靖边地区土壤腐蚀性能分析

第二章 靖边地区土壤腐蚀性能分析 2.1 腐蚀的定义。 腐蚀的概念:金属与环境间产生的物理-化学相互作用,其结果使金属的性能发生变化,并可导致金属、环境或由它们作为组成部分的技术体系的功能受到损伤(ISO 定义)。 腐蚀的本质:金属发生氧化-还原反应。油气管道,
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  第二章 靖边地区土壤腐蚀性能分析

  2.1 腐蚀的定义。

  腐蚀的概念:金属与环境间产生的物理-化学相互作用,其结果使金属的性能发生变化,并可导致金属、环境或由它们作为组成部分的技术体系的功能受到损伤(ISO 定义)。

  腐蚀的本质:金属发生氧化-还原反应。油气管道,特别是长输管道所选用的管材常为碳钢或者合金钢材质,金属腐蚀是管道保护过程中要解决的重要问题。按照腐蚀机理分类腐蚀可分为:化学腐蚀、电化学腐蚀、物理腐蚀。按照腐蚀破坏的程度可分为:全面腐蚀、局部腐蚀。按照腐蚀环境可分为:大气腐蚀、土壤腐蚀、海水腐蚀以及化学介质中的腐蚀。金属电化学腐蚀从热力学来研究,金属从矿物质中提炼出来,需要提供大量的能量,使其处于一个高能级状态。这些矿石都是典型的金属氧化物,例如用来炼钢的赤铁矿(Fe2O3)[3].根据热力学规律,材料的存在状态一般总是趋向于以最低能量的形式存在。因此,在大多数情况下,金属总是处于热力学不稳定状态,趋向于低能量状态的形式存在,例如金属更容易形成氧化物或其他化合物,金属被转化为低能量的氧化物这一过程就是腐蚀。金属在电解质中的电极电位的高低受多方面的因素影响,主要有金属自身材质、电解液的种类、浓度、温度和 PH 值等。简单的讲,腐蚀就是采取消除或减小阴阳两极间的电位差的方式,从而阻止腐蚀电流的产生。产生金属腐蚀的机理一般可分为两大类:电化学腐蚀和化学腐蚀。长输管线腐蚀破坏的引起原因主要是电化学腐蚀,而埋地钢质输油管道发生电化学腐蚀是普遍存在的。在化学腐蚀过程中,电子直接通过金属和介质之间进行传递的,不会产生腐蚀微电流。化学腐蚀不能采用电化学方法进行防护,因为化学腐蚀与电位及电位变化没有关系,通常在 PH 值呈现酸性的土壤中,金属物质容易产生化学腐蚀。因为金属是良好的电子导体,如果以离子导体作为介质,金属的被氧化即腐蚀过程和介质中被还原的物质获得电子的过程可以同时而等价地在金属表面的不同部位进行。阳极反应过程就是金属被氧化后,成为正价离子进入介质或以难溶化合物的形式留在金属表面上;阴极过程就是金属中失去的电子通过作为电子优良导体的金属本身流向金属表面的另一部位,在那里由介质中易被还原的物质接受。

  电极反应的阴极过程和阳极过程是同时存在的。通过这种方式进行的腐蚀过程被称为电化学腐蚀,这种腐蚀过程可以采用电化学方法进行防护。介质若为离子导体,则金属腐蚀的过程主要以电化学腐蚀形式为主,即在具有离子导体性质的介质中进行的腐蚀过程大都为电化学过程。土壤是毛细管多孔性的胶质体系,土壤的空隙被空气和水汽所充满,土壤中所含的盐类溶解在水中,使土壤具有离子导电性,成为电解质。因此,埋地钢质输油管道普遍存在电化学腐蚀。对此采用电化学方法进行保护具有十分可靠的技术基础和显着的经济效益[4].

