埋地金属管道的腐蚀除土壤的自然腐蚀性原因造成(如上一节所讨论的各种因素)外,还有土壤中存在的外来的电干扰因素。其中,直流干扰腐蚀是最常见、危害性较强、国内外对其腐蚀机理的认识也较为统一的一种腐蚀。因此,我们在环境腐蚀评价中将其列为环境腐蚀性评价的指标之一。
干扰腐蚀也称为杂散电流腐蚀。所谓杂散电流就是“从规定的正常电路中流失而在非指定回路中流动的电流”。也称之为“迷流”或“徘徊电流”。有些土壤中就存在着这类电流,例如土壤环境中存在的电气化铁路、电缆、各种用电设备、埋地管道的阴极保护等。在这些电力设施中流动的电流会由于各种原因流失到土壤中,这部分流失到土壤中的电流就成为了杂散电流或干扰电流。
如果直流电力设施引起杂散电流,则称之为直流杂散电流或直流干扰电流;如果交流电力设施引起杂散电流则称之为交流杂散电流或交流干扰电流。由直流杂散电流或直流干扰电流引起的埋地管道的腐蚀称之为直流杂散电流腐蚀或直流干扰腐蚀;由交流杂散电流或交流干扰电流引起的腐蚀则称之为交流杂散电流腐蚀或交流干扰腐蚀。
由于国内外的专业人士普遍对直流干扰腐蚀的机理认知比较一致,关于交流干扰腐蚀的机理在国内外仍有很大的争议,而且在这两种干扰腐蚀中以直流干扰对埋地管道产生的直流干扰腐蚀的强度要远远大于交流干扰腐蚀,因此,《规程》只规定了直流干扰腐蚀的评价指标。当国内对交流干扰腐蚀的测量与研究工作开展得比较全面,人们的认知程度较为一致且积累较为丰富的经验和数据后,再推出关于交流干扰腐蚀的评价指标是比较适宜的。
直流干扰腐蚀将在第七章中给出详尽的理论分析。本节仅对直流干扰腐蚀指标的界定进行介绍。有关直流干扰腐蚀(以下简称:干扰腐蚀)的机理在相关的技术资料中都已有介绍,即干扰腐蚀不同于自然腐蚀的腐蚀原电池机理,它属于电解腐蚀。
当管道发生自然腐蚀时,其腐蚀电位差是由于管道表面的电化学不均匀性,从而在管道表面的不同部位具有不同的电极电位值而形成了电位差,在构成完整导电回路的环境条件下,形成了微电池类型的腐蚀原电池;或者是由于管道共处于不同的土壤电解质环境下,造成管道在不同的土壤电解质中具有不同的电极电位值,从而形成了宏电池效应,此宏电池也属于腐蚀原电池的机理。以上这两种腐蚀原电池的电位差都仅仅在几百毫伏的数量级。
当管道发生干扰腐蚀时,遵从电解池的模型。引起这种腐蚀的驱动力是土壤中外来的干扰电流。干扰电流从土壤中管道防腐层的不完整处进入管道,又从管道的另一部位(也是管道表面防腐层的缺陷处)流出。在电化学理论上,电流从离子导电相进入电子导电相的电流流入部位是阴极,而电流从电子导电相进入离子导电相的电流流出部位是阳极。腐蚀发生在阳极部位。阳极区金属腐蚀遵从法拉第电解定律。即:
Q = K · I · t
式中 Q ——阳极表面腐蚀的金属的量(g);
K ——该种金属的电化学当量(g/A ·h),表示电解 1g当量该物质时所需要的电量;
I ——电极上通过的电流强度(A);
t ——通电的时间(h)。
法拉第电解定律叙述的是:电解时电极上发生变化的物质的量与电极上通过的电流强度成正比,与通电的时间成正比;在同一电流强度下在电极上所发生电化学反应的物质变化的量与该物质的电化学当量成正比。例如,二价的铁的电化学当量为9.1g/(a ·mA)。由此可见,管道发生干扰腐蚀时,其腐蚀的强度主要取决于外来的干扰电流的大小。而直流干扰电流常常是几安培,甚至几十安培、上百安培的数量级,远远大于管道自然腐蚀的腐蚀电流强度。我国东北输油管理局曾在东北抚顺地区测出近500A强度的杂散电流。测试表明,在有直流干扰时,管道的管地电位可能高达 8~9V,通过的电流最大可达几百安,其影响可达几十千米的范围。壁厚 7~8mm的某地下管道投产仅四五个月后即腐蚀穿孔。尤其是当干扰电流是来自电气化铁路等电力设备产生时,其散失的干扰电流量往往要大大超过管道自然腐蚀电池的电位差。也就是由于这一根本原因造成干扰腐蚀具有强度高,危害大,影响范围广,作用周期随机性突出等特点。而且在受到干扰腐蚀的管道上可明显区分出阳极区、阴极区和过渡区等分区的特征。
