土壤對(duì)埋地鋼管腐蝕的勘測(cè)與分析

1、土壤對(duì)埋地鋼管腐蝕的勘測(cè)與分析摘要：介紹了土壤對(duì)地下鋼管腐蝕的機(jī)理與類型，討論了土壤腐蝕現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)與實(shí)驗(yàn)室分析的評(píng)價(jià)方法。關(guān)鍵詞：土壤；腐蝕調(diào)研；現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)；實(shí)驗(yàn)室分析中圖分類號(hào)：TU996 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B    0 概 述土壤對(duì)管道的腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕，其腐蝕是土壤中固相、液相和氣相對(duì)金屬管道共同作用的結(jié)果，造成金屬離子脫離晶格進(jìn)入到土壤中，金屬中離子和電子分離，離子進(jìn)入土壤，管道遭受腐蝕。留在管道上的電子從電位負(fù)的陽(yáng)極沿管道導(dǎo)體跑到電位正的陰極，土壤中空氣和鹽溶液使土壤具有離子導(dǎo)電性成為電解質(zhì)。土壤中的氧分子在陰極上得到電子還原成氫氧根離子，于是陽(yáng)極過(guò)程、陰極過(guò)程

2、和電流在管道上流動(dòng)就不斷進(jìn)行，腐蝕也就不斷進(jìn)行。陽(yáng)極過(guò)程：金屬成為金屬離子并釋放出電子：Fe+nH2OFe2+·nH2O+2e-在中性和堿性土壤中，鐵離子和氫氧根離子進(jìn)一步生成氫氧化亞鐵：Fe2+2OH-Fe(OH)2氫氧化亞鐵在氧和水的作用下生成氫氧化鐵氫氧化鐵溶解度很小，比較疏松，覆蓋在鋼鐵表面，保護(hù)性差。由于緊靠著電極的腐蝕，氫氧化鐵和土粒粘在一起，形成一層緊密層，呈棕黃色銹層。陰極過(guò)程：土壤中氧、水與電子結(jié)合生成氫氧根離子：O2+2H2O+4e-4OH-管道腐蝕的實(shí)質(zhì)就是金屬離子和電子分離，也就是活潑金屬產(chǎn)生的電子不斷被氧消耗，造成串聯(lián)過(guò)程不斷進(jìn)行，金屬腐蝕不斷發(fā)生。腐蝕速度

3、取決于電子消耗速度，腐蝕速度用電流密度來(lái)衡量。    1 地下管道的腐蝕類型地下管道腐蝕形式分均勻腐蝕和局部腐蝕，以局部腐蝕危害性最大，埋地管道多以局部腐蝕為主。金屬管線在土壤中的腐蝕過(guò)程主要是電化學(xué)溶解過(guò)程，由于形成腐蝕電池而導(dǎo)致地下管線的銹蝕穿孔。按腐蝕電池陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)間距大小，可將管線腐蝕形態(tài)分成微電池腐蝕和宏電池腐蝕兩大類。    11 微電池腐蝕當(dāng)管線腐蝕是由相距僅為幾毫米甚至幾微米的陽(yáng)極和陰極所組成的微電池作用而引起時(shí)，稱做微電池腐蝕，其外形特征十分均勻，故叫做均勻腐蝕。由于微陽(yáng)極和微陰極相距非常近，所以微電池的腐蝕速度

4、不依賴于土壤電阻率，僅決定于微陽(yáng)極和微陰極的電極過(guò)程。微電池腐蝕對(duì)地下管線的危害性較小。    12 宏電池腐蝕當(dāng)管線腐蝕是由相距幾厘米，甚至幾米的陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)所構(gòu)成的宏電池作用而引起時(shí)，常稱宏電池腐蝕或局部腐蝕。由于陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)相距較遠(yuǎn)，土壤介質(zhì)的電阻在腐蝕電池回路總電阻中占有相當(dāng)大的比例，因此宏電池的腐蝕速度不僅與陽(yáng)極和陰極的電極過(guò)程有關(guān)，還與土壤電阻率密切相關(guān)，土壤電阻率大，就能降低宏電池的腐蝕速率。在埋地管道的表面上出現(xiàn)的斑塊狀、孔穴狀腐蝕即是宏電池腐蝕所致，其危害性特別大。按宏電池腐蝕的起因，可分成下列5種；(1)通氣差異電池腐蝕管線金屬表面與通氣狀

