油田埋地金属管道外腐蚀机理研究

陈艳华，李六军，李冬冬，陈 宇，于秀军

（1.河北联合大学 建筑工程学院，唐山063009；2.河北省地震工程研究中心，唐山063009；3.大庆油田有限责任公司第九采油厂规划设计研究所，大庆163712）

试验研究

油田埋地金属管道外腐蚀机理研究

陈艳华1，2，李六军1，李冬冬1，陈 宇3，于秀军3

（1.河北联合大学 建筑工程学院，唐山063009；2.河北省地震工程研究中心，唐山063009；3.大庆油田有限责任公司第九采油厂规划设计研究所，大庆163712）

采用室内试验、现场验证和光谱分析相结合的方法，以埋地金属管道的外腐蚀成因为切入点，对北方盐碱土壤环境的腐蚀性进行研究。基于对油田现场土壤的理化试验结果，确定关键因素，以9种主要的土壤腐蚀影响因素为变量，设计9因素3水平的室内腐蚀模拟正交试验。采用20号钢标准腐蚀试片，进行模拟试验。并对试验结果进行方差分析，研究了每个因素对土壤腐蚀速率的作用规律，得到该区域土壤腐蚀因素的重要度次序由大到小为：Na+，含水率，温度，Ca2+，孔隙度，p H，SO42-，HCO3-，Cl-。进一步对腐蚀产物主要成分进行光谱分析，且与现场埋片腐蚀产物主要成分比较，结果显示两者主要成分基本一致，含量有所差别，一定程度上验证了室内研究结果的可靠性。

埋地管道；土壤腐蚀；影响因素；正交试验；方差分析；光谱分析

我国各大油田所处地域广阔，土壤环境各不相同，即使同一油田同一采油厂的土壤也存在很大差异。大庆油田龙虎泡作业区大多处于草地、低洼、沼泽等地带，地质条件复杂，且土壤多呈盐碱性，环境多变较恶劣，地下埋设的油、气、水管线达2 500km以上［1］。其埋地金属管道随着使用时间的延长，由于土壤的腐蚀作用，造成埋地管道防腐蚀层老化损坏、管道老化，直至穿孔。据统计，腐蚀穿孔占管道穿孔的96%。2005年以来因腐蚀更新管道300多公里，投资上亿元［2］。也就是说，环境因素，如温度、溶解氧含量等对埋地金属管道的电化学行为影响颇大［3-4］。还有土壤类型、地下水位、土壤含水率等对埋地阴极保护管道的腐蚀同样具有很大影响［5-6］。更有研究显示，盐碱性土壤中埋地金属管道会发生坑腐蚀［7］；土壤中的各类离子也影响着埋地钢管的腐蚀行为［8］。然而，在众多影响因子中，每个因子对埋地管道腐蚀破坏影响重要度的大小各不相同，直接决定管道的破坏形式，并会影响防腐措施的具体实施。所以，对于复杂多变的土壤环境，有针对性地结合实际油田的具体土壤环境研究埋地金属管道的腐蚀机理更具现实意义。

本工作通过室内试验、光谱分析和现场验证等方法，首先确定影响腐蚀的主要因素，然后综合考虑土壤的含水率、孔隙度、温度、pH及土壤中HCO3-、SO42-、Cl-、Na+、Ca2+含量等9种因素，设计室内腐蚀模拟试验方案，对研究区域土壤环境因素的影响及重要度序进行深入分析与评价，并通过现场埋片试验验证室内试验结果的可靠性，为改善局部土壤环境提供理论依据。

1 试验

1.1 土壤理化试验与腐蚀影响因素确定

土壤因所处地理位置、地质条件、气候条件、周围环境条件等不同而具有不同的特性，如土壤酸碱性，土壤粘性，土壤含水，温度，孔隙，土壤阴阳离子含量等。这些不同的特性使得土壤表现出不同的腐蚀性，对埋入其内的金属管道产生不同程度的腐蚀破坏，进而影响油田正常的生产和集输，有些还会破坏环境，造成污染，影响人们的生活。所以分析土壤的理化性质，可为土壤腐蚀影响因素的确定奠定基础。

