土壤对埋地钢管腐蚀的勘测与分析

土壤对埋地钢管腐蚀的勘测与分析摘要：介绍了土壤对地下钢管腐蚀的机理与类型，讨论了土壤腐蚀现场勘测与实验室分析的评价方法。关键词：土壤；腐蚀调研；现场勘测；实验室分析中图分类号：TU996文献标识码：B0概述土壤对管道的腐蚀属于电化学腐蚀，其腐蚀是土壤中固相、液相和气相对金属管道共同作用的结果，造成金属离子脱离晶格进入到土壤中，金属中离子和电子分离，离子进入土壤，管道遭受腐蚀。留在管道上的电子从电位负的阳极沿管道导体跑到电位正的阴极，土壤中空气和盐溶液使土壤具有离子导电性成为电解质。土壤中的氧分子在阴极上得到电子还原成氢氧根离子，于是阳极过程、阴极过程和电流在管道上流动就不断进行，腐蚀也就不断进行。阳极过程：金属成为金属离子并释放出电子：Fe+nH2O→Fe2+·nH2O+2e-在中性和碱性土壤中，铁离子和氢氧根离子进一步生成氢氧化亚铁：Fe2++2OH-→Fe(OH)2氢氧化亚铁在氧和水的作用下生成氢氧化铁氢氧化铁溶解度很小，比较疏松，覆盖在钢铁表面，保护性差。由于紧靠着电极的腐蚀，氢氧化铁和土粒粘在一起，形成一层紧密层，呈棕黄色锈层。阴极过程：土壤中氧、水与电子结合生成氢氧根离子：O2+2H2O+4e-→4OH-管道腐蚀的实质就是金属离子和电子分离，也就是活泼金属产生的电子不断被氧消耗，造成串联过程不断进行，金属腐蚀不断发生。腐蚀速度取决于电子消耗速度，腐蚀速度用电流密度来衡量。1地下管道的腐蚀类型地下管道腐蚀形式分均匀腐蚀和局部腐蚀，以局部腐蚀危害性最大，埋地管道多以局部腐蚀为主。金属管线在土壤中的腐蚀过程主要是电化学溶解过程，由于形成腐蚀电池而导致地下管线的锈蚀穿孔。按腐蚀电池阳极区和阴极区间距大小，可将管线腐蚀形态分成微电池腐蚀和宏电池腐蚀两大类。1．1微电池腐蚀当管线腐蚀是由相距仅为几毫米甚至几微米的阳极和阴极所组成的微电池作用而引起时，称做微电池腐蚀，其外形特征十分均匀，故叫做均匀腐蚀。由于微阳极和微阴极相距非常近，所以微电池的腐蚀速度不依赖于土壤电阻率，仅决定于微阳极和微阴极的电极过程。微电池腐蚀对地下管线的危害性较小。1．2宏电池腐蚀当管线腐蚀是由相距几厘米，甚至几米的阳极区和阴极区所构成的宏电池作用而引起时，常称宏电池腐蚀或局部腐蚀。由于阳极区和阴极区相距较远，土壤介质的电阻在腐蚀电池回路总电阻中占有相当大的比例，因此宏电池的腐蚀速度不仅与阳极和阴极的电极过程有关，还与土壤电阻率密切相关，土壤电阻率大，就能降低宏电池的腐蚀速率。在埋地管道的表面上出现的斑块状、孔穴状腐蚀即是宏电池腐蚀所致，其危害性特别大。按宏电池腐蚀的起因，可分成下列5种；(1)通气差异电池腐蚀管线金属表面与通气状况不同的土壤相接触而引起的腐蚀就是通气差异电池作用的结果。这时，与通气差的土壤相接触的金属表面上的电位较负，构成阳极区而遭受腐蚀，反之电位较正的管线表面构成阴极区而免遭腐蚀。在土壤中，通气状况的差异是普遍存在的，如在水旱田交界处，江河池塘岸边，地下水位上下，砂粘相间的土层中等。金属管线埋设在这些位置上，就会形成气差电池，致使位于被水饱和的或通气性差的土壤中的管线表面产生严重腐蚀。(2)盐分差异电池腐蚀在盐渍土地区，由于水盐运行的特点，盐分在土壤剖面中的分布差异明显，水平方向上，由于地形起伏，使盐斑呈插花状分布。