5、況不同的土壤相接觸而引起的腐蝕就是通氣差異電池作用的結(jié)果。這時(shí)，與通氣差的土壤相接觸的金屬表面上的電位較負(fù)，構(gòu)成陽(yáng)極區(qū)而遭受腐蝕，反之電位較正的管線表面構(gòu)成陰極區(qū)而免遭腐蝕。在土壤中，通氣狀況的差異是普遍存在的，如在水旱田交界處，江河池塘岸邊，地下水位上下，砂粘相間的土層中等。金屬管線埋設(shè)在這些位置上，就會(huì)形成氣差電池，致使位于被水飽和的或通氣性差的土壤中的管線表面產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕。(2)鹽分差異電池腐蝕在鹽漬土地區(qū)，由于水鹽運(yùn)行的特點(diǎn)，鹽分在土壤剖面中的分布差異明顯，水平方向上，由于地形起伏，使鹽斑呈插花狀分布。當(dāng)管線埋人含鹽土壤中，其表面將與含鹽量不同的土壤接觸，往往可形成鹽分差異電池，在鹽漬

6、土和重污染地區(qū)，金屬管道埋下不到兩三年就銹蝕穿孔，往往與鹽差電池的腐蝕作用有關(guān)。(3)金屬差異電池腐蝕(電偶腐蝕)當(dāng)?shù)叵鹿芫€上具有不同金屬連接體，由于金屬本性不同，使金屬土壤界面電位互不相同，形成金屬差異電池，低電位金屬就成為腐蝕電池的陽(yáng)極而遭到加速腐蝕，高電位金屬構(gòu)成陰極而得到保護(hù)。這種電偶腐蝕的影響距離取決于介質(zhì)的導(dǎo)電性，腐蝕常呈現(xiàn)局部腐蝕特征。(4)雜散電流腐蝕當(dāng)土壤中由于種種原因如電氣鐵軌而存在的雜散直流電流通過(guò)地下管線時(shí)，在電流從管線流出處就會(huì)產(chǎn)生腐蝕，它不是原電池作用的結(jié)果，而是屬于電解腐蝕范疇。它具有局部腐蝕特征，腐蝕速度比自然腐蝕快數(shù)十倍乃至上百倍。(5)交流電腐蝕處于交流電干

7、擾環(huán)境中的埋地管線，由于防腐層漏敷點(diǎn)和缺陷處的存在，必然有交流干擾電流進(jìn)入大地，造成管線交流電腐蝕。綜上所述，埋地管道在土壤中主要遭受電化學(xué)腐蝕，該腐蝕分為陽(yáng)極過(guò)程、陰極過(guò)程、電流流動(dòng)3個(gè)過(guò)程，相互獨(dú)立又彼此聯(lián)系，其中1個(gè)過(guò)程受阻，另2個(gè)過(guò)程也受阻，腐蝕電池就會(huì)停止和減慢。防護(hù)措施就從抑制其一人手。如覆蓋層為增大回路電阻、減少電流而設(shè)；陰極保護(hù)就是消除陰陽(yáng)極電位差，從根本上停止陰、陽(yáng)極過(guò)程的進(jìn)行。覆蓋層是治表，陰極保護(hù)治本，一旦覆蓋層破損，露鐵部分會(huì)加速局部腐蝕。而覆蓋層與陰極保護(hù)相結(jié)合是表本兼治的防護(hù)方法，經(jīng)濟(jì)而有效。    2 土壤介質(zhì)腐蝕的特點(diǎn)及評(píng)價(jià)土壤是由