取大庆油田龙虎泡作业区现场土壤样品进行理化试验，测得土壤物理特性如表1所示，阴阳离子含量结果如表2所示。

表1 土壤物理性质测试结果Tab.1 Test results of physical characteristics of soil

由表1可见，土壤含水率和土壤孔隙度是土壤的主要物理参数，其容重及空气容量与二者关系紧密。环境温度对土壤理化性质也有影响。所以把土壤含水率、孔隙度和环境温度作为主要的物理因素。另外，由表2可见，K+、Na+作为一类影响因素，Ca2+、Mg2+作为一类影响因素，CO32-在研究区域的土壤样品中含量最少，所以不作为主要影响因素考虑。由此确定影响埋地金属管道腐蚀的土壤关键因素。进而可对试验区域的土壤设定室内腐蚀模拟试验的因素水平，进行试验方案的设计。

表2 土壤阴阳离子及p H测试结果Tab.2 Test results of anions，cations and p H value of soil

1.2 室内腐蚀模拟试验

1.2.1 因素水平设置

据1.1，以土壤含水率、孔隙度、环境温度、Na+、Ca2+、HCO3-，SO42-，Cl-，p H 等9种关键因素为试验因素，分别设定3个水平，如表3所示。以30d为周期，进行9因素3水平（L2739）的室内腐蚀模拟埋片正交试验。

1.2.2 试验材料

试验材料1为20号钢冷却水化学处理标准腐蚀试片。试片尺寸为50.0mm×25.6mm×2.0mm，表面积为2 862.4mm2。在试片一端距棱边5mm的中央处开有φ3mm小孔，并打有钢号。表面经机械加工达到一致的表面平整度。

表3 因素水平设置表Tab.3 Arrangement on factor level

试验材料2为土壤样品，是通过标准土样制备而成的，根据基本参数模拟的，实现试验需要的各项物理化学指标。

1.2.3 试验步骤

（1）制备标准土样。

（2）制备试验用特定参数的土壤。根据水平因素表换算所需各种相应化学物质的用量，模拟离子含量，同时模拟土壤孔隙度、含水率、p H等，得到具有特定参数的土壤。

（3）进行试验前的埋片处理，然后对应钢号贴上相应的标签。

（4）称量标准质量的土样，将土样装至试验桶的1/3处，然后将3个试片竖直插入土中，呈中心对称布置。利用环境气候室控制所需环境温度。

（5）待满试验周期（30d）后，将试片从土样中取出处理，并收集腐蚀物。

（6）计算埋片的平均腐蚀速率［9］。

（7）利用全自动扫描型X射线荧光光谱仪对腐蚀物成分进行分析。

1.3 现场验证试验

为了更好地验证室内试验的结果，在现场集输管道沿线埋设试片，待试验期结束后取出，观察埋片并测试腐蚀物成分。

2 结果与讨论

2.1 试验结果

2.1.1 室内试验结果

根据表3设置室内模拟埋片正交试验（L2739）的因素水平，如表4所示，进行了27组室内模拟埋片试验，得到的试验结果见表4。

表4 L27（39）因素水平及试验结果Tab.4 Experimental results and factor level of L27（39）

图1是选取的第19组试验埋片腐蚀前后的形貌，埋片材质均为20号钢。由图1可见，处理过的完好新试片表面光洁；腐蚀试验结束后，试片表面附着厚度不均的腐蚀产物，腐蚀比较严重，清洗表面腐蚀产物后，可以看到腐蚀已深入试片内部，且局部分布有腐蚀坑。

图1 腐蚀前后试片的表面形貌Fig.1 Appearance of test pieces before（a）and after（b）corrosion test

2.1.2 现场验证试验结果

现场验证试验期结束后取出埋片见图2，埋片清扫表面浮土后，可以看出埋片表面附着的黄色腐蚀产物，消除腐蚀产物后发现表面不均匀地分布着点蚀坑，收集腐蚀产物后，对其进行成分分析。

图2 现场取出试片的表面形貌Fig.2 Appearance of test piece after surface soil wiping off（a）and appearance of test piece after corrosion product wiping off（b）

