摘　要：本文介紹了土壤對油氣長輸埋地鋼質管道腐蝕的成因分析，討論了土壤對管道腐蝕的特點和評價，最后通過山東省天然氣管道公司所管轄管線的實驗說明了土壤腐蝕的影響因素。

關鍵詞：土壤　管道　腐蝕　分析

1、引言

隨著石油工業的迅速發展，埋設在地下的油、氣等管道日益增多。這些管道在土壤作用下常發生腐蝕，嚴重的腐蝕穿孔會造成油、氣的跑、冒、滴、漏，不但造成直接經濟損失，而且可以引起爆炸、起火、污染環境等，產生巨大的間接經濟損失。

土壤腐蝕是油氣長輸管線的管外腐蝕的主要來源。土壤對管線的外部腐蝕，既有化學腐蝕，又有電化學腐蝕。化學腐蝕主要是與土壤中所含的有機質，各種鹽類對金屬的腐蝕性有關。電化學腐蝕是因為土壤是一種導電介質，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成原生電池，而產生電化學腐蝕。

2、土壤腐蝕的成因分析

主要原因可概括為：

1)導電介質。土壤是有固體顆粒、液態水分和氣態(空氣或其它氣體)三相物質，按一定結構組成的復雜混合物。這個混合物中的水分以及其它能夠進行離子電導的鹽類，即使土壤具有了電解質溶液的特性，從而產生電化學腐蝕。

下圖為兩個不同的土壤對管道的腐蝕：

2)雜散電流。所謂雜散電流是指沿規定回流以外流動的電流。雜散電流流出的地方成為腐蝕電池的陽極區，腐蝕破壞就發生在這個地方，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于約九公斤的鐵發生電化學腐蝕而溶解掉了，可見雜散電流引起的腐蝕是相當嚴重的。

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

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

3、土壤介質腐蝕的評價

土壤是由固相、液相和氣相構成的非均質多孔體系。由于土壤中存在局部腐蝕，所以管道在土壤中腐蝕特點以局部腐蝕為主，如點蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕、焊縫腐蝕等，因此評價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來表達，如單位面積點蝕數量、點蝕深度、機械強度降低等指標來說明。由于土壤環境影響因素多，相互關系復雜，各國采用多項指標綜合評價方法。經典的評價方法有失重法和最大孔蝕深度法，方法雖然直觀、比較準確地反映出土壤的腐蝕性，但需埋片等待較長時間才能得到結果，實際應用中不方便。

土壤環境中的金屬構筑物的腐蝕屬于電化學腐蝕，影響腐蝕原電池，影響土壤中金屬電極電位。土壤導電性的各種土壤的理化性質，都有可能直接或間接影響土壤的腐蝕性。先從單項指標與土壤腐蝕性的關系入手，再將這些參數進行疊加處理，力求得到一個綜合的評價指標，代表性的有美國和德國的相關標準。

土壤環境腐蝕檢測一般采用理化性能分析法，即定點取樣和某些參數原位測量方法，得到各單項測試結果。按照SY／T0087—95《鋼質管道及儲罐腐蝕與防護調查方法標準》^[1]，對土壤各個單項指標分別進行評價，得到的腐蝕性評價指數表明管道沿線土壤腐蝕性等級。

4、土壤電化學腐蝕的特點

4．1　電解質的特點

1)土壤作為電解質，具有物理性態(如濕度、孔隙度、含水量等)的多變性。

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

3)電化學反應速度的多變性。這是由于參與電化學反映的物質(電解質離子)在土壤中的移動速度，受到性質多變的土壤的阻力而變化所造成的。因為這個移動速度直接影響反映速度。

4．2　電極反應的特點

1)電化學腐蝕的陰極反應特點。強酸性土壤中常發生氫去極化反應，即

H⁺+e^-®H 　　　　　　　　　  　 (1—1)

H+H®H²­    　　　　　　　　　(1—2)

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

O2+2H2O+4e^-®4OH^-              (1—3)

2)電化學腐蝕的陽極反應特點。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。

管道腐蝕的實質就是金屬離子和電子分離，也就是活潑金屬產生的電子不斷被氧消耗，造成串連過程不斷進行，金屬腐蝕不斷發生。

5、土壤腐蝕的影響因素

山東省天然氣管道公司擔負著從山東省內天然氣管道輸送工作。我們在管道從濟南一淄博管段上通過不同點段進行實驗：

1)通過表現分析，即肉眼觀察、指觸感覺和比較的方法鑒別土壤質地和松緊度，確定土壤類型，記錄地表狀況；

2)在勘測范圍內測量從山東濟南到淄博的天然氣管道現役埋地管線相對于飽和Cu／Cuso₄參比電極的電位，即管地電位；

3)直接測量管道上的與管道材質相同的鋼質試片或已埋于土壤中的管道相對于飽和Cu／Cuso₄參比電極的電位，即金屬腐蝕電位；

4)在現場土壤中用鉑電極測定相對飽和甘汞電極的電位差，換算成相對標準氫電極的電位，最后校正為相對PH=7時氧化還原電位；

5)采用土壤—土壤測定法(即S—S法)，測量一定距離的2支飽和Cu／Cuso₄參比電極的電位差，可獲土壤電位梯度。在每一點處測量平行和垂直兩個方向的分布值。由此可得到電位分布圖，并據此判斷雜散電流危害程度。

實驗得出：濟南一淄博段管線所經區域為魯中南山地丘陵區，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，成土母質為富鈣的石灰巖、砂頁巖風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。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，土壤對管道的腐蝕性中等。

通過在濟南一淄博管段上的實驗我們也證實了土壤對油氣長輸管線的腐蝕因素。它們有：

A．土壤電阻率

土壤電阻率是表征土壤導電性能的指標。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，土壤電阻率小于5歐姆 米時為特強。對于大多數情況都是適用的，但有些場合違反這一規律，呈現土壤電阻率大腐蝕性也大。

B．土壤的透氣性

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

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，一般認為在-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致金屬的土壤微生物腐蝕。另外，了解土壤中細菌腐蝕指標，電位小于l00mV為嚴重細菌腐蝕。

D．土壤含水、含鹽量

土壤的腐蝕性隨著濕度的增加而增加，直到達到某一臨界濕度，即含水量25～40％(發生連續水層)，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，內陸荒漠次之，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，通常被認為是腐蝕性土壤。

F．土壤溫度

土壤溫度對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，在某些情況下是擴散過程控制的。而擴散速度與溫度的關系是十分密切的。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陰、陽極產生作用。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

當管道自然電位負于0.55V(相對飽和硫酸銅電極)為處于強腐蝕環境。

H．雜散電流干擾指標

地電位梯度越大，干擾越嚴重，5mV／m為干擾嚴重指標。

6、結束語

綜上所述，通過實驗和研究等發現：埋地管道在土壤中主要遭受電化學腐蝕，該腐蝕分為陽極過程，陰極過程，電流流動3個過程，相互獨立又彼此聯系，其中1個過程受阻，另2個過程液受阻，腐蝕電池就會停止和減慢。防護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；陰極保護就是消除陰陽極電位差，從根本上停止陰、陽極過程的進行。覆蓋層是治標，陰極保護治本，一旦覆蓋層破損，露鐵部分會加速局部腐蝕。而覆蓋層與陰極保護結合是標本兼治的防護方法，經濟而有效。

本文作者：宋春慧　王力勇

作者單位：中石化天然氣分公司