由于干扰腐蚀的危害性较大,我国对干扰腐蚀的检测和防护技术比较重视。石油天然气行业也制定了相应的行业标准《埋地钢质管道直流排流技术标准》SY/T 0017 —96。干扰腐蚀不仅在长输管道上有,城市埋地管道上也存在,并对此开展了大量测量与研究工作。北京燃气集团与中国腐蚀与防护学会已合作研究了该项课题,为该项指标的制定打下了良好基础。
对干扰腐蚀的评价的界定包括以下两点:
1.当管道任意点上的管地电位较自然电位正向偏移大于 20mV或管道附近土壤电位梯度大于 0.5mV/m时,确认为有直流干扰。
2.当管道任意点上的管地电位较自然电位正向偏移大于 100mV或管道附近土壤电位梯度大于 2.5mV/m时,必须采取排流保护或其他防护措施。
评价指标只规定了正向偏移是因为只有在正向偏移处,管道才会受到电解腐蚀,负向偏移部位不会造成管道的腐蚀,只有在负向偏移电位超过防腐层的阴极剥离电位时,才会对管道造成不利影响。
本《规程》给出了两级评价指标,首先是对干扰存在的确认。目前,国际上各个国家对直流干扰的指标的规定存在一定的差异。英国的腐蚀界认为当管道对地电位正向偏移20mV时,就可能产生不允许的干扰腐蚀,因此英国以 20mV作为评价标准;日本则考虑到本国领土的狭小,地下构筑物比较拥挤,且电气化铁路分布十分密集,干扰也十分严重,要想彻底防治非常困难,因此日本以 50mV作为标准;有些国家以 10mV为标准,也有一些国家以 100mV为标准。
我国的专业技术人员认为,确定干扰的标准不仅仅是技术问题,还要考虑国情及企业的技术、资金投入情况,带有一定的政策性和经济性。出于对城市燃气安全性的要求,我们认为 20mV的正向偏移指标是适宜的。确立了这样一个警戒线指标,有利于对管道重点防护管段的确立,可将有限的资金用在刀刃上。随着我国城市轨道交通的发展,地下铁道的不断建设以及城市化建设的不断推进,干扰腐蚀的防护也应该越来越引起相关人士的关注与重视。
除确立直流干扰的警戒线指标外,《规程》中还规定了必须采取排流保护或其他防护措施的指标。即第 4.1.2 条第 3 款的规定。由于并非干扰存在就一定要采取措施,应在干扰达到一定的程度时采取工程上的预防措施。这种规定对干扰腐蚀的防护既具有一定的前瞻性,又针对了重点地区、重要防护地段,使干扰的防护由被动的防护变成主动的预防,从而使干扰的腐蚀破坏减至最小的程度,同时又可将干扰腐蚀防护的经费做到最为经济合理。
以上评价指标应是我国防腐蚀专业人员所制定出的符合我国国情的规范指标,应该说既具有实用性,又具有先进性。城市埋地管道在一定程度上所受到的干扰腐蚀应比长输管道更复杂,情况更严重,而且城市燃气管道的安全性应更重于长输管道。但由于人员、技术和经费等各种问题对干扰腐蚀的检测与防护并未很好的开展。相信随着城市化进程的推进和城市燃气管道建设的发展,此问题将会越来越引起业内人士的关注。
在干扰腐蚀评价指标中还有一项与干扰电位平行的评价指标——地电位梯度。规定该项指标是为了尽量减少管道开挖,因为在管道上所做的测试桩的数量是有限的。由于地电位梯度是在地表测量,因此该项指标的规定给干扰腐蚀的测定带来很大的便利。
从物理学原理来看,如果大地土壤中存在着宏电池电流的流动,显然土壤作为一种离子导体(即电解质导体),其上不同部位必然产生与电流流动方向相同电场强度。表现在地表面就会产生电位差即地表电位梯度。地表的土壤电位梯度是由于干扰电流造成的,因此可以通过测量地表的土壤电位梯度来检查干扰电流的大小,也可以通过检测土壤电位梯度来判别干扰电流的方向。
日本 1997 年出版的《电蚀、土壤腐蚀手册》推荐的地电位梯度与干扰电流的关系如表 4-4 所示:
表 4-4 地电位梯度与干扰电流大小的关系
实际测量中常常通过地电位梯度的测定来判断土壤中管道被干扰的程度,同时通过地电位梯度来大致判断干扰电流的流向。地电位梯度的测量应沿管道的横向和纵向两个方向来测量,纵向电位梯度的测定常可分辨管道受干扰腐蚀时的阴极区和阳极区。