土壤对埋地管道腐蚀性的调查与分析_工程实践

摘要

摘要：针对某气田的长输管道，选择具有代表性的管段，通过定点取样和原位测量的方法对土壤理化性能进行分析。按照调查方案，测定了土壤电阻率、杂散电流、含水量、氯离子含量、硫酸

摘要：针对某气田的长输管道，选择具有代表性的管段，通过定点取样和原位测量的方法对土壤理化性能进行分析。按照调查方案，测定了土壤电阻率、杂散电流、含水量、氯离子含量、硫酸盐含量、碳酸钙含量、pH值、氧化还原电位。用多项指标评价方法所得结果与用土壤电阻率单项指标评价的结果基本一致。该气田管道土壤环境大部分为沙地，与盐碱地相比，沙地环境下的电阻率偏高，含水量偏低，土壤腐蚀性较轻。

关键词：土壤腐蚀性；长输管道；沙地；土壤电阻率；多项指标评价法

Investigation and Analysis on Soil Corrosivity for Buried Pipes

ZHANG Xiu-lian，LI Ji，YU Dong-liang

Abstract：The representative sections of long-distance pipelines of a gas field are selected，and the physicochemical performance of the soil around these pipelines is analyzed by fixed point sampling and on-site measurement. According to the investigation scheme，the soil resistivity，stray current，water content，chlorine ion content，sulfate content，calcium carbonate content，pH value and oxidation reduction potential are measured. The results obtained from multi-index evaluation consistent with those from single index evaluation of soil resistivity on the whole. The soil around pipelines of the gas field is mostly sand in which the electrical resistivity is higher，the water content is lower and the soil corrosivity is milder than those in saline-alkaline soil.

Key words：soil corrosivity；long-distance pipeline；sand；soil resistivity；multi-index evaluation

1 概述

随着国民经济的迅速发展，能源的需求急剧上升。我国石油、天然气的输送目前多以钢质管道输送为主。这些管道绝大多数埋在地下，其腐蚀问题十分突出，一旦损坏将导致输送物质大量流失，甚至引起火灾、爆炸和环境污染等事故。管道接触的环境是引起腐蚀的主要因素。因此，对环境的腐蚀性进行分级是腐蚀控制的基本要求，对土壤腐蚀性的研究是防止土壤对管道的腐蚀的基础。

中国石油化工股份有限公司华北某气田位于鄂尔多斯盆地北部伊陕斜坡区、毛乌素沙地的边缘，地貌多为半固定沙丘。该公司大部分长输管道敷设于2003年，自投产以来尚未进行系统的腐蚀调查，此次调查的对象为具有代表性的3条长输管道，编号为DH线、DG线、TY线。本文对比沙地和盐碱地的土壤腐蚀性参数，研究沙地环境对管道的腐蚀。

2 土壤腐蚀性调查方案

土壤环境腐蚀检测一般采用理化性能分析法^[1]，通过现场勘测并对所取土样进行实验室内性能分析，得到土壤各单项指标的测试结果，对土壤各单项指标分别进行评价，以此评价沿线土壤腐蚀性等级。定点取样时以各种土壤的自然条件来分类布点，并且考虑土壤腐蚀强度现状，对腐蚀严重的区域，适当增加测试布点密度^[2]。根据这个原则，本研究在DH线、DG线、TY线分别选取了5、2、5个测试点进行土壤腐蚀性测试。

3 测试内容

3.1 测试仪器及试剂

测试仪器如下：DER2571-B型数字土壤电阻测量仪、万用电表、便携式Cu-CuSO₄参比电极、722型分光光度计、表面皿、分析天平、PHB-5型pH计、MODER 6010型铂电极。

测试试剂如下：无水乙醇、硝酸、硝酸银、氯化钠、盐酸、氯化钡溶液、氢氧化铵溶液、氯化铵。以上试剂均为分析纯。

3.2 现场勘测

现场勘测的内容有土质、土壤状态、有无地下水、土壤电阻率、杂散电流。土壤腐蚀性参数测定值见表1。

① 土壤电阻率的测定

土壤电阻率是土壤含水量、含盐量、pH值、质地、松紧度等性质的综合反映。测定时使用土壤电阻测量仪进行四位电极电位测量，被测区的土壤电阻率由以下公式计算得出：

ρ=2παR (1)

