摘　要：本文介紹了土壤對(duì)油氣長(zhǎng)輸埋地鋼質(zhì)管道腐蝕的成因分析，討論了土壤對(duì)管道腐蝕的特點(diǎn)和評(píng)價(jià)，最后通過山東省天然氣管道公司所管轄管線的實(shí)驗(yàn)說明了土壤腐蝕的影響因素。

關(guān)鍵詞：土壤　管道　腐蝕　分析

1、引言

隨著石油工業(yè)的迅速發(fā)展，埋設(shè)在地下的油、氣等管道日益增多。這些管道在土壤作用下常發(fā)生腐蝕，嚴(yán)重的腐蝕穿孔會(huì)造成油、氣的跑、冒、滴、漏，不但造成直接經(jīng)濟(jì)損失，而且可以引起爆炸、起火、污染環(huán)境等，產(chǎn)生巨大的間接經(jīng)濟(jì)損失。

土壤腐蝕是油氣長(zhǎng)輸管線的管外腐蝕的主要來源。土壤對(duì)管線的外部腐蝕，既有化學(xué)腐蝕，又有電化學(xué)腐蝕。化學(xué)腐蝕主要是與土壤中所含的有機(jī)質(zhì)，各種鹽類對(duì)金屬的腐蝕性有關(guān)。電化學(xué)腐蝕是因?yàn)橥寥朗且环N導(dǎo)電介質(zhì)，因而含水的土壤具有電解溶液的特性，從而在不均勻的土壤中構(gòu)成原生電池，而產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。

2、土壤腐蝕的成因分析

主要原因可概括為：

1)導(dǎo)電介質(zhì)。土壤是有固體顆粒、液態(tài)水分和氣態(tài)(空氣或其它氣體)三相物質(zhì)，按一定結(jié)構(gòu)組成的復(fù)雜混合物。這個(gè)混合物中的水分以及其它能夠進(jìn)行離子電導(dǎo)的鹽類，即使土壤具有了電解質(zhì)溶液的特性，從而產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。

下圖為兩個(gè)不同的土壤對(duì)管道的腐蝕：

2)雜散電流。所謂雜散電流是指沿規(guī)定回流以外流動(dòng)的電流。雜散電流流出的地方成為腐蝕電池的陽(yáng)極區(qū)，腐蝕破壞就發(fā)生在這個(gè)地方，金屬損失量與流過的雜散電流的電量成正比，符合法拉第定律，即一安培電流流過一年就相當(dāng)于約九公斤的鐵發(fā)生電化學(xué)腐蝕而溶解掉了，可見雜散電流引起的腐蝕是相當(dāng)嚴(yán)重的。

3)細(xì)菌作用。土壤中有細(xì)菌存在，這時(shí)在有水(H2O)和氧(O2)的條件下，再加上其它腐蝕雜質(zhì)的存在，則會(huì)使管線受到化學(xué)腐蝕。在同一介質(zhì)中有細(xì)菌比無細(xì)菌腐蝕速度要快100多倍。

上述表明，土壤對(duì)油氣長(zhǎng)輸管線的腐蝕以電化學(xué)腐蝕為主。雜散電流給管線帶來的腐蝕是局部腐蝕，但長(zhǎng)輸管線的局部在短時(shí)間內(nèi)因腐蝕穿孔所造成的泄露事故，也是很嚴(yán)重的。還應(yīng)該指出的是由于長(zhǎng)輸管線距離長(zhǎng)，沿線的土壤種類、性質(zhì)和環(huán)境條件均不盡相同，造成的腐蝕程度和腐蝕速度也不同，因而這種沿長(zhǎng)輸管線長(zhǎng)度方向的腐蝕不均勻性，還會(huì)加劇土壤對(duì)金屬管線的電化學(xué)腐蝕。

3、土壤介質(zhì)腐蝕的評(píng)價(jià)

