燃氣管道腐蝕的原因

1、燃氣管道腐蝕的原因 一、電化學(xué)腐蝕燃氣鋼管的管壁與作為電解質(zhì)的土壤或水相接觸，產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，使陽極區(qū)的金屬離子不斷電離而受到腐蝕，即為電化學(xué)腐蝕。電化學(xué)腐蝕既可腐蝕內(nèi)壁，也可以腐蝕外壁。通常埋地鋼管的外壁腐蝕是以電化學(xué)腐蝕為主的。(一)基本原理任何金屬浸沒在電解液中都會向溶液釋放正離子。當某種金屬浸沒在該種金屬鹽的標準溶液中時，即得到該金屬的標準溶液電位，其值與假定等于零的標準氫電極的電位之間的電位差即為標準電極電位。各種金屬按其標準電極電位的順序排列成電化學(xué)次序，如表10-4所示。若將電極電位不同的兩種金屬(鋅和銅)浸入水和硫酸組成的電解質(zhì)中，既成原電池。如圖10-2所示。用外部電池將兩極

2、連通時，電子就會從鋅電極流向銅電極，即由負電位流向正電位，電流方向則從陰極(銅)流向極(鋅)。陽極鋅離子zn+不斷離開金屬，與電解質(zhì)中硫酸根離子so-4結(jié)合；在陰極聚集的電子與氫離子h+結(jié)合，在陰極表面釋出氫氣。這個過程的結(jié)果是陰極(銅)被極化，陽極(鋅)被腐蝕。表10-4 常用金屬標準電極電位鋰li+-3.03v鎳ni+-0.23v鉀k+-2.925v錫sn+-0.14v鈉na+-2.713v鉛pb+-0.126v鎂mg+-2.371v氫h+0鋁al+-1.66v銅cu+0.337v鋅zn+-0.762v汞hg+0.792v鉻cr+-0.74v銀ag+0.7994v鐵fe+-0.44v鉑pt

3、+1.2v鎘cd+-0.402v金au+1.45v埋地鋼管由于金屬本身結(jié)構(gòu)的不均勻，表面粗糙度不同，以及作為電解質(zhì)的土壤物理化學(xué)性質(zhì)不均勻，含氧量不同，ph值不同等因素，因而產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，使陽極區(qū)的金屬離子不斷電離而受到腐蝕。圖10-3說明組成電解質(zhì)的土壤性質(zhì)不同，會引起電化學(xué)腐蝕。圖10-2 原電池工作原理圖10-3 土壤不均勻性引起的腐蝕由于礫石和砂子透氣性好。而粘土透氣性差，埋在不同地段的鋼管將產(chǎn)生電位差，管道在陽極區(qū)受到腐蝕。燃氣鋼管的電化學(xué)腐蝕過程可以看成由3個環(huán)節(jié)組成。如圖10-4所示。1在陽極區(qū)，鐵溶解，變成鐵離子進入電解質(zhì)(土壤)中。其化學(xué)反應(yīng)式如下：fefe+2e(陽極反應(yīng)

4、)2電子由電位較低的陽極區(qū)沿管道流到電位較高的陰極區(qū)。故腐蝕電流從高電位流向低電位，即從陰極區(qū)沿鋼管流向陽極區(qū)，再流入電解質(zhì)(土壤)，流回陰極區(qū)。同時，陽離子與陰離子也在電解質(zhì)中相應(yīng)地移動；陽離向陰極區(qū)移動，陰離子向陽極區(qū)移動。3.在陰極區(qū)，電子流至陰極區(qū)后，被電解質(zhì)(土壤)中能吸收電子的物質(zhì)(離子或分子)所接受。其電化學(xué)反應(yīng)式如下：這3個環(huán)節(jié)是相聯(lián)系的，如果其中一個環(huán)節(jié)停止進行，則整個腐蝕過程也就停止了。當陽極反應(yīng)與陰極反應(yīng)等速進行時，腐蝕電流就不斷地從陽極區(qū)流經(jīng)電解質(zhì)(土壤)進入陰極區(qū)，在陽極區(qū)產(chǎn)生fe(oh)2。fe+2oh-fe(oh)2fe(oh)2被氧化，就形成鐵銹。其反應(yīng)式：此外