2.2 讨论

2.2.1 各因素对腐蚀速率的影响分析

由表4可见，随着含水率、孔隙度的增大，腐蚀速率会增大并出现峰值，之后随着含水率和孔隙率的增大，腐蚀速率降低。说明随着含水率的增加，土壤中游离的离子含量增多，土壤的电导率也增加，使得土壤的腐蚀性增强，但随着含水率的进一步增加，土壤密实度增强，其中的空气含量减少，空气含量的多少影响金属的氧化反应，所以腐蚀速率反而减弱。同理，随着孔隙度的增加，土壤中空气含量随之增加，促进土壤中金属的腐蚀，然而随着孔隙度的进一步增大，土壤中游离的阴阳离子数量减少，即一定程度上抑制了金属氧化还原反应，使得腐蚀速率降低。

随着温度和p H的增加，腐蚀速率增加，表明常温以下的较低温度，埋地金属腐蚀速率很低，也就是说温度条件是腐蚀反应的催化剂，温度越高，土壤中的菌群越活跃，加速腐蚀。本研究中的试验区域属于盐碱性土壤，试验中针对盐碱性土壤的p H设置了3个水平，结果显示，随着碱性增强，对金属的腐蚀作用增强。

随着 Na+、Ca2+、HCO3-含量的增大，腐蚀速率增大，表明盐碱含量增加促进腐蚀作用。随着SO42-含量的增大，腐蚀速率先降低，之后基本保持不变，表明其含量的增加从某种程度来看可以抑制腐蚀作用。而随着Cl-含量的增加，腐蚀速率出现先增大后减小的趋势。

2.2.2 各影响因素的重要度序

根据试验结果，对各因素影响下的腐蚀速率进行了方差分析［10］，如表5所示。

表5 腐蚀速率方差分析Tab.5 Analysis of variance in corrosion rate

由表5的方差分析结果可以看出：

（1）所选9种土壤腐蚀因素重要度序是：Na+含量（H）＞含水率（A）＞温度（C）＞Ca2+含量（B）＞孔隙度（I）＞p H（D）＞SO42-含量（G）＞HCO3-含量（E）＞Cl-含量（F）。

（2）其中含水率、温度、孔隙度等物理因素对腐蚀速率的作用效果要高于一般的离子。

（3）试验中为控制土壤的酸碱性水平，采用醋酸和氢氧化钠作为p H调节剂，然而试验中未考虑醋酸根离子对腐蚀速率的影响，故试验结果中Na+含量的变化伴随着醋酸根离子的变化，表现出对腐蚀速率影响大，这种情况的发生更大的可能是来自于两者的共同作用。同时，在离子水平设置时Na+和Ca2+相邻水平变化幅度较大，它们对腐蚀速率的影响也间接反映了总含盐量对腐蚀速率的影响。

2.2.3 室内试验腐蚀产物成分光谱分析

利用全自动扫描型X射线荧光光谱仪对室内模拟试验收集的腐蚀产物进行成分分析，以含水率的变化为考虑因素制备腐蚀产物样品1组，以全因素变化为考虑因素制备腐蚀产物样品1组，得到各元素氧化物的质量百分含量结果如表6，7所示。

表6 以含水率为主因素的3水平腐蚀产物混合样主要元素质量百分含量Tab.6 Percent contents of main elements of 3 level corrosive mixture considering moisture content as main factor %

表7 考虑全部因素的腐蚀产物混合样主要元素质量百分含量Tab.7 Percent contents of main elements of corrosive mixture considering all factors %

由表6，7两组腐蚀产物的主要元素及其质量百分含量可以看出，腐蚀产物中占有比例较大的是铁、硅、铝、钙等。与试验土的主要成分（如表8）基本一致，但含量不同。腐蚀产物中铁元素含量高，而土中硅含量高，但是土壤的组成会影响金属腐蚀产物的组成。另外，腐蚀产物主要是以腐蚀过程氧化反应的主要产物——金属氧化物形式存在，如 Fe2O3。以含水率为主因素变化的试验腐蚀物主要元素铁等金属成分的含量高于综合因素的结果，这也反映了含水率对埋管腐蚀作用的影响很大，进一步印证了正交试验的结果，即含水率是主要影响因素。

