土壤中阴离子对碳钢腐蚀的影响

TOTAL CORROSION CONTROLVol.20 No.6

2006年第20卷第6期Dec. 2006

土壤中阴离子对碳钢腐蚀的影响刘文霞1 孙 成2

（1.青岛科技大学化学与分子工程学院，山东 青岛 266042； 2. 中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳 110016）摘 要：应用弱极化曲线技术和交流阻抗谱研究了土壤中Cl-、SO42-、CO32-、NO3-离子对碳钢腐蚀的影响。结果表明：阴离子对碳钢腐蚀的影响是显著的。当土壤中分别添加Cl-、CO32-、NO3-离子时，随着阴离子含量的增大，碳钢的腐蚀速率增大，在某一离子含量时，腐蚀速率达到最大，然后腐蚀速率随着离子含量的增加而减小。在含SO42-离子的土壤中随着SO42-离子含量的增大，土壤中碳钢的腐蚀速率增大。在有四种阴离子土壤中，阻抗谱均为单容抗弧，且大都在低频区出现扩散弧。

关键词：碳钢 土壤腐蚀 阴离子

中图分类号：TG172.4　　文献标识码：A　 文章编号：1008-7818(2006)06-0010-04

Effects of Different Cathodic Ions on the Corrosion of Carbon Steel in SoilsLIU Wen-xia1, SUN Cheng2

　(1.College of Chemistry and Molecular Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266042, China; 2. Institute of Mental Research, Chinese Academy of Science , Shenyang 110016, China)

Abstract: The influence of Cl-、SO42-、CO32-、NO3- on soil corrosion behavior on carbon steel were studied by using low-CO32- and NO3-, thepolarization cure technique, electrochemical impedance spectroscopy(EIS).When the added ion was one of Cl-、

corrosion rate of carbon steel increases with the increasing of salt content and reaches the peak in one salt content, then decreases withthe increasing of salt content. The corrosion rate of carbon steel increases along with the increasing of SO42- content. There is only oneimpedance cure and have an werburg cure at low frequencies.

Key words: carbon steel; soil corrosion; cathodic ions

0 前言土壤中的可溶性盐分的含量和组成，决定了土壤的导电性、酸碱度，因而直接影响了金属的腐蚀速度[1]。在土壤可溶性盐分中对碳钢起腐蚀作用的主要是Cl-、SO42-、CO32-和NO3-等阴离子[2]。全国土壤腐蚀网站通过土壤自然埋藏的方法对碳钢的腐蚀进行分析，但由于野外自然埋藏试验所需时间长，各种土壤环境影响因素错综复杂，要想在较短时间内得到土壤可溶盐对碳钢腐蚀的规律是十分困难的，因此需要开展室内模拟腐蚀试验。在土壤中人工加入各种可溶性盐，配成不同浓度的Cl-、SO42-、CO32-和NO3-的土壤系列[3]，研究各种阴离子对碳钢的腐蚀行为，探讨土壤腐蚀规律。

1 实验部分土壤选取大洼中心站1m深处土壤。土样经自然干燥、研磨并通过20目筛，然后在105℃下烘4～6小时。根据试验要求称取一定量的氯化钠、硫酸钠、碳酸钠及钠，各加入到一定量的蒸馏水中。将配制成不同浓度的溶液完全加入试验土壤中，土壤湿度控制在25%，混合均匀后，装入塑料小筒中，压实，无空隙，密封后稳定48小时。

试样为15×15×4mm规格的A3钢。试样经150-500#砂纸打磨并经无水乙醇清洗，电化学测量采用三电极体系，参比电极采用饱和硫酸铜电极，辅助电极用石墨电极。进行电化学阻抗和弱极化曲线测量，实验在室温下进行。

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弱极化曲线测量采用M273恒电位仪，M352测试软件及486微机组成的测试系统。测量扫描速度为20mV/min,扫描范围为腐蚀电位±70mV。由弱极化曲线拟和得到碳钢的腐蚀速率。电化学阻抗测试采用PARM 378系统，激励信号为10mV的正弦波，测试频率范围为0.005～105Hz。用Zview软件进行交流阻抗谱的拟和处理，求得极化电阻和界面电容的数值。