8、固相、氣相和液相構(gòu)成的非均質(zhì)多孔體系。由于土壤中存在局部腐蝕，所以管道在土壤中腐蝕特點(diǎn)以局部腐蝕為主，如點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕、焊縫腐蝕等，因此評(píng)價(jià)腐蝕速度不能用均勻失重法來(lái)衡量，而要用衡量局部腐蝕的指標(biāo)來(lái)表達(dá)，如單位面積點(diǎn)蝕數(shù)量、點(diǎn)蝕深度、機(jī)械強(qiáng)度降低等指標(biāo)來(lái)說(shuō)明。由于土壤環(huán)境影響因素多，相互關(guān)系復(fù)雜，各國(guó)采用多項(xiàng)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法。經(jīng)典的評(píng)價(jià)方法有失重法和最大孔蝕深度法，方法雖然直觀，但需埋片較長(zhǎng)時(shí)間才能得到結(jié)果，應(yīng)用中不方便。土壤環(huán)境中的金屬構(gòu)筑物的腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕，影響腐蝕原電池，影響土壤中金屬電極電位。土壤導(dǎo)電性的各種土壤的理化性質(zhì)，都有可能直接或間接影響土壤的腐蝕性。先從單項(xiàng)指標(biāo)

9、與土壤腐蝕性的關(guān)系人手，再將這些參數(shù)進(jìn)行疊加處理，力求得到一個(gè)綜合的評(píng)價(jià)指標(biāo)，代表性的有美國(guó)和德國(guó)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。土壤環(huán)境腐蝕檢測(cè)一般采用理化性能分析法，即定點(diǎn)取樣和某些參數(shù)原位測(cè)量方法，得到各單項(xiàng)測(cè)試結(jié)果。按照SYT008795鋼質(zhì)管道及儲(chǔ)罐腐蝕與防護(hù)調(diào)查方法標(biāo)準(zhǔn)1，對(duì)土壤各單項(xiàng)指標(biāo)分別進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到的腐蝕性評(píng)價(jià)指數(shù)表明管道沿線土壤腐蝕性等級(jí)。    3 土壤腐蝕現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)和實(shí)驗(yàn)室分析    31 土壤腐蝕勘測(cè)與分析的必要性2根據(jù)土壤腐蝕性強(qiáng)弱，可決定防腐層材質(zhì)和防腐層等級(jí)；根椐土壤電阻率決定犧牲陽(yáng)極材料、規(guī)格和布局，根椐地電位

10、梯度大小，確定排流點(diǎn)和排流方式。特別是采用陰極保護(hù)方式時(shí)，陰極保護(hù)參數(shù)的確定取決于土壤腐蝕性及管道防腐層質(zhì)量的定量測(cè)定，由管道絕緣層的面電阻及土壤電阻率選取最小保護(hù)電流密度，根據(jù)被保護(hù)管道面積，確定所需保護(hù)電流。選用整流器或其他電源的功率及輸出電流、電壓大小，輔助陽(yáng)極的規(guī)格和數(shù)量，輔助陽(yáng)極埋設(shè)點(diǎn)(指強(qiáng)制電流法)；按設(shè)計(jì)年限要求，決定陽(yáng)極的材料，選定陽(yáng)極規(guī)格尺寸，得到陽(yáng)極的質(zhì)量和支數(shù)(指犧牲陽(yáng)極法)。過(guò)去的教訓(xùn)曾發(fā)生過(guò)，高土壤電阻率選用鋅陽(yáng)極，陽(yáng)極不溶解。在低土壤電阻率選用鎂陽(yáng)極，陽(yáng)極溶解過(guò)快，壽命太短。在含有大量碳酸氫根和碳酸根的蘇打鹽土壤使用鋅陽(yáng)極，致使陽(yáng)極鈍化而不溶解。高土壤電阻率區(qū)域，陽(yáng)