土壤是由固相、液相和氣相構(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衡量，而要用衡量局部腐蝕的指標(biāo)來表達(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)來說明。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、比較準(zhǔn)確地反映出土壤的腐蝕性，但需埋片等待較長(zhǎng)時(shí)間才能得到結(jié)果，實(shí)際應(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)與土壤腐蝕性的關(guān)系入手，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SY／T0087—95《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)土壤各個(gè)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)。

4、土壤電化學(xué)腐蝕的特點(diǎn)

4．1　電解質(zhì)的特點(diǎn)

1)土壤作為電解質(zhì)，具有物理性態(tài)(如濕度、孔隙度、含水量等)的多變性。

2)腐蝕電池的隨機(jī)性。這是由于作為電解質(zhì)的土壤的性質(zhì)的多樣性和多相性所帶來的。在長(zhǎng)輸管線中，可能是在很小范圍(沿管線長(zhǎng)度)內(nèi)，形成微弱的原生電池(腐蝕電池)；也可能是在較長(zhǎng)的范圍內(nèi)，形成宏大的腐蝕電池，這就是腐蝕電池的隨機(jī)性的特點(diǎn)。

3)電化學(xué)反應(yīng)速度的多變性。這是由于參與電化學(xué)反映的物質(zhì)(電解質(zhì)離子)在土壤中的移動(dòng)速度，受到性質(zhì)多變的土壤的阻力而變化所造成的。因?yàn)檫@個(gè)移動(dòng)速度直接影響反映速度。

4．2　電極反應(yīng)的特點(diǎn)

1)電化學(xué)腐蝕的陰極反應(yīng)特點(diǎn)。強(qiáng)酸性土壤中常發(fā)生氫去極化反應(yīng)，即

H⁺+e^-®H 　　　　　　　　　  　 (1—1)

H+H®H²­    　　　　　　　　　(1—2)

弱酸性土壤和中性、堿性土壤中常發(fā)生氧去極化反映，土壤中氧，水與電子結(jié)合生成氫氧根離子，其反應(yīng)式可表示為：

O2+2H2O+4e^-®4OH^-              (1—3)

2)電化學(xué)腐蝕的陽(yáng)極反應(yīng)特點(diǎn)。金屬成為金屬離子并且釋放出電子：

Fe+nH2O®Fe²⁺  nH2O+2e^-          (1—4)

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             (1—5)

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。

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，造成串連過程不斷進(jìn)行，金屬腐蝕不斷發(fā)生。

5、土壤腐蝕的影響因素

山東省天然氣管道公司擔(dān)負(fù)著從山東省內(nèi)天然氣管道輸送工作。我們?cè)诠艿缽臐?jì)南一淄博管段上通過不同點(diǎn)段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：

1)通過表現(xiàn)分析，即肉眼觀察、指觸感覺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)量從山東濟(jì)南到淄博的天然氣管道現(xiàn)役埋地管線相對(duì)于飽和Cu／Cuso₄參比電極的電位，即管地電位；

3)直接測(cè)量管道上的與管道材質(zhì)相同的鋼質(zhì)試片或已埋于土壤中的管道相對(duì)于飽和Cu／Cuso₄參比電極的電位，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S—S法)，測(cè)量一定距離的2支飽和Cu／Cuso₄參比電極的電位差，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。由此可得到電位分布圖，并據(jù)此判斷雜散電流危害程度。

實(shí)驗(yàn)得出：濟(jì)南一淄博段管線所經(jīng)區(qū)域?yàn)轸斨心仙降厍鹆陞^(qū)，氣候溫和、四季分明，年平均氣溫14℃，年平均降水量650—700毫米。土壤為普通褐土，間有淋溶褐土與石灰性褐土，成土母質(zhì)為富鈣的石灰?guī)r、砂頁(yè)巖風(fēng)化堆積的厚層殘破積物、坡洪積物、洪積物以及黃土或黃土狀物質(zhì)。碳酸鹽淋溶沉積明顯，粘化作用比較顯著，地下水位較低，土壤電阻率較高，土壤對(duì)管道的腐蝕性中等。