5、，兩種不同材料的管道相連，也會引起電化學(xué)腐蝕。圖10-5所示為銅管與鋼管相連產(chǎn)生的腐蝕情況。圖10-4 燃氣鋼管電化學(xué)腐蝕過程示意圖圖10-5 銅管與鋼管相連引起的腐蝕埋地地壤中的銅管與鋼管，都將向電解質(zhì)(土壤)釋放正離子，但由于金屬的電化學(xué)性質(zhì)不同，由表10-1可見，銅的標準電極電位值比鐵的大，故在電解質(zhì)(土壤)中，鐵將產(chǎn)生比銅更多的負電荷，電子由鐵電極流向銅電極，因而作為陽極的鋼管不斷被腐蝕，而銅管作為陰極而被極化。同樣，當鍍鋅鋼管與鋼管相連，也會引起電化學(xué)腐蝕。圖10-6所示為鍍鋅鋼管與鋼管相連產(chǎn)生的腐蝕情況。圖10-6 鍍鋅鋼管與鋼管相連引起的腐蝕埋在土壤中的鍍鋅鋼管與鋼管，由于鋅的標

6、準電極電位比鐵低，因此在電解質(zhì)(土壤)中，鍍鋅鋼管產(chǎn)生比鐵更多的負電荷，電子由鍍鋅鋼管流向鋼管，故作為陽極的鍍鋅鋼管將不斷被腐蝕。(二)影響腐蝕速度的因素土壤是具有固、液、氣三相的毛細管多孔性的膠質(zhì)體，土壤的空隙為被氣和水所充滿。土壤中的水含有一定的鹽，使土壤具有離子導(dǎo)電性，成為電解質(zhì)。土壤的物理化學(xué)性質(zhì)不均勻性，會影響到土壤對金屬的腐蝕性，加上金屬材質(zhì)的電化學(xué)不均勻性，這就構(gòu)成了腐蝕電池的條件。在這些腐蝕電池里，電位較高的陰極區(qū)電位為eoc，較低的陽極區(qū)電位為eoa。當電流通過時，在陰極表面和陽極表面各自產(chǎn)生一個陰極極化電阻(rc)和陽極極化電阻(ra)，再加上土壤電阻(rs)就組成了回路總

7、電阻。根據(jù)電極過程動力學(xué)概念，反映腐蝕速度的腐蝕電流(i)為：因此，凡是能影響土壤中電極電位、土壤電阻和極化電阻的各種土壤理化性質(zhì)，都有可能直接或間接地影響土壤的腐蝕性。具體來說，有土壤酸堿度，氧化還原電位，土壤電阻率，土壤含水量(或濕度)，土壤含鹽量和鹽的種類，土壤質(zhì)地松緊度和透氣性，土壤粘土礦物，土壤有機質(zhì)等因素。其中，對土壤腐蝕性影響較大的有4種因素：1土壤電阻率 土壤電阻率直接受土壤顆粒大小、含水量、含鹽量的影響，多數(shù)情況下可以反映出土壤的腐蝕性。土壤電阻率越低，則電化學(xué)腐蝕速度越高；反之，土壤電阻率越高，則腐蝕速度越慢。通?？砂赐寥离娮杪蚀_定土壤等級。表10-5為土壤腐蝕等級劃分參考

8、表。表10-5 土壤腐蝕等級劃分參考表土壤腐蝕等極低中較高高特高土壤電阻率/m美國(二極法)5049.992019.99109.9977原蘇聯(lián)(四級法后試件失重/g011223366法國規(guī)定；土壤電阻率50m為高腐蝕性土壤；50100m為中等腐蝕土壤；100m為低腐蝕性土壤。2.土壤中的氧 土壤中的氧存在于土壤的毛細管和縫隙內(nèi)，少量溶于地下水中。土壤的含氧量與土壤的濕度和結(jié)構(gòu)都有密切關(guān)系。干燥的砂土中含氧多，潮濕的砂土中含氧少，潮濕密實的粘土中含氧更少。土壤濕度和結(jié)構(gòu)不同，其含氧量可相差幾萬倍，這些都會形成氧濃差電池腐蝕。3.土壤的ph值 多數(shù)土壤顯中性