当管线埋人含盐土壤中，其表面将与含盐量不同的土壤接触，往往可形成盐分差异电池，在盐渍土和重污染地区，金属管道埋下不到两三年就锈蚀穿孔，往往与盐差电池的腐蚀作用有关。(3)金属差异电池腐蚀(电偶腐蚀)当地下管线上具有不同金属连接体，由于金属本性不同，使金属—土壤界面电位互不相同，形成金属差异电池，低电位金属就成为腐蚀电池的阳极而遭到加速腐蚀，高电位金属构成阴极而得到保护。这种电偶腐蚀的影响距离取决于介质的导电性，腐蚀常呈现局部腐蚀特征。(4)杂散电流腐蚀当土壤中由于种种原因如电气铁轨而存在的杂散直流电流通过地下管线时，在电流从管线流出处就会产生腐蚀，它不是原电池作用的结果，而是属于电解腐蚀范畴。它具有局部腐蚀特征，腐蚀速度比自然腐蚀快数十倍乃至上百倍。(5)交流电腐蚀处于交流电干扰环境中的埋地管线，由于防腐层漏敷点和缺陷处的存在，必然有交流干扰电流进入大地，造成管线交流电腐蚀。综上所述，埋地管道在土壤中主要遭受电化学腐蚀，该腐蚀分为阳极过程、阴极过程、电流流动3个过程，相互独立又彼此联系，其中1个过程受阻，另2个过程也受阻，腐蚀电池就会停止和减慢。防护措施就从抑制其一人手。如覆盖层为增大回路电阻、减少电流而设；阴极保护就是消除阴阳极电位差，从根本上停止阴、阳极过程的进行。覆盖层是治表，阴极保护治本，一旦覆盖层破损，露铁部分会加速局部腐蚀。而覆盖层与阴极保护相结合是表本兼治的防护方法，经济而有效。2土壤介质腐蚀的特点及评价土壤是由固相、气相和液相构成的非均质多孔体系。由于土壤中存在局部腐蚀，所以管道在土壤中腐蚀特点以局部腐蚀为主，如点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、焊缝腐蚀等，因此评价腐蚀速度不能用均匀失重法来衡量，而要用衡量局部腐蚀的指标来表达，如单位面积点蚀数量、点蚀深度、机械强度降低等指标来说明。由于土壤环境影响因素多，相互关系复杂，各国采用多项指标综合评价方法。经典的评价方法有失重法和最大孔蚀深度法，方法虽然直观，但需埋片较长时间才能得到结果，应用中不方便。土壤环境中的金属构筑物的腐蚀属于电化学腐蚀，影响腐蚀原电池，影响土壤中金属电极电位。土壤导电性的各种土壤的理化性质，都有可能直接或间接影响土壤的腐蚀性。先从单项指标与土壤腐蚀性的关系人手，再将这些参数进行叠加处理，力求得到一个综合的评价指标，代表性的有美国和德国的相关标准。土壤环境腐蚀检测一般采用理化性能分析法，即定点取样和某些参数原位测量方法，得到各单项测试结果。按照SY／T0087—95《钢质管道及储罐腐蚀与防护调查方法标准》[1]，对土壤各单项指标分别进行评价，得到的腐蚀性评价指数表明管道沿线土壤腐蚀性等级。3土壤腐蚀现场勘测和实验室分析3．1土壤腐蚀勘测与分析的必要性[2]根据土壤腐蚀性强弱，可决定防腐层材质和防腐层等级；根椐土壤电阻率决定牺牲阳极材料、规格和布局，根椐地电位梯度大小，确定排流点和排流方式。特别是采用阴极保护方式时，阴极保护参数的确定取决于土壤腐蚀性及管道防腐层质量的定量测定，由管道绝缘层的面电阻及土壤电阻率选取最小保护电流密度，根据被保护管道面积，确定所需保护电流。选用整流器或其他电源的功率及输出电流、电压大小，辅助阳极的规格和数量，辅助阳极埋设点(指强制电流法)；按设计年限要求，决定阳极的材料，选定阳极规格尺寸，得到阳极的质量和支数(指牺牲阳极法)。