氯化镧对X80管线钢在酸性土壤模拟溶液中腐蚀行为的影响

王 莹，梁 平，胡传顺，王晓莉，赵 阳，杨 韬

（1.辽宁石油化工大学 机械工程学院，抚顺113001；2.天津石油职业技术学院 电子信息系，天津301607）

我国西气东输二线工程采用的是强度和韧性都较高的X80管线钢，然而，该工程途经碱性、中性和酸性等不同类型的土壤，这必定会对管线钢造成不同程度的腐蚀。现场埋片试验结果表明，在东南部酸性土壤环境中，X80钢具有较高的腐蚀倾向性[1]，因此，研究X80钢在酸性土壤中的腐蚀防护措施对于保证管线钢的长周期安全运行有着重要意义。已有研究结果表明，稀土元素可有效提高金属的耐腐蚀性能[2－4]。目前现场使用的X80钢并没有而且也不可能再加入稀土元素，但如果将稀土元素加入到管线钢外的有机涂层中则可大大抵御土壤对管线造成的侵蚀。基于此认识，本工作采用浸泡和极化曲线方法，结合扫描电镜和X射线衍射等技术，分析了LaCl3对X80钢腐蚀速率的影响规律和作用机制，确定了LaCl3在酸性土壤模拟溶液中使用的最佳浓度，以期为将来的应用提供参考依据。

1 试验

1.1 试验材料和试验介质

试验材料为X80管线钢，其化学成分见表1。将试样线切割成10mm×10mm×5mm的正方形试样用于进行极化曲线测试；50mm×50mm×5mm的片状试样用于实验室内的浸泡腐蚀试验，以测定腐蚀速率，并观察腐蚀形貌。两种试样用SiC砂纸逐级打磨至1000＃后，酒精擦表面，去离子水冲洗，干燥后待用。

表1 试验用X80管线钢的化学成分 %

根据江西鹰潭地区地下1～1.5m处土壤的理化性质配制土壤模拟溶液，其化学组成见表2。用5%醋酸（体积比）调节溶液pH＝4.7±0.2，溶液温度控制在（25±2）℃。按照0.25g·L－1，0.5g·L－1，1.0g·L－1LaCl3加至鹰潭土壤模拟溶液中。

表2 鹰潭土壤模拟溶液的化学组成mg·L－1

1.2 失重法

将X80钢试样放入添加有不同浓度氯化镧的鹰潭土壤模拟溶液中浸泡10d，取出并经除锈干燥后称量腐蚀后各个试样的质量，根据式（1）计算X80钢的平均腐蚀速率vcorr。

式中：W0为腐蚀前试样的质量，g；W1为去除腐蚀产物后试样的质量，g；S为试样的表面积，m2；t为浸泡时间，h；vcorr为腐蚀速率，g·m－2·h－1。

1.3 极化曲线测试

将X80钢试样放入添加不同浓度氯化镧的鹰潭土壤模拟溶液中进行极化曲线测试。采用Princepton Applied Research Paratat 2273电化学测试系统进行测试。X80钢为工作电极，石墨为辅助电极，饱和甘汞电极（SCE）为参比电极。文中若无特指，电位均相对于SCE。动电位极化曲线电位的扫描范围约为－0.25～－0.2V（相对于开路电位），扫描速率为0.50mV·s－1。

1.4 腐蚀产物膜形貌观察和组成测试

采用TESCAN扫描电镜观察X80钢腐蚀后的表面形貌，对产物膜的元素组成进行能谱（EDS）测试；采用岛津X－7000型射线衍射仪（XRD）分析产物膜的物相组成。

2 结果与讨论

2.1 LaCl3浓度对X80钢腐蚀速率的影响

图1为X80钢在含有0～1.0g·L－1LaCl3的鹰潭土壤模拟溶液中的腐蚀速率曲线。可以看出，LaCl3明显降低了X80钢的腐蚀速率，且当LaCl3浓度为0.5g·L－1时，腐蚀速率最小。因此，适量的LaCl3可以大幅度提高X80钢抗酸性土壤腐蚀的能力。

