第一节
土壤腐蚀性评价

一、土壤腐蚀性一般评价方法介绍

燃气管道埋设在性质各异的土壤环境中，管道的腐蚀状况与其所埋设环境的土壤类型、土壤性质密切相关。对不同性质的土壤的腐蚀性要作出科学、准确的评价是比较困难的，这是由于土壤是由固、液、气三相组成的不均一的多相体系，影响其腐蚀性的因素多种多样。例如：土壤的结构、土壤的类型、土壤的含水量、透气性、土壤的氧化还原电位、土壤中的可溶性离子总含量、土壤的pH值、土壤电阻率等。

对土壤的腐蚀性进行正确评价，一方面取决于对土壤腐蚀性强弱的测试方法的选择，另一方面取决于评价指标的界定。国外对土壤腐蚀性的检测性测定一般采用综合指标评价法，这是考虑到影响土壤腐蚀性的因素多样性及复杂性。代表性的标准有：美国国家标准（ANSI A 21.5）打分法和德国工业标准（DIN 50929）打分法。表 4-1 是DIN 50929 打分法，该标准选择了土壤的 12 项指标进行打分，表 4-2 是根据表 4-1 的综合打分结果对土壤腐蚀性和腐蚀概率的评价。

ANSI A21.5也与DIN标准类似，选取土壤的多种理化性能指标进行综合打分来评价土壤的腐蚀性。显然这种检测调查的评价方法工作量大，检测成本高，推广较困难，难以大量应用。国际上也有采用土壤电阻率这一最基本的指标来区分土壤腐蚀性强弱的做法。利用土壤电阻率评价土壤的腐蚀性在一般土壤条件下是比较准确的，因此也是各国常用的方法。这是因为土壤电阻率可将土壤中的含水量、含盐量和离子组成等主要影响土壤导电性的理化因素表征出来。土壤电阻率与土壤腐蚀性的关系各国的界定标准均不同，表4-3 列出了各国的划分标准。

由以上分析可知，土壤腐蚀性评价在国际上尚未形成统一的量化标准。国内对土壤腐蚀性的评价在行业标准《钢质管道及储罐腐蚀与防护调查方法标准》SY/T 0087 —95 发布之前，一般都采用土壤电阻率值（ρ）来界定，这也是工程上使用的通用方法。但经过国内防腐蚀界专业人员的大量实践发现：用土壤电阻率ρ这一单一指标来判断土壤的腐蚀性的可靠率只有 60 %～70 %，即在很多场合下ρ与土壤的腐蚀性并不趋同。也就是说，在某些情况下根据土壤电阻率评判出的土壤腐蚀性带有一定的局限性，与土壤的实际腐蚀性具有一定的误差。这是因为金属在土壤中的腐蚀绝大多数为电化学腐蚀，而土壤电阻率表明的是土壤的理化性能指标，它可反映出土壤中的含水量、可溶性盐含量、土壤中的pH值等信息，但不能反映出土壤的透气性、土壤结构、微生物等同样与金属腐蚀速率密切相关的性能。

在一定条件下，土壤的透气性对埋设在土壤中的金属管道的腐蚀也常常是举足轻重的因素。例如，我国技术人员发现在某些沙漠地区，虽然土壤电阻率值很高，但金属管道的腐蚀很严重，就是由于该种土壤可使金属阴极极化反应中所需要的“氧”去极化剂不断的得到补充，从而使土壤中的腐蚀不断持续。表现出来的就是金属管道的腐蚀速率很快，穿孔现象经常发生。事实上，埋地油气管道、金属构筑物的腐蚀破坏大多数是由于在土壤中形成了氧浓差电池所致。管道上处于土壤透气性良好的部位是腐蚀电池的阴极，而透气性较差的部位则是腐蚀电池的阳极，因此大多数情况下管道的腐蚀破坏或穿孔的部位都是发生在管道底部区域，或处于管道底部的 1/4 的表面上。在这些部位管道接触的土壤为原位土，土壤的密实度比较高，因而土壤中的溶解氧的含量较低，而管道顶部是回填土，土质要比管底土疏松，其溶解氧的含量自然比较高。腐蚀破坏的部位是腐蚀电池的阳极。