11、極可選用小質(zhì)量，陽(yáng)極間距小；在低土壤電阻率區(qū)域，陽(yáng)極要選用大質(zhì)量，陽(yáng)極間距可大?？傊?，土壤腐蝕調(diào)研幫助設(shè)計(jì)者考慮陽(yáng)極材料和最佳陽(yáng)極布置方案，以達(dá)到保護(hù)電位的均勻分布。特別是對(duì)腐蝕的熱點(diǎn)、穿跨越難點(diǎn)，格外加以注意，如套管內(nèi)或壓塊下的輸送管，考慮到電力線受到屏蔽，輸送管必須安放陽(yáng)極。至于用塊狀陽(yáng)極還是帶狀陽(yáng)極，要由土壤腐蝕性強(qiáng)弱決定，以滿足壽命要求。做到既要得到最佳保護(hù)效果，又要注意經(jīng)濟(jì)的合理性。    32 測(cè)試內(nèi)容土壤腐蝕性調(diào)查的目的是了解管道埋地腐蝕的環(huán)境，管道嚴(yán)重腐蝕的段位，從而確定重點(diǎn)保護(hù)區(qū)段，確定犧牲陽(yáng)極應(yīng)該選用的材料、數(shù)量及布置方案，確定最佳保護(hù)電位和估

12、計(jì)最小保護(hù)電流密度，輔助陽(yáng)極的規(guī)格和用量，電源的功率、輸出電流、電壓等。有關(guān)設(shè)計(jì)所需的原始資料也從土壤腐蝕調(diào)研中得到，同時(shí)這些資料也為正確進(jìn)行陰極保護(hù)設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)，使設(shè)計(jì)達(dá)到最佳保護(hù)效果和經(jīng)濟(jì)的合理性?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試內(nèi)容1：土壤類型、地表狀況和氣候條件；土壤含鹽量和含水量；土壤電阻率；土壤微生物指標(biāo)氧化還原電位；管道腐蝕電位；土壤pH值；雜散電流影響；管道防腐層絕緣電阻。    33 土壤腐蝕現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)研究方法(1)通過(guò)表觀分析，即肉眼觀察、指觸感覺(jué)和比較的方法鑒別土壤質(zhì)地和松緊度，確定土壤類型，記錄地表狀況；(2)在勘測(cè)范圍內(nèi)測(cè)量現(xiàn)役埋地管線相對(duì)于飽和CuCuSO4

13、參比電極的電位，即管地電位；(3)直接測(cè)量鋼鐵試片或巳埋于土壤中的管道相對(duì)于飽和CuCuSO4參比電極的電位，即金屬腐蝕電位；(4)在現(xiàn)場(chǎng)土壤中用鉑電極測(cè)定相對(duì)飽和甘汞電極的電位差，換算成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電位，最后校正為相對(duì)pH=7時(shí)氧化還原電位；(5)采用土壤土壤測(cè)定法(即SS法)，測(cè)量一定距離的2支飽和CuCuSO4參比電極之間的電位差，可獲土壤電位梯度。在每一點(diǎn)處測(cè)量平行和垂直兩個(gè)方向的分布值。由此可得地電位分布圖，并據(jù)此判斷雜散電流危害程度。34 土壤腐蝕實(shí)驗(yàn)室分析在現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)時(shí)從探坑中用土壤刀提取土壤樣品，置于密閉容器(或塑料袋)中，在實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)各種分析測(cè)試方法，可測(cè)定土壤含水量、pH值、總含鹽量、各種酸根離子濃度、硫化物含量和硫酸鹽還原菌含量等參數(shù)。(1)采用烘干法，以烘干前后的土壤質(zhì)量差，計(jì) 算以烘干土為基數(shù)的水分，即土壤含水量。(2)在20g風(fēng)干土與20mL蒸餾水制成的土壤懸浮液中直接用pH計(jì)測(cè)定pH值。(3)制取清亮浸出液，取一定量待測(cè)液烘干至恒重，再用H2O2除去有機(jī)物質(zhì)可得可溶性鹽總量，即總含鹽量。(4)對(duì)土壤浸出液用指示劑中和法(酚酞指示劑或標(biāo)準(zhǔn)酸)滴定可得碳酸根離子濃度。(5)