張小紅

【摘 要】本文介紹了地下管道電化學(xué)腐蝕機(jī)理，敘述了地下管道電化學(xué)腐蝕檢測(cè)方法，分析了地下管道腐蝕防護(hù)措施及其原理。

【關(guān)鍵詞】地下管道；電化學(xué)腐蝕；檢測(cè)技術(shù)；防護(hù)技術(shù)

0 引言

隨著能源市場(chǎng)需求不斷增加，地下管道輸運(yùn)事業(yè)得到迅猛發(fā)展。地下管道鋪設(shè)線路復(fù)雜，穿越不同類型土壤和江河，形成了許多地區(qū)性、全國(guó)性甚至洲際性大型管網(wǎng)。地下管線所用金屬材料與復(fù)雜的外界環(huán)境介質(zhì)接觸發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用，導(dǎo)致嚴(yán)重的金屬腐蝕，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成巨大的損失。在更為嚴(yán)重的情況下，管道腐蝕穿孔，油氣發(fā)生泄露而引起發(fā)火災(zāi)，會(huì)對(duì)人民生命安全產(chǎn)生巨大隱患。因此，地下管道腐蝕的檢測(cè)與防護(hù)是長(zhǎng)期安全生產(chǎn)的必要措施。

1 地下管道腐蝕原理

地下管道腐蝕類型按腐蝕原理來(lái)分主要有化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕和生物化學(xué)腐蝕。電化學(xué)腐蝕是其中最為常見的一種。地下管線鋼發(fā)生電化學(xué)腐蝕主要原因是土壤中存在氯鹽腐蝕介質(zhì)。金屬在氯離子催化作用下發(fā)生氯鹽腐蝕。電化學(xué)腐蝕發(fā)生時(shí)，腐蝕原電池的陽(yáng)極過(guò)程為金屬的溶解，F(xiàn)e局部失去電子形成Fe2+。陰極過(guò)程為土壤中的水與氧得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)形成OH-。Cl-與陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)生的鐵離子Fe2+，形成易溶的FeCl2·4H2O，俗稱“綠銹”。綠銹從陽(yáng)極區(qū)向含氧量較高的土壤孔隙液遷移，分解成為Fe（OH）2，俗稱“褐銹”。褐銹沉積于陽(yáng)極區(qū)周圍，同時(shí)放H+和Cl-，它們回到陽(yáng)極區(qū)使孔隙液局部酸化，同時(shí)Cl-再帶出更多Fe2+。氯離子在這個(gè)過(guò)程中并不消耗，作為中間產(chǎn)物，起催化作用[1]。因此，當(dāng)金屬表面絕對(duì)干燥時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。然而絕對(duì)干燥的地下環(huán)境幾乎是不存在的。地下污水等大量腐蝕性介質(zhì)與管道壁接觸，將導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕發(fā)生。由于土壤通常具有不均質(zhì)性，因此常見的是局部腐蝕稱為點(diǎn)蝕或坑腐蝕，并在點(diǎn)蝕坑內(nèi)形成鹽酸，加劇蝕坑的發(fā)展而發(fā)生穿孔，造成特大危害[2]。

2 地下管道腐蝕檢測(cè)技術(shù)

為了最大限度地發(fā)現(xiàn)或避免大型石油天然氣輸運(yùn)工程中地下管線鋼腐蝕的發(fā)生和發(fā)展，需要采用靈敏度高、定量準(zhǔn)確而且能無(wú)損、經(jīng)濟(jì)的檢測(cè)儀器快速、便捷地檢測(cè)地下管線鋼筋腐蝕的發(fā)生、發(fā)展速度以及破壞程度，從而達(dá)到安全預(yù)警目的[3]。幾種目前常見的電化學(xué)檢測(cè)方法如下。

半電池電位法：管線鋼腐蝕時(shí)在鋼表面會(huì)形成陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)，在這些具有不同電位的區(qū)域之間，土壤的內(nèi)部將產(chǎn)生電流。鋼表面層上某一點(diǎn)的電位可以通過(guò)和參比電極的電位作比較來(lái)確定。管線鋼腐蝕電位和腐蝕狀態(tài)之間存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)測(cè)試電位即可獲得管道的腐蝕情況。半電池電位法簡(jiǎn)單、易行、經(jīng)濟(jì)，可以在不擾亂正常工作的情況下進(jìn)行檢測(cè)并且能得到很快的響應(yīng)。但是這種方法只能定性的評(píng)價(jià)管線鋼腐蝕，不能精確定量的測(cè)試鋼腐蝕量的大小。除此之外，電位法僅適應(yīng)于電解質(zhì)體系，而且要求溶液中的腐蝕性物質(zhì)有良好的分散能力，以全面表征整個(gè)體系的腐蝕狀態(tài)[4]。

線性極化法：又名直流極化電阻法，源于1954年Stern和Geary發(fā)表的一篇論文所提出的快速腐蝕檢測(cè)法。其著名的Stern公式為：Icorr=B/Rp。其中Icorr為腐蝕電流，Rp是腐蝕體系的極化電阻。通過(guò)給正在發(fā)生腐蝕的電極施加一個(gè)小電流，測(cè)量體系的陽(yáng)極與陰極之間的極化電阻，再使用Stern公式計(jì)算腐蝕電流數(shù)據(jù)。由于腐蝕電流與腐蝕速度成正比，所以線性極化法可以直接定量表征地下管道腐蝕程度。該方法優(yōu)點(diǎn)是靈敏度很高，能夠精確檢測(cè)到較低的瞬時(shí)腐蝕速率。其缺點(diǎn)與半電池電位法相似，只能適應(yīng)于電解質(zhì)中發(fā)生電化學(xué)腐蝕的場(chǎng)合，測(cè)試范圍較小[5]。