9、ph值在675間。我國北方土壤略偏堿性；南方土壤略偏酸性。從土壤類型看，堿性砂質(zhì)粘土和鹽堿土ph值多在7.595間；腐植土和沼澤土ph值在36之間。般酸性土壤的腐蝕性強。4.土壤中的微生物 土壤中的微生物對金屬腐蝕有很大影響，主要為厭氧的硫酸鹽還原菌和好氧的硫桿菌、鐵細菌等，其中以硫酸鹽還原菌危害最大。對沼澤地帶，硫酸鹽類型的土壤要特別注意微生物的作用。5.對土壤腐蝕性的綜合評價 目前國際上較權(quán)威的綜合評價腐蝕性的標準，見表10-6。表10-6 美國ansia215關(guān)于土壤腐蝕性的評價項目測定值評分土壤電阻率，cm(采用單極法在管道埋深處測得或用水飽和的土壤箱中測得)7007001000100

10、01200120015001500200020001085210ph值022446.56.57.57.58.58.5530003氧化還原電位+100mv+50+100mv0+50mv003.545硫化物檢出痕跡沒有3.520溫度排水不好，連接潮濕排水較好，一般較濕排水很好，一般為干燥210注：總分在10分以上時，要考慮對鑄鐵管的保護；若有硫化物并且氧化還原電位低，應(yīng)加3分。二、雜散電流對鋼管的腐蝕由于電氣化鐵路、礦山、工廠、港口各種用電設(shè)備接地與學(xué)漏電，在土壤中形成的雜散電流的循環(huán)。因雜散電流引起的腐蝕，稱為雜散電流腐蝕。(一)直流雜散電流腐蝕直流雜散電流對金屬的腐蝕原理，與電解情況類似，即陽

11、極為正極，進行氧化反應(yīng)，陰極為負極，進行還原反應(yīng)。例如，有軌電車通常采用單根架空線，并以鐵軌作為電流回路。如果地下燃氣管道在鐵軌附近，一些回路電流從鐵軌漏出。通過管道，則會形成另一回路系統(tǒng)。如圖10-7所示。通常直流雜散電流從土壤進入金屬管道的地方帶有負電，這一區(qū)域稱為陰極區(qū)。處在陰極區(qū)的管道一般不受什么影響，但若陰極區(qū)的電位過負時，管道表面會析出大量的氫，造成防腐絕緣層老化、剝落。當雜散電流在管道的某一絕緣層損壞處流出時，管道帶有正電，這一區(qū)域稱為陽極區(qū)。處于陽極區(qū)的管道，鋼管以鐵離子的形式溶于周圍介質(zhì)中，因此陽極區(qū)的管道受到腐蝕。圖10-7 直流雜散電流腐蝕原理1架空線 2電車 3鐵軌 4

12、變電所5地下管道 6電蝕直流雜散電流干擾腐蝕的損耗量與雜散電流強度成正比。即雜散電流強度愈大，引起的金屬腐蝕就愈嚴重。按法拉第定律計算，當雜散電流為1a時，一年內(nèi)可腐蝕36kg鉛、11kg銅和10kg鐵。在雜散電流干擾比較嚴重的地區(qū)，電流可達幾十安培，甚至幾百安培，所以，雜散電流造成的集中腐蝕是很嚴重的。壁厚為89mm的鋼管，快者23個月就會穿孔。產(chǎn)生直流雜散電流的主要原因為：有軌電車、電氣化鐵路、電解電鍍車間、直流電焊機和地下電纜漏電等。(二)交流雜散電流腐蝕交流雜散電流對金屬管道腐蝕的原理是：當埋地管道接近或長距離與電力線平行時，高壓電力線將在附近埋地鋼管上感應(yīng)產(chǎn)生二次交流電，使管道產(chǎn)生很