2 试验结果及讨论2.1 Cl-对碳钢土壤腐蚀的影响氯离子是盐渍土壤中可溶盐的主要成分之一，对土壤中的金属腐蚀来说，氯盐除了具有一般盐分所起的作用以外，还有其自身的特点，氯离子能够渗透过金属的氧化膜和不溶性产物层。在几种不同浓度的氯化物土壤中，经弱极化曲线拟和得到碳钢的腐蚀速率随Cl-含量的变化，如图1所示。由图1可以看出，在室内模拟实验条件下，随着土壤中氯化物含量的增大，土壤中碳钢的腐蚀速率也增大，当土壤中Cl-含量的增大到0.6%时，腐蚀速率达到最大，Cl-含量大于0.6%后腐蚀速率逐渐下降并趋于一个较为稳定的值。 这主要是由于随着土壤中Cl-含量的增大,土壤水份中的溶解氧减少,而土壤中碳钢的腐蚀受土壤中溶解氧控制，溶解氧减少使碳钢的腐蚀减弱。图2为根据阻抗图谱拟合解析求得的碳钢极化电阻随着Cl-浓度的变化关系。

从图1及2的对比可以发现，碳钢的腐蚀速率随着Cl-的变化关系同极化电阻随着Cl-的变化基本呈反对应关系，在Cl-浓度为0.6%时碳钢腐蚀速率最大，极化电阻最小。

图1 腐蚀速率随氯离子浓度的变化图2 极化电阻随氯离子浓度的变化关系2.2 CO32-对碳钢土壤腐蚀的影响图3及图4为碳钢腐蚀速率和极化电阻随着土壤中CO32-含量的变化关系。可以看出其最大腐蚀速率出现在CO32-浓度为0.2%的土壤中，继续增加碳酸盐的浓度，碳钢的腐蚀速率开始降低。这主要是因为碳酸钠是一种强碱弱酸盐，其在水溶液中易水解，电离出OH-和HCO3-，使得溶液中的OH-浓度增大，碱性增强。但CO32-的水解过程是一个可逆的平衡反应，当OH-浓度增大到一定程度时，反过来，又与HCO3-生成CO32-和H2O，因而其pH值的增大是有限度的。H・克舍等人[4,5]认为，CO32-是参与腐蚀反应过程的，在中偏碱性的介质中，碳钢的腐蚀产物为Fe(OH)2和FeCO3。A・Ikeda和S・ukai等[6]认为，FeCO3在土壤介质中不溶解，在钢铁表面有较好的粘附性，因而将对碳钢的腐蚀起到一定的保护作用[7]。

图3 碳钢腐蚀速率随碳酸根离子的变化图4 极化电阻随碳酸根离子的变化—11—

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2.3 NO-3对碳钢土壤腐蚀影响由图5可以看出，在室内试验条件下，当加入少量盐时，碳钢的腐蚀速率明显上升，土壤介质的阻抗显著降低，NO3-浓度为0.05%时，对碳钢的腐蚀影响最大。一般文献认为，NO3-对碳钢土壤腐蚀影响不大，因此在土壤的腐蚀性研究中经常忽略该影响因素。但由本试验发现，在较高含水量情况下，少量NO3-的加入能够显著的降低土壤介质的电阻率，见图6。对碳钢的腐蚀速度影响明显大于同等条件下其它离子的影响，但当其含量达到某个范围时，会对氧的溶解产生影响，使得碳钢的腐蚀速度降低。因此，在土壤湿度较大的地区，NO3-

