摘　要：本文介绍了土壤对油气长输埋地钢质管道腐蚀的成因分析，讨论了土壤对管道腐蚀的特点和评价，最后通过山东省天然气管道公司所管辖管线的实验说明了土壤腐蚀的影响因素。

关键词：土壤　管道　腐蚀　分析

1、引言

随着石油工业的迅速发展，埋设在地下的油、气等管道日益增多。这些管道在土壤作用下常发生腐蚀，严重的腐蚀穿孔会造成油、气的跑、冒、滴、漏，不但造成直接经济损失，而且可以引起爆炸、起火、污染环境等，产生巨大的间接经济损失。

土壤腐蚀是油气长输管线的管外腐蚀的主要来源。土壤对管线的外部腐蚀，既有化学腐蚀，又有电化学腐蚀。化学腐蚀主要是与土壤中所含的有机质，各种盐类对金属的腐蚀性有关。电化学腐蚀是因为土壤是一种导电介质，因而含水的土壤具有电解溶液的特性，从而在不均匀的土壤中构成原生电池，而产生电化学腐蚀。

2、土壤腐蚀的成因分析

主要原因可概括为：

1)导电介质。土壤是有固体颗粒、液态水分和气态(空气或其它气体)三相物质，按一定结构组成的复杂混合物。这个混合物中的水分以及其它能够进行离子电导的盐类，即使土壤具有了电解质溶液的特性，从而产生电化学腐蚀。

下图为两个不同的土壤对管道的腐蚀：

2)杂散电流。所谓杂散电流是指沿规定回流以外流动的电流。杂散电流流出的地方成为腐蚀电池的阳极区，腐蚀破坏就发生在这个地方，金属损失量与流过的杂散电流的电量成正比，符合法拉第定律，即一安培电流流过一年就相当于约九公斤的铁发生电化学腐蚀而溶解掉了，可见杂散电流引起的腐蚀是相当严重的。

3)细菌作用。土壤中有细菌存在，这时在有水(H2O)和氧(O2)的条件下，再加上其它腐蚀杂质的存在，则会使管线受到化学腐蚀。在同一介质中有细菌比无细菌腐蚀速度要快100多倍。

上述表明，土壤对油气长输管线的腐蚀以电化学腐蚀为主。杂散电流给管线带来的腐蚀是局部腐蚀，但长输管线的局部在短时间内因腐蚀穿孔所造成的泄露事故，也是很严重的。还应该指出的是由于长输管线距离长，沿线的土壤种类、性质和环境条件均不尽相同，造成的腐蚀程度和腐蚀速度也不同，因而这种沿长输管线长度方向的腐蚀不均匀性，还会加剧土壤对金属管线的电化学腐蚀。

3、土壤介质腐蚀的评价

土壤是由固相、液相和气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、比较准确地反映出土壤的腐蚀性，但需埋片等待较长时间才能得到结果，实际应用中不方便。

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入手，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]，对土壤各个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。

4、土壤电化学腐蚀的特点

4．1　电解质的特点

1)土壤作为电解质，具有物理性态(如湿度、孔隙度、含水量等)的多变性。

2)腐蚀电池的随机性。这是由于作为电解质的土壤的性质的多样性和多相性所带来的。在长输管线中，可能是在很小范围(沿管线长度)内，形成微弱的原生电池(腐蚀电池)；也可能是在较长的范围内，形成宏大的腐蚀电池，这就是腐蚀电池的随机性的特点。

3)电化学反应速度的多变性。这是由于参与电化学反映的物质(电解质离子)在土壤中的移动速度，受到性质多变的土壤的阻力而变化所造成的。因为这个移动速度直接影响反映速度。

4．2　电极反应的特点

1)电化学腐蚀的阴极反应特点。强酸性土壤中常发生氢去极化反应，即

H⁺+e^-®H 　　　　　　　　　  　 (1—1)

H+H®H²­    　　　　　　　　　(1—2)

弱酸性土壤和中性、碱性土壤中常发生氧去极化反映，土壤中氧，水与电子结合生成氢氧根离子，其反应式可表示为：

O2+2H2O+4e^-®4OH^-              (1—3)