从金属腐蚀的电化学理论来看，金属在土壤中的腐蚀大部分是受氧去极化控制即阴极反应控制的电化学过程。因此，如果土壤的透气性很好，则阴极的氧去极化过程无疑进行得就较快，腐蚀速率当然比较大。从以上分析可知，用土壤电阻率来评价土壤的腐蚀性当然是不全面的。土壤电阻率只反映管道在土壤中发生腐蚀的热力学趋势的可能性，不能反映腐蚀反应的动力学特征和速率的强弱。一般来说，从腐蚀机理来看，在中性或弱碱性、碱性土壤中，氧去极化占主导地位，金属在土壤中的腐蚀行为几乎都是由氧去极化的阴极反应所控制。即使在近中性的土壤溶液中，只要溶液中存在着溶解氧，就会发生氧还原反应。而只要发生的是氧去极化的阴极过程的腐蚀，则此腐蚀的速率就受氧扩散控制。只有在强酸性土壤中才会发生氢去极化占主导地位的阴极极化过程。

那么，用什么指标能更准确的表达土壤腐蚀性呢？我国的防腐蚀工作者经过多年的研究认为：土壤腐蚀电流密度更能准确地反映土壤的这一性能。土壤腐蚀电流密度所反映的正是钢等金属材料在土壤中发生腐蚀时，金属表面的电化学行为和腐蚀动力学过程的难易。土壤腐蚀电流密度值大就表明金属在该种土壤中会产生较激烈的腐蚀；反之，则金属在该种土壤中的腐蚀较为平缓。这也从理论上表明了，我国的防腐蚀专业人员选择和确立的用腐蚀电流密度指标来评价土壤的腐蚀性更科学、更确切。此项指标的确立使土壤腐蚀性的测定既避免了像国外的某些标准那样要进行多项指标的测试，耗费大量的时间和经费，又改进了指标的科学性和准确率。石油天然气行业的专业人员通过用原位极化法所测得的腐蚀电流密度与经典的失重法所测得的平均腐蚀速度指标已经证实了腐蚀电流密度指标的正确性。

应该说，城市埋地管道的土壤腐蚀性的测定更为复杂。这是因为城市内埋设管道的土壤环境不像长输管道埋设的土壤环境那么均匀一致。因此，确立适宜的土壤腐蚀性指标是做好防腐蚀设计的第一步，而正确的检测和现场取得足够的数据也是必不可少的。

考虑到城市的土壤特点，本《规程》在第4.1.1条第2款中规定了在一般地区也可用土壤电阻率来评价土壤的腐蚀性。对一般土壤是可以使用电阻率这一单项指标的。测取腐蚀电流密度指标在工程上一般采用现场的原位极化法来测取。

二、原位极化法与平均腐蚀速率

原位极化法是基于电化学极化的原理而发展出来的一种测量土壤腐蚀性的方法。在测量现场将与管道钢同质的试件插入自地表以下 60～80cm处，距试件3m、同样埋深的位置处安置一辅助阳极（可使用钢桩或钢钻），在试件的另一侧的地面上 2～9m处放置饱和硫酸铜参比电极，采用便携式土壤腐蚀测试仪进行测试。

图4-1为便携式土壤腐蚀测量仪的面板结构示意图。测试仪上设有毫伏表、微安表、检流计、平衡电桥与补偿桥臂。当试件、辅助电极和参比电极与仪器面板上的接线连接好后，打开极化电源使电路接通，试片上将可能发生阴极极化或阳极极化，此时应将补偿桥臂调节到零。极化测量应在保证极化线路接通后只能输出小的极化电流的情况下进行。调节极化电流使试件的电位产生10mV的极化电位，按公式计算出腐蚀电流 I _c。rr 。由于该腐蚀电流是在现场与管道埋设的土壤完全相同的环境下测定的，因此能较准确地反映土壤的腐蚀性。为了验证该值的准确性，可用“试片失重法”来检测“管道钢在土壤中的平均腐蚀速率”。试片失重法是经典的测试方法，土壤腐蚀电流密度的准确与否常用平均腐蚀速率来检验。实践证明，两者有非常好的趋同性，这也说明了选择土壤腐蚀电流密度来评价是科学的。它们两者的综合使用可进行土壤腐蚀性评价，并保证测试结果的准确与可靠。

三、土壤电阻率的测定与评判

土壤电阻率采用电四极法来测试，它也属于一种原位测量法。要想精确测得沿整条管线的电阻率的数据并不简单，如果土壤不均匀，测得数据应是平均值。在测试中应尽量消除界面电阻的影响，才能获得较为准确的土壤电阻率值。据贝克曼《阴极保护简明手册》第 5 版的介绍：当管道埋深为 0.8～1.6m时，探针间距应选用 1.6m；当埋深为 1.6～2.4m时，探针间距应为 2.4m。由于测试的是管道埋深处土壤的电阻率，但测试是在地表进行，因此检测出来的值应认为是一种在较大范围内的平均电阻率的值。在土壤表面有较厚的冻土层时，土壤电阻率会变得很大，因此使电阻率的测量存在较大的误差。城市地下存在裸金属构筑物时，也会对测量结果有影响。