交流阻抗譜：將地下管線鋼腐蝕體系簡(jiǎn)單地表示為由電阻、電容等元件組成的等效電路，在保證不影響電極體系性質(zhì)的情況下，對(duì)該電路施加一個(gè)小幅正弦交流電壓（電流）信號(hào)，由電流（電壓）響應(yīng)來(lái)計(jì)算電極反應(yīng)參數(shù)，進(jìn)而得到管線鋼/土壤界面的雙電層電容、土壤電阻等各電路元件值以及管線鋼腐蝕速度、土壤腐蝕機(jī)理等信息。采用交流訊號(hào)的電化學(xué)技術(shù)最早應(yīng)用于基礎(chǔ)電化學(xué)，Dawson[6]于1978年首次運(yùn)用交流阻抗譜方法研究混凝土中鋼筋中的腐蝕行為。交流阻抗法是一種暫態(tài)頻譜分析技術(shù)，施加的電信號(hào)對(duì)腐蝕體系的影響較小，通過(guò)解析管線鋼阻抗譜和土壤阻抗譜可以評(píng)價(jià)管線鋼腐蝕變化和土壤溶液體系變化，對(duì)于由Cl-引起的地下管線鋼的局部腐蝕具有很高的靈敏度。

電化學(xué)噪聲法：正在發(fā)生腐蝕的電極表面會(huì)出現(xiàn)的電位或電流隨機(jī)自發(fā)波動(dòng)的現(xiàn)象。土壤溶液中Cl-吸附在管線鋼表面活性點(diǎn)上，這些活性點(diǎn)包括金屬的夾雜物（MnS，F(xiàn)eS等）、第二相沉淀、空穴、氧化物膜中的缺陷及空位等。伴隨腐蝕電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，亞穩(wěn)態(tài)蝕點(diǎn)形核。形核的亞穩(wěn)態(tài)蝕點(diǎn)由于重新鈍化的作用而失去活性或者發(fā)展成為穩(wěn)定的蝕點(diǎn)，這一過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生電流及電壓的瞬態(tài)峰，即電化學(xué)噪聲。電化學(xué)噪聲測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)單，一般由三電極組成，其中兩個(gè)工作電極的尺寸、材質(zhì)和表面狀態(tài)完全相同，通過(guò)捕捉噪聲信息，測(cè)出腐蝕位置（區(qū)域）噪聲電位、噪聲電流，并運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)計(jì)算方法得到噪聲電阻。電化學(xué)噪聲技術(shù)可以有效地檢測(cè)均勻腐蝕、孔蝕、裂蝕、應(yīng)力腐蝕開裂等管道腐蝕[7]，判斷出管道腐蝕的類型，評(píng)價(jià)腐蝕發(fā)生及發(fā)展程度。

3 地下管道腐蝕防護(hù)技術(shù)

涂層法：地下管道防腐必備和基本的防護(hù)措施。常用的防腐層材料有單層熔結(jié)環(huán)氧粉末（聚乙烯、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂）、三層聚乙烯（環(huán)氧粉末、聚合物膠粘劑，聚乙烯層），以及石油瀝青材料等[8]。

緩蝕劑法：將能夠降低甚或抑制金屬腐蝕的緩蝕劑添加到腐蝕介質(zhì)體系中，能顯著提高腐蝕防護(hù)性能，且簡(jiǎn)單便捷經(jīng)濟(jì)性好。現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域。

陰極保護(hù)法：實(shí)際上是抓住化管線鋼腐蝕過(guò)程中陽(yáng)極反應(yīng)必須同時(shí)放出自由電子的電化學(xué)本質(zhì)。施加保護(hù)電流，從源頭上遏制了管線鋼陽(yáng)極反應(yīng)放出自由電子，使其電位等于或低于平衡電位，就可使鋼筋不能再進(jìn)行腐蝕反應(yīng)。陰極保護(hù)法從電源類型分，主要有兩種：犧牲陽(yáng)極法和外加電流陰極保護(hù)法。犧牲陽(yáng)極法采用電化學(xué)上比鋼更活潑的，電位更負(fù)的金屬（鋁合金、鋅合金、鎂合金）作為陽(yáng)極，與被保護(hù)鋼筋相連，腐蝕本身來(lái)提供自由電子，對(duì)鋼筋實(shí)施陰極保護(hù)。外加電流陰極保護(hù)以直流電源接通難溶性陽(yáng)極，發(fā)射保護(hù)電流，負(fù)極與被保護(hù)鋼筋相連，陽(yáng)極與鋼筋處于連續(xù)電解質(zhì)中，使得鋼筋全部表面都充分均勻接受電子，實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)。國(guó)內(nèi)已有相應(yīng)的規(guī)范和較成熟的工藝[9]。

4 結(jié)論

地下管道腐蝕檢測(cè)與防護(hù)技術(shù)是地下輸運(yùn)設(shè)備工程安全的保障。盡管地下管道腐蝕檢測(cè)與防護(hù)與技術(shù)已有許多成功的工程應(yīng)用實(shí)例，但是至今仍存在各種問(wèn)題。各種腐蝕檢測(cè)和防護(hù)技術(shù)都有適應(yīng)的一面，也有一定局限性。因此，期待通過(guò)不斷改進(jìn)和革新檢測(cè)與防護(hù)技術(shù)，提高管線工程服役壽命的安全性。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]