表8 试验土样主要元素质量百分含量Tab.8 Percent contents of main elements of soil specimen %

2.2.4 现场验证试验腐蚀物成分分析

对于同期现场埋片验证试验的腐蚀产物进行光谱分析，结果如表9所示。

表9 现场埋片试验腐蚀产物主要元素质量百分含量Tab.9 Percent contents of main elements of corrosion product in site verification experiment %

由表9可见，现场试验结果腐蚀产物的主要成分与室内试验结果大体相同，主要差别是含量的不同，究其原因是不同重要度的影响因素变化会改变埋地金属管道的腐蚀程度，也就是说，土壤环境的变化是一种动态变化过程，且它的动态变化对埋地金属管道腐蚀的影响也是动态的，所以长期监测局部土壤环境的变化可以为更好地研究埋地管道防腐蚀措施提供有利依据。

3 结论与建议

为揭示埋地金属管道腐蚀机理，针对大庆油田龙虎泡作业区域土壤进行室内腐蚀模拟试验、现场验证试验及腐蚀物成分分析等研究，通过试验结果的分析得出以下结论，并提出改善土壤腐蚀性的几点建议：

（1）区域土壤组分及含量的变化较大，且是动态的变化过程，这使得区域土壤腐蚀性表现出很大的差异性。

（2）由室内腐蚀模拟正交试验可以得出土壤环境影响因素的重要度序为：Na+＞含水率＞温度＞Ca2+＞孔隙度＞p H＞SO42-＞HCO3-＞Cl-。

（3）土壤中Na+含量从0变化到2 200μg/g，它的显著变化影响着腐蚀速率的变化，所以由方差分析结果看出，Na+成为第一影响因素。但是因为NaOH在p H调节过程中的应用，使得Na+的含量变化超出原有的因素设置水平，造成Na+的影响与实际工程情况有出入。

（4）因各影响因素的重要度不同，如含水率、温（5）对腐蚀产物的分析结果表明，金属氧化物Fe2O3是油田埋地金属管道的主要腐蚀产物，且含水率是影响该区域埋地金属管道腐蚀的主要影响因素。

度、孔隙度、p H等对腐蚀速率影响比重较大，所以通过降低含水率、增大孔隙度使得土壤干燥，减少游离的阴阳离子可以抑制腐蚀。即对高含水区域可以通过挖排水沟引水，更换部分腐蚀严重区域的土壤，降低含水，改善腐蚀环境。调节局部土壤的酸碱度也能在一定程度上改善其腐蚀性。

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Research on External Corrosion Mechanism of Euried Metal Pipeline of Oilfield

CHEN Yan-hua1，2，LI Liu-jun1，LI Dong-dong1，CHEN Yu3，YU Xiu-jun3
（1.College of Civil and Architecture Engineering Hebei United University，Tangshan 063009，China；2.The Seismology Research Center of Hebei Province，Tangshan 063009，China；3.Planning and Design Institute of No.9 Oil Production Company，Daqing Oilfield Co.，Ltd.，Daqing 163712，China）

Taking external corrosion of pipelines as a research point，laboratory test，site verification and spectral analysis were adopted to investigate the corrosion of saline-alkali soil environment in north China.Orthogonal simulation experiments with 9 factors and 3 levels were designed based on physical and chemical test results of local soil，taking 9 main corrosion factors as variables.Standard corrosion test slices of 20#steel were used to perform kinds of physical and chemical experiments for simulating local soil.Analysis of variance was done to these test results.The affecting rule on corrosion rate of soil was researched，and importance degree order of corrosion factors in this district was obtained，namely，Na+＞moisture content＞temperature＞Ca2+＞porosity＞p H value＞SO42-＞HCO3-＞Cl-.Furthermore，the main components of corrosion products were analyzed by X-ray fluorescence and compared with the corrosion products of site test slices.From these results，the main components of both corrosion products were consistent basically，but the contents were a bit different，which validates the reliability of laboratory test results to a certain extent.

buried metal pipeline；soil corrosion；influence factor；orthogonal experiment；analysis of variance；spectral analysis

TE988

A

1005-748X（2015）11-1009-05

10.11973/fsyfh-201511001

2014-10-31

国家自然科学基金项目（51318172）；河北省自然科学基金项目（E2014209089）

陈艳华（1972-），教授，博士，从事地下生命线防灾减灾工作，15033920209，cyh427@163.com