图1 X80钢在含有不同浓度LaCl3鹰潭土壤模拟溶液中的腐蚀速率

2.2 腐蚀产物膜形貌观察

图2 为X80钢在含有不同浓度LaCl3的鹰潭土壤模拟溶液中浸泡10d后的SEM图。由图2（a）可见，在鹰潭土壤模拟溶液中X80钢表面形成的腐蚀产物膜孔隙较大，产物膜薄厚不均、高低不平，致密性和平整性较差；而X80钢在加入LaCl3的溶液中形成的表面腐蚀产物膜则明显变得致密、平整、均匀，特别是当LaCl3浓度为0.5g·L－1时，表面膜没有微孔洞和微裂纹等缺陷，表面质量最好。

2.3 腐蚀产物膜的物相组成

图3为土壤模拟溶液中未加LaCl3和添加0.5g·L－1LaCl3以后，X80钢表面腐蚀产物膜的EDS测试结果。可以看出，X80钢在鹰潭土壤模拟溶液中的腐蚀产物膜主要由铁元素和氧元素组成，而在含有LaCl3的溶液中形成的腐蚀产物膜的元素组成主要是铁、氧和镧。

图3 X80钢在添加和未添加氯化镧的鹰潭土壤模拟溶液中形成的腐蚀产物膜EDS图

采用XRD对腐蚀产物膜的物相组成进一步分析，结果见图4。分析表明：X80钢在鹰潭土壤模拟溶液中形成的腐蚀产物膜主要为FeOOH，Fe（OH）3和Fe3O4，而在含有LaCl3溶液中的腐蚀产 物 主 要 是 FeOOH，Fe（OH）3，La2O3和La（OH）3。

图4 X80钢在在添加和未添加氯化镧的鹰潭土壤模拟溶液中形成的腐蚀产物膜的XRD图谱

2.4 极化曲线

图5 为X80钢在未加LaCl3和加入0.5g·L－1LaCl3鹰潭土壤模拟溶液中的极化曲线。可以看出，加入LaCl3以后，阴极极化曲线向右发生移动，表明腐蚀的阴极反应得到促进，而阳极极化曲线向左发生移动，表明腐蚀时的阳极反应得到抑制，且在相同的阳极电位下，加入LaCl3后的阳极极化电流密度更小，表明腐蚀速率减小。对极化曲线的拟合结果表明，X80钢在鹰潭土壤模拟溶液中的自腐蚀电位和自腐蚀电流密度分别为－535mV和4.208μA·cm－2，而溶液中加入LaCl3以后，自腐蚀电位和自腐蚀电流密度分别为－417mV和3.567μA·cm－2，表明LaCl3提高了X80钢在酸性土壤中的热力学稳定性，使腐蚀速率减小。

图5 X80钢在含有氯化镧的鹰潭土壤模拟溶液中的极化曲线

2.5 腐蚀机制分析

X80钢在鹰潭土壤模拟溶液中发生腐蚀时，其阳极反应可以表示为反应式（2），阴极反应可以表示为反应式（3）和（4）。

阳极反应产生的Fe2＋和阴极反应产生的OH－形成Fe（OH）2，Fe（OH）2并不稳定，继续和溶液中的O2反应形成Fe（OH）3和FeOOH[5]（见反应式6～7），并随着腐蚀时间的延长，部分产物最终形成Fe3O4，见反应式（8）。

当鹰潭土壤模拟溶液中加入0.5g·L－1LaCl3后，由阴极极化曲线可知，此时的阴极反应得到了促进，因此，反应式（4）进行得更加容易，即在相同腐蚀时间内，在阴极区形成了更多的OH－，导致OH－浓度增大，部分OH－将与溶液中加入的La3＋发生如下反应，即：

这导致XRD检测中可以分析到La（OH）3和La2O3，这两种物质使X80钢在酸性土壤模拟溶液中形成的多孔多缺陷的腐蚀产物膜变得更加致密和平整，缺陷数量明显减少，并较为牢固地附着在X80钢表面，减弱了介质的扩散速速和腐蚀产物膜的快速溶解，使阳极铁的溶解反应得到了抑制，从而降低了X80钢在酸性土壤模拟溶液中的腐蚀速率。

3 结论

当鹰潭土壤模拟溶液中加入不同质量浓度的LaCl3以后，X80钢的平均腐蚀速率明显降低，且当LaCl3浓度为0.5g·L－1时，腐蚀电流密度最小，腐蚀速率最低。这主要是因为LaCl3促进阴极反应产生了更多的OH－，并结合成La（OH）3和La2O3，使原来多孔的腐蚀产物膜变得更加平整、致密、缺陷数量明显减少，阻碍了阳极溶解速率，有效减缓了X80钢在酸性土壤模拟溶液中的腐蚀。

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