13、高的感應(yīng)電壓，管道與周圍土壤之間也產(chǎn)生可達幾伏或幾十伏的電位差。當這些電流迭加在腐蝕的電化學(xué)原電池上時，相當于去極化作用，從而減輕了陽極和陰極極化現(xiàn)象和電化學(xué)鈍態(tài)。例如，鉑在稀硫酸中直流陽極電解時并不發(fā)生溶解，用交流電解也不發(fā)生溶解。然而，當在直流的陽極電位上迭加上交流電后，鉑便溶解于硫酸中。這一事實說明，交流電能夠降低金屬鈍態(tài)，并增大金屬溶解反應(yīng)電位區(qū)。同樣現(xiàn)象也發(fā)生于鐵或鉛在堿性溶液中，以及鎳在中性和弱酸性溶液中。比起直流雜散電流腐蝕，交流雜散電流的腐蝕量并不大，但集中腐蝕性強。大量試片結(jié)果表明，不論是平均失重量還是腐蝕坑深，都隨著干擾電壓、電流的增加而加強。其中，腐蝕坑深隨干擾電壓的升高

14、而加大的趨勢更明顯，更有規(guī)律性。交流雜散的電流的產(chǎn)生，主要來源于交流電氣化鐵道、兩線一地及一線一地制運行的輸電線路等。三、化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕是金屬直接和介質(zhì)接觸發(fā)生化學(xué)作用而引起的金屬溶解過程。由于輸送的燃氣中可能含有硫化氫、氧、二氧化硫、硫化物等腐蝕性化合物，它直接和金屬起作用而產(chǎn)生化學(xué)腐蝕。埋地鋼管純化學(xué)腐蝕是極少發(fā)生的，一般同時存在化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕對管道來說是全面性腐蝕，腐蝕導(dǎo)致管壁厚度的減薄是均勻的，所以與電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生穿孔破壞相比，化學(xué)腐蝕危害性較小。四、微生物腐蝕對微生物參與腐蝕過程的研究表明，當埋地鋼管周圍土壤中長年含有較多水分時，適合于細茵生存，易引起微生物腐蝕。反

15、之，較干燥的土壤中，細菌難以生存，也就談不到微生物腐蝕。此外，土壤中氧氣含量的多少影響著喜氧細菌和厭氧細菌的繁殖，造成不同的腐蝕環(huán)境。微生物的腐蝕機理主要有三方面：1.微生物在新陳代謝過程中直接參與腐蝕作用。如缺氧土壤中厭氧細菌引起的腐蝕。2.在金屬管道表面局部區(qū)域形成微電池。無論是喜氧細菌還是厭氧細菌都會在金屬管道表面產(chǎn)生沉積物，于是在沉積物下面的金屬管道與其他部位的金屬管道之間產(chǎn)生了電位差，從而引起電化學(xué)腐蝕。3由于微生物新陳代謝過程的產(chǎn)物是酸性物質(zhì)，從而形成了使金屬管道表面易于腐蝕的環(huán)境。厭氧硫酸鹽還原菌通常存在于潮濕、通風和排水不良的缺氧土壤中，它參加電極反應(yīng)的作用是將可溶的硫酸鹽轉(zhuǎn)化

16、為硫化氧，并和鐵作用生成硫化亞鐵。生成硫化氫使土壤中h+濃度增大，陰極反應(yīng)過程中氫的去極化作用加強，加速了腐蝕作用。其電極反應(yīng)為：陽極fe-2efe2+陰極 h+eh細菌參加的陰極反應(yīng)為原子氫和硫酸鹽作用，即：二次腐蝕產(chǎn)物反應(yīng)式為：fe2+s2-fesfe2+2oh-fe(oh)2總反應(yīng)式為：4fe+so2-4+4h2o=fes+2oh-+3fe(oh)；這種細菌肉眼是看不見的。它生長在潮濕并含有硫酸鹽及可轉(zhuǎn)化的有機物和無機物的缺氧土壤中，如沼澤地和海泥等。當ph值在59、溫度在2530時，最有利于細菌的繁殖。所以在ph值為627.8的沼澤地帶和洼地中，細菌活動最激烈。當ph值大于9時，硫酸鹽還原菌的活動受到抑制。對硫酸鹽還原菌腐蝕的判斷，可借助于黑褐色的硫化亞鐵腐蝕產(chǎn)物的生成或用稀鹽酸滴浸產(chǎn)生刺鼻的硫化氫