各类土壤的电阻率值有非常大的差异。最低的如大港滨海盐土的土壤电阻率只有0.28Ω ·m，最高的如鹰潭红壤及一些干旱荒漠则在 1000Ω · m以上。我国大部分地区的土壤电阻率值在100Ω·m以下。

评价土壤腐蚀性的量化分类应根据表 4-3 中我国的行业规定。

四、土壤的氧化还原电位与土壤的腐蚀性

《规程》中表4.1.1-3引用自中国腐蚀与防护学会编写的《金属腐蚀手册》中表7-12，行业标准SY/T 0087 —95 的第 6.1.3 条也采用了同样的评价量化标准。土壤氧化还原电位是表征土壤的氧化或还原程度的强度指标，也是土壤中各种氧化还原物质的混合电位的综合指标。土壤中存在有大量的有机和无机的氧化还原物质，例如：氧、铁、硫、锰和氢等无机物质，微生物及其代谢产物、有机酸类、酚类、醛类和醣类等有机体系。氧是土壤中最主要的电子接受体，为化学性质极为活泼的氧化剂，因此氧的含量是决定土壤氧化还原强度的主要因素。土壤的含水量、土壤的pH值等也是影响土壤氧化还原电位的因素。氧化还原是化学反应中的一种基本反应，通过氧化还原反应可使化学能与电能得以转化，因而氧化还原电位与土壤介质的腐蚀性也就联系在一起。在沼泽土、水稻土、森林土中氧化还原过程表现最为活跃。因此，在这些土壤环境中应考虑该项指标。

土壤的氧化还原电位一般用 E _h 表示，它由一定体系中氧化剂与还原剂的活度之比所决定，对于一定的体系来说， E _h 值愈大则表示氧化剂所占的比例愈大，也就是氧化剂的强度大。按照常规，一般当 E _h ＞400mV（SHE）时不会发生细菌（或微生物）腐蚀； E _h 在200～400mV（SHE）时，会发生轻微腐蚀； E _h 在100～300mV（SHE）时，会发生较强腐蚀；当 E _h ＜100mV（SHE）时会发生强腐蚀。

由于土壤不同，含水量、透气性、有机质和pH值等均不相同，其氧化还原电位也有很大的差异。各类土壤的氧化还原电位可在氧化条件下的 600～700mV（SHE）到还原条件下的-200 ～-300mV（SHE）的范围内变动。腐蚀调查表明，在一些氧含量很低的有硫酸盐还原菌存在的土壤中，细菌参与了腐蚀过程。硫酸盐还原菌是一种厌氧菌，它参与电极过程是将可溶性的硫酸盐转化为硫化氢，并和铁作用生成硫化亚铁。在化学反应过程中细菌使硫酸盐中的硫元素从高价元素还原成S ^{- 2} 的硫，生成的硫化氢又增加了土壤中的H ⁺ 浓度，从而使阴极反应过程中的氢去极化作用增强，加速了腐蚀的速率。其电极反应可表示为如下过程：

阳极：Fe → Fe ^{2 +} + 2e

阴极：H ⁺ + e →［H］

细菌参与的阴极反应为原子氢和硫酸盐作用：

二次腐蚀产物为：

Fe ^{2 +} + S ^{2 -} → FeS

Fe ^{2 +} + 2OH- → Fe（OH） ₂

总反应式：

当土壤pH值接近中性，温度在25～30℃左右，且有机质含量丰富时，最有利于土壤中细菌的活动，其中以pH值在6.2～7.8的沼泽地和洼地的细菌腐蚀最为强烈。土壤中是否发生了硫酸盐还原菌的腐蚀可借助于有无黑褐色的硫化亚铁的腐蚀产物以及有无硫化氢的气味来判断。

我国的土壤腐蚀研究表明：滨海盐土、盐化潮土、黄潮土、灰潮土及红壤等土壤壤质，基本上不会出现明显的细菌腐蚀。我国南方一些有水稻土、赤红壤等沿海地区则应加强对细菌腐蚀的观测，防止由于细菌腐蚀造成的对管道的危害。 6wknoIc+VV2OAE3OJHSL4SWXsKAGwd7MJbSGYZLB4IHg/44F4hymnkm6AMELPddw