式中ρ——被测区的土壤电阻率，Ω·m

α——电极间距，m

R——测量仪器所测取的土壤电阻，Ω

② 杂散电流的测定

杂散电流是指规定或设计回路以外的电流，直流杂散电流对管道的腐蚀主要集中于管道表面涂层的破损点，影响区域管道的腐蚀速度往往比其他区域管道的平均腐蚀速度大许多倍而引起管道的腐蚀穿孔，通过杂散电流的测定来了解土壤对钢管腐蚀的影响程度。在现场勘察中，采用电位梯度法评定土壤中有无杂散直流电流存在。在地表成十字交叉相间5～10m插上Cu-CuS₄参比电极，测量每对电极间的电位差，如果各对电极间的电位差等于或接近于零，表明土壤中无杂散电流；如果可以观测到电位差，表明管道处于杂散电流干扰区内。

表1 土壤腐蚀性参数测定值

编号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
测试点	DH1	DH2	DH3	DH4	DH5	DG1	DG2	TY1	TY2	TY3	TY4	TY5
腐蚀环境	盐碱地	沙地	沙地	盐碱地	沙地	沙地	盐碱地	盐碱地	盐碱地	沙地	沙地	沙地
土壤电阻彰(Ω·m)	32.6	151.7	387.4	45.9	685.8	185.9	49.5	18.7	46.4	69.1	634.3	129.4
电位梯度/(mV·m^-1)	4.00	1.20	4.72	0.97	4.00	2.67	1.25	5.60	3.25	2.18	6.50	1.90
含水质量分数/%	23.2	15.9	2.6	27.3	3.2	16.2	24.8	19.9	22.4	12.5	4.4	7.4
Cl^-质量分数/10^-6	65.9	25.2	72.9	97.4	60.6	59.1	95.9	41.4	69.4	57.6	53.2	38.5
硫酸盐质量分数/10^-6	140	510	600	630	590	330	460	510	370	310	630	520
碳酸钙质量分数/%	3.74	5.76	7.99	4.94	8.70	8.10	4.52	5.50	6.98	5.54	7.57	3.66
pH值	9.19	9.56	9.36	8.70	8.65	8.29	8.15	8.70	8.90	8.82	9.29	8.26
氧化还原电位/mV	101	90	107	108	126	178	160	159	156	159	147	134
土质	沙土	沙土	沙土	沙土	沙土+水	沙土	沙土	沙土	沙土	沙土	沙土	沙土
土壤状态	自然土壤	自然土壤	自然土壤	自然土壤	自然土壤	自然土壤	自然土壤	自然土壤	自然土壤	自然土壤	自然土壤	自然土壤
有无地下水	无	地下水位以下	无	无	地下水位以下	无	地下水位交替	地下水位以下	地下水位以下	地下水位以下	无	无

3.3 实验室内土壤性能分析

土壤样品的采集力求反映土壤的真实情况，所有土样均采自距地表面1～2m深的土层中。为防止挤压土样和水分蒸发，现场采集的土样装入样品袋中密闭保存。将土样带回实验室，清除土样中的杂物，用玻璃棒压碎过筛后装入样品袋中备用。在实验室内对所采土样进行理化指标的测试，分析的主要内容有：含水质量分数、Cl^-质量分数、硫酸盐质量分数、碳酸钙质量分数、pH值、氧化还原电位。

① 土样含水质量分数的测定

含水质量分数的变化会引起土壤通气状况的变动，如果土壤完全被水饱和，因氧的扩散受到抑制而致使腐蚀性减弱。测量土壤含水量可采用烘干法。土样取回后立即称得土样的湿质量，然后在105℃下烘干24h，待冷却后称得土样的干质量，由此计算得到每个土样的含水质量分数：