2)电化学腐蚀的阳极反应特点。金属成为金属离子并且释放出电子：

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

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             (1—5)

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。

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，造成串连过程不断进行，金属腐蚀不断发生。

5、土壤腐蚀的影响因素

山东省天然气管道公司担负着从山东省内天然气管道输送工作。我们在管道从济南一淄博管段上通过不同点段进行实验：

1)通过表现分析，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)在勘测范围内测量从山东济南到淄博的天然气管道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)直接测量管道上的与管道材质相同的钢质试片或已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。由此可得到电位分布图，并据此判断杂散电流危害程度。

实验得出：济南一淄博段管线所经区域为鲁中南山地丘陵区，气候温和、四季分明，年平均气温14℃，年平均降水量650—700毫米。土壤为普通褐土，间有淋溶褐土与石灰性褐土，成土母质为富钙的石灰岩、砂页岩风化堆积的厚层残破积物、坡洪积物、洪积物以及黄土或黄土状物质。碳酸盐淋溶沉积明显，粘化作用比较显著，地下水位较低，土壤电阻率较高，土壤对管道的腐蚀性中等。

通过在济南一淄博管段上的实验我们也证实了土壤对油气长输管线的腐蚀因素。它们有：

A．土壤电阻率

土壤电阻率是表征土壤导电性能的指标。以土壤电阻率来划分土壤的腐蚀性是常用方法，即电阻率小，腐蚀性强，土壤电阻率小于5欧姆 米时为特强。对于大多数情况都是适用的，但有些场合违反这一规律，呈现土壤电阻率大腐蚀性也大。

B．土壤的透气性

土壤质地及土壤松紧度和透气性直接相关，影响金属腐蚀有两个途径：土壤电阻率；氧的扩散和渗透。一般透气性差的粘土比透气性好的沙土腐蚀性强。

C．土壤的氧化还原电位

土壤的氧化还原电位和土壤电阻率一样是判断土壤腐蚀性的指标，一般认为在-200mV(SHE)以下的厌氧条件下腐蚀激烈，易受到硫酸盐还原菌的作用，故在低的土壤氧化还原条件下，要注意厌氧微生物导致金属的土壤微生物腐蚀。另外，了解土壤中细菌腐蚀指标，电位小于l00mV为严重细菌腐蚀。

D．土壤含水、含盐量

土壤的腐蚀性随着湿度的增加而增加，直到达到某一临界湿度，即含水量25～40％(发生连续水层)，腐蚀速率开始降低。土壤腐蚀随含盐量增加(在有水分存在下)而增加，因土壤导电性加大。盐分的组成不同，腐蚀率差异很大，其中海滨盐土最强，内陆荒漠次之，苏打盐土最弱。

E．PH值

PH值代表了土壤的酸碱度，对于缺乏碱金属、碱土金属而大量吸附H+的PH值小于5的酸性土壤，通常被认为是腐蚀性土壤。

F．土壤温度

土壤温度对土壤电阻率影响是比较明显的，温度每相差1℃，土壤电阻率约变化2％^[2]。其次，金属在土壤中的腐蚀，在某些情况下是扩散过程控制的。而扩散速度与温度的关系是十分密切的。温度还影响到气体在土壤中液相中的溶解度，这涉及到氧的状况而对阴、阳极产生作用。温度还影响金属的电极电位，每相差10℃，电极电位可改变几十毫伏。

G．管道自然电位

当管道自然电位负于0.55V(相对饱和硫酸铜电极)为处于强腐蚀环境。

H．杂散电流干扰指标

地电位梯度越大，干扰越严重，5mV／m为干扰严重指标。

6、结束语

综上所述，通过实验和研究等发现：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个过程液受阻，腐蚀电池就会停止和减慢。防护措施就从抑制其一入手。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。覆盖层是治标，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结合是标本兼治的防护方法，经济而有效。

本文作者：宋春慧　王力勇

作者单位：中石化天然气分公司