对钢铁的腐蚀影响不容忽视。

图5 根离子对碳钢腐蚀速度的影响图6 极化电阻随根离子的变化2.4 SO2-4对碳钢土壤腐蚀的影响硫酸根离子也是盐渍土中可溶盐的重要阴离子成分。在几种不同浓度硫酸盐的土壤中，腐蚀速率与含盐量变化曲线如图7。从图7可以看出，硫酸盐对碳钢的腐蚀影响较大。与其它三种离子对碳钢的影响规律有所不同，随着硫酸根离子浓度的增大，碳钢的腐蚀速度一直呈增长趋势。当硫酸根离子的浓度大于0.1%时，碳钢的腐蚀速率几乎与土壤含盐量的增加呈线性关系。一般认为，在硫酸根离子存在的土壤介质中，发生如下过程[8,9] ：

Fe + SO42- → FeSO4 + 2e—12—

2H2O + O2 + 4e + 4Na+ → 4NaOH

2FeSO4 + 2NaOH + O2 → Fe2O3・H2O + 2Na2SO4由于Na2SO4能够再生，而残存在腐蚀孔内，使基体金属不断被腐蚀。

图7 硫酸根离子对碳钢腐蚀速度的影响图8 极化电阻随硫酸根离子的变化2.5 阴离子作用下的土壤交流阻抗谱图（EIS）图9 为碳钢在不同Cl-含量土壤中的交流阻抗谱图。阻抗图在高频区呈现一容抗弧，而低频区出现一，表现为Warburg阻抗的性质，这样的频谱特征可用图13所示的含扩散阻抗的等效电路来描述[10]。Warburg阻抗的出现，表明碳钢表面的腐蚀过程由扩散控制。另外，阻抗谱图中所测的容抗弧并非标

准的半圆，而是圆心都下沉一定角度α，表明体系出现了弥散效应，弥散效应的大小可以用式α=π(1-P)/2来表示（其中P为弥散系数）这主要是由于钢铁土壤是一种复杂的界面，往往因为浓差极化或界面的不均匀性使阻抗与频率的函数关系变的十分复杂[11,12]。图12为碳钢在不同SO42-土壤中的阻抗谱，其特征与图9较为相似，高频段是一个不规则的单容抗弧，低频时有扩散弧存在。在加入CO32-的土壤中，见图10。碳钢的阻抗谱的扩散弧不是十分明显，在CO32-为1%时阻抗谱发生严重的畸形。碳钢在NO3-的土壤中的扩散弧不是特别明显，在0.05%和1%NO3-土壤中有一段很小的扩散弧，与x轴呈近似45°的夹角。

“扩散尾”全面腐蚀控制刘文霞 孙 成 土壤中阴离子对碳钢腐蚀的影响2006年第20卷第6期

图9 不同Cl-浓度土壤中碳钢的阻抗谱图图10 不同浓度CO2-3土壤中碳钢的阻抗谱图图11 不同NO3- 浓度土壤中碳钢的阻抗谱图图12 不同SO2-4浓度土壤中碳钢的阻抗谱图图13 不同浓度Cl-条件下的等效电路模型3 结论（1） 在不同浓度的Cl-的土壤介质中， Cl-含量为0.6%时碳钢的腐蚀速度最大，极化电阻最小，盐分含量继续增大时，腐蚀速度有所降低。

（2）碳钢在添加碳酸根离子土壤中的腐蚀速度明显的受离子浓度的影响，当离子含量小于0.2%时，

碳钢的腐蚀速度随着浓度的增大而增大，之后，再增加离子浓度，腐蚀速度缓慢降低。

（3）当土壤中加入NO3-时，在NO3-为0.05%时碳钢的腐蚀速度出现最大值，其影响效果比其它三种离子更明显。

（4）SO42-对碳钢的腐蚀规律影响与其它几种离子有所不同，随着盐分含量增加呈上升趋势，当离子浓度大于0.1%时，腐蚀速度与含盐量呈近似线性

关系。

（5）在含有四种阴离子土壤中，其阻抗谱均存在扩散效应，腐蚀过程主要受到氧的扩散控制。经等效电路拟和，极化电阻与碳钢腐蚀速度有很好的相关性。

参考文献

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