式中w——土样的含水质量分数

m₁——土样的湿质量，g

m₂——土样的干质量，g

② Cl^-质量分数的测定

Cl^-含量是土壤电化学腐蚀反应的一个指标。土壤中Cl^-的存在，会对管道产生腐蚀。在水中的常见阴离子中，Cl^-具有最小的体积，因而更容易穿透金属表面的氧化物膜，与金属直接接触而加速电化学腐蚀反应，使金属失去电子成为离子，加速金属管体腐蚀^[3]。实验室使用分光光度法^[4]进行Cl^-含量的测定。制备水土质量比为5:1的土壤浸出液，水浸24h后离心振荡静止，取上层清液，在明胶-乙醇水溶液中测定其吸光度。

③ 硫酸盐质量分数的测定

本文采用EDTA络合滴定法来测定硫酸盐的质量分数。制备水土质量比为5:1的土壤浸出液，水浸24h后离心振荡静止，取上层清液，用盐酸调节浸出液至微酸性，用过量的氯化钡溶液将S0₄^2-全部生成硫酸钡沉淀，在NH₄OH-NH₄Cl缓冲溶液(pH值=10)中以酸性铬蓝K为指示剂，用EDTA滴定过量的钡以及浸出液中原来所含的钙和镁。根据加入的氯化钡溶液及所消耗的EDTA量(用滴定空白的方法求得)、浸出液中原有的钙和镁消耗的EDTA量计算出硫酸盐质量分数。

④ 碳酸钙质量分数的测定

碳酸钙含量的测定采用中和滴定法。制备水土质量比为5:1的土壤浸出液，水浸24h后离心振荡静止，取上层清液，以过量的盐酸与土壤的碳酸钙作用，剩余的酸用标准碱回滴，以酚酞做指示剂。

⑤ pH值测定

pH值是土壤酸碱性强弱的表征，是土壤很多化学性质特别是盐基状况的综合反映。随着土壤酸度或碱度的增高，土壤腐蚀性增大，从而对管道危害增强。本文将酸度计经过标准溶液定值后插入土壤浸出液中则可直接读取pH值。一般土壤浸出液愈稀，测得的pH值愈高，当水土质量比从1:1稀释到5:1时，pH值平均增高0.73^[5]，碱性土的稀释效应更为明显。测定pH值时宜采取小的水土质量比。本文采用1:1的水土质量比进行测定。

⑥ 土壤氧化还原电位的测定

氧化还原电位对金属阴极去极化过程有较大影响。实验室通常将铂电极与参比电极直接插入介质中来测定。铂电极本身难以腐蚀、溶解，可以作为一种电子传导体。当铂电极与介质(土壤)接触时，土壤中的可溶性氧化剂或还原剂将从铂电极上接受电子或给予电子，直至在铂电极上建立起一个平衡电位，即该体系的氧化还原电位。

4 实验结果与讨论

4.1 实验结果

通过现场勘测和实验室分析得到的土壤性能参数测定值见表1。由表1可以看出，所选测试点处的土壤主要是沙土，其含水质量分数偏低，电阻率较高。各测试点的pH值均大于8，属强碱性土壤。氧化还原电位是土壤氧化还原程度的综合反映，也是判断土壤细菌腐蚀的一个指标，可用来表征土壤微生物腐蚀程度。测得的氧化还原电位值均较低，电位梯度较大，根据标准SY 0007—1999《钢质管道及储罐腐蚀控制工程设计规范》^[6]，可判断其硫酸盐还原菌的腐蚀较强，杂散电流干扰等级为中。

对表1所列的10项指标，根据文献[7]给出评价指数，累计这些评价指数之和可以得出土壤腐蚀性的评价等级(见表2)。需要说明的是，该气田土壤环境大部分为沙地，因此在本实验中没有测定总酸度、硫化氢及S^2-含量。由表2可知，处于盐碱地环境下的测试点，其土壤腐蚀等级为中，沙地环境下土壤腐蚀等级为弱。用多项指标评价方法得出所选测试点的土壤腐蚀等级为“中等偏弱”。