通過在濟(jì)南一淄博管段上的實(shí)驗(yàn)我們也證實(shí)了土壤對(duì)油氣長(zhǎng)輸管線的腐蝕因素。它們有：

A．土壤電阻率

土壤電阻率是表征土壤導(dǎo)電性能的指標(biāo)。以土壤電阻率來劃分土壤的腐蝕性是常用方法，即電阻率小，腐蝕性強(qiáng)，土壤電阻率小于5歐姆 米時(shí)為特強(qiáng)。對(duì)于大多數(shù)情況都是適用的，但有些場(chǎng)合違反這一規(guī)律，呈現(xiàn)土壤電阻率大腐蝕性也大。

B．土壤的透氣性

土壤質(zhì)地及土壤松緊度和透氣性直接相關(guān)，影響金屬腐蝕有兩個(gè)途徑：土壤電阻率；氧的擴(kuò)散和滲透。一般透氣性差的粘土比透氣性好的沙土腐蝕性強(qiáng)。

C．土壤的氧化還原電位

土壤的氧化還原電位和土壤電阻率一樣是判斷土壤腐蝕性的指標(biāo)，一般認(rèn)為在-200mV(SHE)以下的厭氧條件下腐蝕激烈，易受到硫酸鹽還原菌的作用，故在低的土壤氧化還原條件下，要注意厭氧微生物導(dǎo)致金屬的土壤微生物腐蝕。另外，了解土壤中細(xì)菌腐蝕指標(biāo)，電位小于l00mV為嚴(yán)重細(xì)菌腐蝕。

D．土壤含水、含鹽量

土壤的腐蝕性隨著濕度的增加而增加，直到達(dá)到某一臨界濕度，即含水量25～40％(發(fā)生連續(xù)水層)，腐蝕速率開始降低。土壤腐蝕隨含鹽量增加(在有水分存在下)而增加，因土壤導(dǎo)電性加大。鹽分的組成不同，腐蝕率差異很大，其中海濱鹽土最強(qiáng)，內(nèi)陸荒漠次之，蘇打鹽土最弱。

E．PH值

PH值代表了土壤的酸堿度，對(duì)于缺乏堿金屬、堿土金屬而大量吸附H+的PH值小于5的酸性土壤，通常被認(rèn)為是腐蝕性土壤。

F．土壤溫度

土壤溫度對(duì)土壤電阻率影響是比較明顯的，溫度每相差1℃，土壤電阻率約變化2％^[2]。其次，金屬在土壤中的腐蝕，在某些情況下是擴(kuò)散過程控制的。而擴(kuò)散速度與溫度的關(guān)系是十分密切的。溫度還影響到氣體在土壤中液相中的溶解度，這涉及到氧的狀況而對(duì)陰、陽(yáng)極產(chǎn)生作用。溫度還影響金屬的電極電位，每相差10℃，電極電位可改變幾十毫伏。

G．管道自然電位

當(dāng)管道自然電位負(fù)于0.55V(相對(duì)飽和硫酸銅電極)為處于強(qiáng)腐蝕環(huán)境。

H．雜散電流干擾指標(biāo)

地電位梯度越大，干擾越嚴(yán)重，5mV／m為干擾嚴(yán)重指標(biāo)。

6、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過實(shí)驗(yàn)和研究等發(fā)現(xiàn)：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)極過程，陰極過程，電流流動(dòng)3個(gè)過程，相互獨(dú)立又彼此聯(lián)系，其中1個(gè)過程受阻，另2個(gè)過程液受阻，腐蝕電池就會(huì)停止和減慢。防護(hù)措施就從抑制其一入手。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)極過程的進(jìn)行。覆蓋層是治標(biāo)，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)結(jié)合是標(biāo)本兼治的防護(hù)方法，經(jīng)濟(jì)而有效。

本文作者：宋春慧　王力勇

作者單位：中石化天然氣分公司