  2.2 埋地管道腐蚀原理。

  埋地管道按腐蚀机理可分为两大类:化学腐蚀和电化学腐蚀。酸溶液对钢制管道的氧化反应被称为化学腐蚀。电化学反应是指存在于电解质溶液中的氧化还原反应被称为电化学腐蚀。

  对于靖边地区来说,首先,土壤中的水充当了电解溶液,构成了类似原电池的结构。

  其次,在电解质溶液中的其他离子的作用下,管道充当了阳极,其表面的铁原子失去电子成为铁离子进入电解质溶液中,然后电子游动到阴极表面,被溶液中的氧化性物质所消耗。靖边地区的土壤经考察,土壤的 PH 值呈现碱性,因此,主要的腐蚀为电化学腐蚀过程,化学腐蚀相对是比较少的。土壤腐蚀的阴极过程反应主要是氧的还原,腐蚀原电池的阴极区生成 OH-, OH-向阳极区迁移;阳极过程为铁原子失去电子变成二价铁离子的氧化反应,Fe2+进入土壤之后,便会与土壤中的水发生水合作用。Fe2+和 OH-间还会发生次生反应生成 Fe(OH)2, Fe(OH)2溶解度小且比较致密,对腐蚀的发展起很大的阻碍作用。由于 Fe(OH)2不稳定,随着时间的延长,在阳极区 Fe(OH)2还将进一步氧化,其氧化产物为溶解度更小的 Fe(OH)3,随着腐蚀的发展,这些不溶性的腐蚀产物和细小土粒结合,然后不断沉积附着在金属表面,进一步转化成为更为稳定的产物:

  FeOOH、Fe3O4,这两种腐蚀产物的结构较为疏松,表面有裂纹。因此,它们对金属表面并没有保护作用。在埋地管道的施工过程中,管道外防腐层将会很容易产生划痕、刮痕,有些部位的防腐层破损甚至会露出管道金属表面。因为土壤中一直都含有较多的水分,会在埋地管道外壁形成一薄层水膜。当管道的裸露部分金属和水溶液接触便会形成许多微小的阳极和阴极,因此构成了无数个腐蚀微电池,在腐蚀过程中次生的腐蚀产物氢氧化亚铁与水和氧反应生成氢氧化铁,又进一步被氧化生成稳定的 Fe3O4[5].即发生以下反应:阳极反应:Fe→Fe2++2e;Fe2++2OH-→Fe(OH)2;4Fe(OH)2+O2+ H2O→4Fe(OH)3;Fe(OH)3→FeOOH+ H2O;8FeOOH+ Fe2++2e→3F3O4+4H2O阴极反应:O2+2H2O+4e→4OH-

  2.3 埋地管道腐蚀的主要影响因素。

  (1)土壤腐蚀。在管道的施工过程中,由于环氧粉末漏防腐、管道下沟过程中造成外防腐层破裂等原因造成埋地管道与土壤直接进行了接触,由于土壤是具有固体、液体、气体等物质的多孔性胶质体。其空隙大部分被空气和水所填满,因为水中含有一定量的盐分,可以使土壤具有离子导电性,因此,土壤与金属管道的电化学不均匀性导致了管道产生土壤腐蚀。

  (2)微生物腐蚀。管道埋深一般在 1.7 米以下比较潮湿的环境中,即使在靖边的干燥环境中,土壤的含水率通常也在 10%-30%,如此潮湿、缺氧的环境中很容易滋生硫酸盐还原菌,这种细菌在参与电极反应的过程中,可以将硫酸盐转化为硫化氢和铁,使金属管道裸漏部分的氢膜被消耗掉,从而使铁发生溶解,产生微生物腐蚀。

  (3)杂散电流腐蚀。由于长输管线的沿途会有许多高压线和埋地电缆,这些电会产生二次感应交流电,从而使金属管道裸漏点也会产生电化学腐蚀,虽然这种腐蚀对管道整体的腐蚀比较小,但相对比较集中,因此在施工中,必须对高压线附近的阴保系统加强处理。

  (4)输送介质腐蚀。管道正常运行时,在输送原油的过程中将会产生压力及压力波动,此时,过高的压力及压力波动会使管道壁产生应力,最终管道应力便会很容易使管道的腐蚀裂纹扩张。

  2.4 土壤对管道腐蚀的影响因素。

  作为腐蚀环境,土壤和水、气两个环境不同,土壤是由固相、气相和液相三相构成的不均匀的多相体系,其影响因素多,相互作用关系复杂。固相部分是由不同粒径的颗粒组成,土壤空隙为气体和水所充满。土壤中的金属管道腐蚀主要为电化学腐蚀,土壤中含有水分是引起金属腐蚀的基本原因,腐蚀原电池是最基本的形式,因此能够促进构成腐蚀电池的、影响腐蚀电池的土壤理化性能都能左右土壤腐蚀强度[6]-[9].在本文中主要对土壤性能中的土壤电阻率、土壤的 pH 值、土壤含水率进行分析,利用土壤电阻率、土壤 pH 值、含水率的检测数据来综合判断靖边地区土壤的腐蚀强度。