过去的教训曾发生过，高土壤电阻率选用锌阳极，阳极不溶解。在低土壤电阻率选用镁阳极，阳极溶解过快，寿命太短。在含有大量碳酸氢根和碳酸根的苏打盐土壤使用锌阳极，致使阳极钝化而不溶解。高土壤电阻率区域，阳极可选用小质量，阳极间距小；在低土壤电阻率区域，阳极要选用大质量，阳极间距可大。总之，土壤腐蚀调研帮助设计者考虑阳极材料和最佳阳极布置方案，以达到保护电位的均匀分布。特别是对腐蚀的热点、穿跨越难点，格外加以注意，如套管内或压块下的输送管，考虑到电力线受到屏蔽，输送管必须安放阳极。至于用块状阳极还是带状阳极，要由土壤腐蚀性强弱决定，以满足寿命要求。做到既要得到最佳保护效果，又要注意经济的合理性。3．2测试内容土壤腐蚀性调查的目的是了解管道埋地腐蚀的环境，管道严重腐蚀的段位，从而确定重点保护区段，确定牺牲阳极应该选用的材料、数量及布置方案，确定最佳保护电位和估计最小保护电流密度，辅助阳极的规格和用量，电源的功率、输出电流、电压等。有关设计所需的原始资料也从土壤腐蚀调研中得到，同时这些资料也为正确进行阴极保护设计提供可靠依据，使设计达到最佳保护效果和经济的合理性。现场测试内容[1]：①土壤类型、地表状况和气候条件；②土壤含盐量和含水量；③土壤电阻率；④土壤微生物指标—氧化还原电位；⑤管道腐蚀电位；⑥土壤pH值；⑦杂散电流影响；⑧管道防腐层绝缘电阻。3．3土壤腐蚀现场勘测研究方法(1)通过表观分析，即肉眼观察、指触感觉和比较的方法鉴别土壤质地和松紧度，确定土壤类型，记录地表状况；(2)在勘测范围内测量现役埋地管线相对于饱和Cu／CuSO4参比电极的电位，即管地电位；(3)直接测量钢铁试片或巳埋于土壤中的管道相对于饱和Cu／CuSO4参比电极的电位，即金属腐蚀电位；(4)在现场土壤中用铂电极测定相对饱和甘汞电极的电位差，换算成相对标准氢电极的电位，最后校正为相对pH=7时氧化还原电位；(5)采用土壤—土壤测定法(即S—S法)，测量一定距离的2支饱和Cu／CuSO4参比电极之间的电位差，可获土壤电位梯度。在每一点处测量平行和垂直两个方向的分布值。由此可得地电位分布图，并据此判断杂散电流危害程度。3．4土壤腐蚀实验室分析在现场勘测时从探坑中用土壤刀提取土壤样品，置于密闭容器(或塑料袋)中，在实验室中通过各种分析测试方法，可测定土壤含水量、pH值、总含盐量、各种酸根离子浓度、硫化物含量和硫酸盐还原菌含量等参数。(1)采用烘干法，以烘干前后的土壤质量差，计算以烘干土为基数的水分，即土壤含水量。(2)在20g风干土与20mL蒸馏水制成的土壤悬浮液中直接用pH计测定pH值。(3)制取清亮浸出液，取一定量待测液烘干至恒重，再用H2O2除去有机物质可得可溶性盐总量，即总含盐量。(4)对土壤浸出液用指示剂中和法(酚酞指示剂或标准酸)滴定可得碳酸根离子浓度。(5)对土壤浸出液用BaSO4质量法或硝酸银直接滴定法，可测得氯离子浓度。(6)在新鲜土样中滴人一定浓度盐酸数滴，用醋酸铅试纸可判断有无硫化物存在及含量。(7)制备不同浓度的高稀释度新鲜土样悬浮液，于300℃培养7～10d，可按最大可能菌量计数表查出指数，以计算硫酸盐还原菌含量。参考文献：[1]SY／T0087—95，钢质管道及储罐腐蚀与防护调查方法标准[S]．[2]王健，孟繁强，王芷芳．阴极保护设计中的几个问题[J]．煤气与热力，1999，(2)：23—26．