表2 土壤腐蚀指数和腐蚀性分级

编号	土质指数	土壤状态指数	有无地下水指数	土壤电阻率指数	含水质量分数指数	Cl^-质量分数指数	疏酸盐质量分数指数	pH值指数	氧化还原电位指数	碳酸钙质量分数指数	评价指数总和	土壤腐蚀等级
1	0	0	0	-2	-1	0	0	0	-2	+1	-4	弱
2	0	0	-1	0	0	0	-2	0	-2	+2	-3	弱
3	0	0	0	0	0	0	-2	0	-2	+2	-2	弱
4	0	0	0	-2	-l	0	-2	0	-2	+1	-6	中
5	0	0	-1	0	0	0	-2	0	-2	+2	-3	弱
6	0	0	0	0	0	0	-1	0	-2	+2	-1	弱
7	0	0	-2	-2	-1	0	-1	0	-2	+1	-7	由
8	0	0	-1	-3	0	0	-2	0	-2	+2	-6	中
9	0	0	-1	-2	-1	0	-1	0	-2	+2	-5	中
10	0	0	-1	-1	0	0	-1	0	-2	+2	-3	弱
11	0	0	0	0	0	0	-2	0	-2	+2	-2	弱
12	0	0	0	0	0	0	-2	0	-2	+1	-3	弱

对于一般土壤的腐蚀性，可按照其土壤电阻率大小分级，其评价标准见表3。按电阻率评价的土壤腐蚀性见表4。由表4可知，只有编号8的测试点腐蚀等级为强；所选测试点总体腐蚀等级为“中等偏弱”。该结果与土壤特性指标综合评价方法所得结果基本一致。

表3 一般地区土壤腐蚀性分级标准

土壤腐蚀性	强	由	弱
土壤电阻率/(Ω·m)	＜20	20～50	＞50

表4 根据电阻率划分的土壤腐蚀性等级

测试点编号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
土壤腐蚀等级	中	弱	弱	中	弱	弱	中	强	中	弱	弱	弱

4.2 讨论

所选测试点的土壤环境可分为盐碱地和沙地两种，编号I、4、7、8、9这5个测试点处的管道位于盐碱地环境，其他测试点为沙地环境。

电阻率的大小不仅取决于土壤本身的固有特性，还受到土壤含水量、土壤密实度、有机质含量、土壤温度以及土壤pH值等因素的影响，其中含水质量分数对电阻率的影响极大^[8～10]。由实验结果可知，当含水质量分数较低时，2%的含水质量分数就能引起电阻率的急剧变化；当含水质量分数在12%～16%时，随着水分的增加，电阻率的变化速率渐趋平缓；含水质量分数在22%～27%时，电阻率随含水质量分数的变化更趋微小。由表1可以看出，沙地相比盐碱地土壤的电阻率偏高，均高于50Ω·m。而土壤电阻率越大，土壤腐蚀性越小，即盐碱地环境下土壤对管道的腐蚀性较强。

由于毛乌素沙地上的封杀土的沙粒含量高，粉粒和粘粒含量偏低，土粒结合松散，因此土壤的渗透性好，毛细管力弱，持水能力低。由表2可知，盐碱地的含水质量分数均位于20%～30%，而沙地土壤的含水质量分数一般不超过16.23%，其土壤透气性好，故腐蚀性相对较弱。

对比其他腐蚀性指标，如杂散电流、Cl^-质量分数、硫酸盐质量分数、碳酸钙质量分数、pH值、氧化还原电位，沙地和盐碱地环境下没有明显区别。所选管道所处土壤环境均属碱性土壤，存在杂散电流干扰。

5 结论

① 管道腐蚀受土壤环境影响很大，盐碱地含水质量分数较高，土壤电阻率偏低，该土壤环境对管道的腐蚀明显增强。需要加强腐蚀控制与防腐检测，发现有防腐层破损点应及时修复和加强阴极保护。

② 采用多项指标评价方法，与采用土壤电阻率作为单项指标评价方法所得结果基本一致。从表征土壤微生物腐蚀的氧化还原电位指标来看，其土壤微生物腐蚀性较强。此外，杂散电流对土壤腐蚀性的影响中等偏大。

③ 土壤环境大部分为沙地，与盐碱地环境相比，其土壤电阻率高，导电性弱，管道的土壤环境为碱性土，存在杂散电流干扰。其腐蚀等级综合评价为“中等偏弱”。

参考文献：

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(本文作者：张秀莲¹ 李季¹ 余冬良² 1.中国地质大学材料科学与化学工程学院湖北武汉 430074；2.武汉安耐捷科技工程有限公司湖北武汉 430074)