  2.4.1 土壤电阻率。

  土壤电阻率在《埋地钢质管道腐蚀防护工程检验》GB/T19285-2003 中定义: 单位长度上管道周围土壤的电阻,是表示土壤导电性能的指标。土壤作为宏腐蚀电池的"溶液介质",其导电性能对埋地管道的腐蚀进程影响巨大。在其它条件相同的情况下,管道周围土壤介质的电阻率越低则管体遭受腐蚀的程度越高,因此土壤电阻率检测是管道防腐设计和检测的主要工作项目。

  土壤电阻率测试采用等距四极法。测量时将接地电阻测量仪的 4 根电极以间距 d 等距离排成一条直线,垂直打入地表层,见图 3.1.摇动直流发电机,通过两个电流极 A、B 在土壤中形成电流场,测试回路的电流密度和两个电位极 C、D 之间的电位差,根据欧姆定律可计算两支电位极之间的土壤电阻。检测仪器为 ZC-8 接地电阻测量仪,相邻电极间距 d 取管道中心线设计埋深。虽然测试是在地表进行,但当电流极的入土深度小于 d/20 时,可以看成为球形电极。如果土壤性质均匀,两个电位极 C、D 之间的土壤电阻率即等于从地表至埋深处的平均土壤电阻率。根据施隆贝格公式 ρ=2πdR 计算出两个电位极 C、D 之间的土壤电阻率[10].其中 ρ 为土壤电阻率(单位为 Ω。m)),d 为相邻电极间距(单位为 m),R 为土壤电阻(ZC-8 测量仪读数,单位为 Ω)。

  土壤电阻率愈小,说明其导电性愈好,则土壤腐蚀性愈强。

  2.4.2 土壤 PH 值。

  土壤的 pH 值通常在 3.5 一 10 之间,由土壤颗粒组成的固体骨架中充满了空气、水和不同的盐类等物质。土壤中含有水分和电离的盐类存在,使土壤具有电解质溶液的特征,所以埋地钢质管道在土壤中将发生电化学腐蚀,那么通过对土壤的 pH 值检测,就可以判定土壤的酸碱性,从而确定管道受周围土壤环境腐蚀的程度。由于钢质管道在酸性土壤环境中比其在碱性土壤中更易发生腐蚀。随着 pH 值的变化,铁的腐蚀在 pH 值小于 4 时显着增大,但在高 pH 值下会发生钝化。

  KING 提出了一种列线图,它结合了土壤电阻率和 pH 值对铁腐蚀的影响[11],由图中反应出土壤在相同的电阻率时,PH 值越大,腐蚀速度呈抛物线式衰减。说明当 PH 值为碱性时,对管道的腐蚀速率相对比较缓慢,并且 PH 值再往高时,对腐蚀速率影响甚微。

  2.4.3 土壤含水率。

  土壤中液相部分分为地表水和地下水两部分。从地表至地下水之间是地表水的移动范围,常伴有气体。地下水有滞留水和移动水两种。前者存在于不透水的粘土层下面,后者在深部砾层的空隙中移动。在土壤的液相和气相中,通常随湿度增加,O2和 CO2也增加,导致对金属电极电位和阴极极化产生作用。土壤的腐蚀性随着湿度的增加而增加,直达到某一临界湿度后,再随着提高湿度的增加哦,土壤的腐蚀性反而会降低。

  测量土壤的含水率可采用烘干法烘干 4 小时,测量出烘干前与烘干后的土壤质量之差,再计算出以烘干土为基数的含水分百分数,即为土壤的含水率。

  2.5 靖边地区土壤性能分析。

  2.5.1 靖边地区的气候条件。

  气候类型为干旱大陆性季风气候,四季变化大,冬季主要受西伯利亚冷气团控制,严寒而少雨雪,干旱多风。沙尘暴灾害频繁发生,每次沙尘暴来临,风势迅猛,并夹杂沙土,遮天蔽日,能见度很低,多发生于冬春两季。气温特点是冬季冷而长,夏季热而短,秋季降温快。年平均降水量 395.4 毫米,年平均气温摄氏 7.8 度,无霜期 120 天左右,昼夜温差大。 靖边县资源富集,有储藏丰富的石油、天然气、煤炭等矿产资源,境内地表水、地下水都很丰富,可满足工农业生产需要。

  2.5.2 靖边地区的地理位置及地质条件。

  靖边县位于榆林市西南部,无定河上游,长城横贯东西,北部与内蒙古自治区乌审旗、鄂托克前旗接壤。县城在张家畔,距榆林城 184 公里。辖 8 个镇、18 个乡和 1 个国营农场(新桥)、208 个行政村、1676 个自然村,城区辖 8 个居民委员会,人口 27.3857万人,其中非农业人口 4 万人。总土地面积 5088 平方公里,农耕地 92.8 万亩。地势南高北低。北部属风沙滩地,中部以黄土梁峁为主,南部白于山区两侧为丘陵沟壑区。

