原位）埋片和模拟埋片失重法。

20世纪50年代，美国就在太平洋、大西洋的一些海域，把由铁等金属及其合金制成的长尺或钢桩打入海底并延伸到海洋大气区，通过腐蚀失重测量获得了多种金属在所试验海域各个腐蚀区带（包括海泥）的基础腐蚀数据，德、日、前苏联等国家也做过类似工作。中科院海洋所曾在渤海采油平台进行了表层海泥挂片腐蚀试验，取得了一定的结果，但所测得的腐蚀数据只能反映出在宏观电池作用下的腐蚀结果，不能代表实际海泥环境下的腐蚀结果。

“移植埋片”法测定金属在海泥中腐蚀速度的程序：工程地质采样→腐蚀管取样→装置试片→投入试验海域→定期取样→失重法计算腐蚀速度。该法比传统的腐蚀失重测量方法简便，能够获得较准确的金属在海泥中的腐蚀速度。

（2）室内测量室内测量包括室内模拟埋片及电化学加速测量。室内模拟埋片是指在实验室条件下利用所研究海域的海泥或类似于该海域海泥的海土模拟海泥的腐蚀环境进行埋片（单独埋片和电连接埋片），并按失重法计算金属在该海域海泥中腐蚀速率的方法，这是较为实用且使用较多的研究方法。由于不可能完全模拟海泥的腐蚀环境，所获数据只是实际

腐蚀速率的近似值。

2.2、海底沉积物的腐蚀机理研究手段

海泥腐蚀属于阴极过程受传质扩散控制的体系，影响海底沉积物腐蚀性的因素很多，大体上可分为3类，物理因素（海底流、海底沉积物的类型、电阻率、温度等），化学因素（海水氧化还原电位E h、pH值、重金属离子的含量、有机物含量等）和生物因素（微型生物的种类、含量等）。这些因素彼此的相关性及作用因材料而异，必须对其腐蚀机理进行研究，这也是准确、快速而简便地评价海底沉积物腐蚀性所必须的。

电化学加速测量仪器有的可用于现场原位测量，如中科院南京土壤所研制的极化电阻测量仪，中科院原金属腐蚀与防护研究所研制的CMB智能型土壤腐蚀速度测量仪等均可直接在现场测量数据。用于海泥中金属腐蚀速度测量的有线性极化电阻法、动电位极化法、电化学阻抗法，以上方法各有优缺点。

极化曲线是电化学腐蚀研究中的重要手段，可以通过其判断腐蚀反应的类型如活化、扩散控制、钝化、过钝化等，可参照标准有ASTM-G3，G5，G59和G61。稳态极化曲线测量包括强极化区极化曲线、弱极化区极化曲线和线性区极化曲线测量（即线性极化电阻测量）。线性极化电阻（R P）测量能够快速灵敏、连续测量瞬时腐蚀速度，是目前较为成熟的技术，国

内外已有多种实验室和现场使用的线性极化电阻仪，线性极化电阻测量技术已广泛用于评价介质的腐蚀性和测量材料的腐蚀速度。强极化曲线能够有效测量的前提是能够得到理想的Tafel直线线段，体系的速度控制步骤（RDS）、动力学参数或电极表面状态等不会因强扰动而发生本质的改变，实际测量体系常常不能满足上述条件。如在由阴极扩散控制的体系中，由于产生浓差极化而不能得到较理想的Tafel直线线段。动电位极化法能够快速比较不同海泥的相对腐蚀性，并通过极化曲线外延法确定金属的腐蚀速度，其缺点是长时间大电流作用下，金属的腐蚀控制机理和自然状态下有所不同，同时，海泥的欧姆电压降对电位的测量和控制影响较大，会改变极化曲线的形状，这些都会影响腐蚀电流测量的真实性。

2.3、海底沉积物的腐蚀性评价

目前，对土壤腐蚀性的评价无统一标准，原因是对不同类型土壤所取的腐蚀因子及各腐蚀因子在腐蚀过程中所起的作用不能统一。借用土壤腐蚀评价方法，通过各腐蚀因子作用的加合（通称加权法）对海底沉积物进行腐蚀性评价，英国绘制了北海油田的海底沉积物定性腐蚀图谱，但因所取的腐蚀因子大多是通过破坏性的测试方法而来，均未利用原位测试技术，且各腐蚀因子重要性是人为估计的，所得结果如氧化还原电位、电阻率等与原始状况有差距，可靠性较差。以“移植埋片法”为基础，结合腐蚀因子的原位测试技术、绘制表层地质腐蚀图谱，不仅在学科上是重要的，而且也是海底工程设计所必需的。

2.4、材料在海底沉积物中的腐蚀行为

在海底沉积物的腐蚀环境中，因渗进海底沉积物中的海水不易与海洋中的海水交换，氧的含量很小，仅是溶解在海水中的溶解氧。所以，依赖于氧化膜成钝态的金属材料在海底沉积物中是不耐腐蚀的。钢铁在海底沉积物中的腐蚀速率通常比海水中小，但在厌氧菌活跃的海底沉积物中的腐蚀速率可提高10倍左右；由于海底沉积物的不均匀性，对整体海底金属结构可产生多种多样的腐蚀电偶；微生物作用会引起分解、粉化等，促进了涂料和高分子工程材料在海底沉积物环境中的老化；海底阴极保护的阳极材料也会因微生物的作用而失效。一切海底工程材料的选用，必须进行海底沉积物腐蚀试验。所以，材料在海底沉积物的腐蚀行为研究不仅对设计选材很重要，对新型耐蚀材料的开发也是十分必要的。

3、展望

随着中国海洋油气资源的开发和利用，海底管线的作用日益重大，要求其工作年限长且能有效防腐蚀是十分必要的。有效的防腐蚀措施要求有科学的理论和试验数据作指导，但中国目前对海底管线钢腐蚀规律的研究还处于相对空白的状态。

利用不同的腐蚀检测和测量方法（电化学极化、阻抗法，失重法，金

相试验、腐蚀产物的扫描电镜和能谱分析试验、XRD分析产物法）探讨不同的管线钢在海泥环境中的腐蚀规律，研究其在海泥中的腐蚀机理，是为延长海底管线的使用寿命以及对海底管线的腐蚀与防护提供理论基础、促进中国海底管线发展的重要方向，今后可以从以下几方面展开研究：

（1）研究管线钢在实际海泥环境中腐蚀速度的测量方法；

（2）建立合金成分、组织结构和性能间的定量关系；

（3）准确测量腐蚀环境因子；

（4）进一步研究海泥环境对管线钢的阴极极化电流密度的影响及作用机理，建立腐蚀机制模型。