  地貌为沙漠与黄土高原北部过渡地带,两种地貌犬牙交错,具有地形变化大、地貌形态多变的特点,主要为粉、细砂和粉土、粉质粘土两种地层。靖边县境内的红柳河、芦河,土质较疏松。主要为风沙草滩区和冲积平原、丘陵区,风沙草滩区部分普遍分布潜水。

  2.5.3 靖边地区土壤电阻率测量。

  利用等距四极法对定-靖输油管道复线工程靖边地段输油管道附近的土壤进行测量得出如下数据。

  从数据结合地形地貌得出以下结论,靖边西原则、柳一村地段(Y6-16 到 Y6-45)的上层和下层土壤均为沙土地,地下水位少,土壤较为干燥,因此此段测试出的电阻率普遍偏高;靖边庙畔、宋渠、毛窑、黄家峁、四十里铺、大沟村地段(Y7-2 到 Y7-44)的上层为沙土地、下层土壤为黏土伴有少量沙土,中间经过红柳河,因红柳河水位浅,且常年干燥,土壤因此也较为干燥,此段测试出的电阻率也较高;靖边枣刺梁、余沟村、寨山村、新村(Y8-1 到 Y8-19)为林区植被,上层为沙土地、下层为黏土、由于全年降水量较少,此地段的电阻率同样也较高;芦河(Y8-20)附近由于接近河流,土壤较为湿润,因此测出的电阻率较低,芦河山区由于山体较高,远离地下水,电阻率同样大于100Ω。m.

  2.5.4 靖边地区土壤 PH 值测量。

  利用 PHB-3 便携式 PH 计对定-靖输油管道复线工程靖边地段输油管道附近的土壤进行测量,测量步骤为:

  测定步骤:

  a.称土:称取过 20 目筛的烘干干土壤 10 克(做完土壤含水率后的土壤),置于 100ml烧杯中。

  b.浸提:用容量瓶量取 50ml 蒸馏水,加入烧杯中。(土:水=1:5)。

  c.搅拌:用玻璃棒搅拌约 1 分钟,静置半小时左右,澄清。

  d.用 PHB-3 便携式 PH 计测定:打开 PHB-3 便携式 PH 计,待读数稳定后进行测量。测量前,分别用 pH 值 6.86和 4.01 的标准缓冲溶液校正。将电极的球插到悬液面下,轻轻摇动烧杯,以除去电极球表面的水膜,使电极点位达到平衡。待 pH 读数稳定后,记录 pH 值。测定 5 个样品后,用 pH 标准溶液校正一次。

  对定边-靖边输油管道复线工程靖边段所取的土壤样本进行测量后得出以下数据:由测量数据可以看出靖边地段的土壤偏碱性,根据土壤 PH 值与腐蚀程度关系表得出,靖边地段的土壤腐蚀性属于极低腐蚀性,并且主要以电化学腐蚀为主。

  2.5.5 靖边地区土壤含水率测量。

  利用烘干法对定-靖输油管道复线工程靖边地段输油管道附近的土壤进行测量,得出如下数据。

  由测量数据不难发现,靖边地段的土壤含水率相对比较低,除了芦河区域由于受到河水的影响造成此区域的含水率较高,其他地段的含水率普遍都在 11% 左右,这也基本符合靖边地区降雨量,常年干旱,由于是沙土地,水分很难在 1.5 米以上地表层滞留。

  根据土壤含水率与腐蚀程度关系表得出,靖边地段的土壤腐蚀性还是比较高的。

  2.6 小结。

  从 2014 年 4 月到 8 月份,我一直在陕北地区施工工地,克服了种种困难,从定边-靖边输油管道复线沿线附近进行取样、测量与分析,同时也遭受到当地村民的种种阻挠,本来打算测量土壤的 CL-和 SO42-离子含量对土壤腐蚀性能的影响,受限于取样样本数量有限,无法完成测量,后来通过查文献及查阅当地的土质勘察报告,靖边地区的 CL-和SO42-离子含量甚微,对土壤腐蚀性的影响比较小。因此本文仅对影响土壤腐蚀性比较大电阻率、PH 值、含水率进行了测量分析,根据查阅文献及综合分析,靖边地区的土壤腐蚀程度为低级,虽然土壤的含水率在 11%左右,属于高腐蚀性土壤,但由于土壤电阻率比较大,土壤主要为沙土地,管沟回填时对管道外防腐层造成的破坏比较小,这样以来大大延缓了发生电化学腐蚀的速率。

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