地下管道電化學腐蝕檢測與防護技術研究評述

張小紅

【摘 要】本文介紹了地下管道電化學腐蝕機理，敘述了地下管道電化學腐蝕檢測方法，分析了地下管道腐蝕防護措施及其原理。

【關鍵詞】地下管道；電化學腐蝕；檢測技術；防護技術

0 引言

隨著能源市場需求不斷增加，地下管道輸運事業得到迅猛發展。地下管道鋪設線路復雜，穿越不同類型土壤和江河，形成了許多地區性、全國性甚至洲際性大型管網。地下管線所用金屬材料與復雜的外界環境介質接觸發生化學或電化學作用，導致嚴重的金屬腐蝕，給國民經濟造成巨大的損失。在更為嚴重的情況下，管道腐蝕穿孔，油氣發生泄露而引起發火災，會對人民生命安全產生巨大隱患。因此，地下管道腐蝕的檢測與防護是長期安全生產的必要措施。

1 地下管道腐蝕原理

地下管道腐蝕類型按腐蝕原理來分主要有化學腐蝕、電化學腐蝕和生物化學腐蝕。電化學腐蝕是其中最為常見的一種。地下管線鋼發生電化學腐蝕主要原因是土壤中存在氯鹽腐蝕介質。金屬在氯離子催化作用下發生氯鹽腐蝕。電化學腐蝕發生時，腐蝕原電池的陽極過程為金屬的溶解，Fe局部失去電子形成Fe2+。陰極過程為土壤中的水與氧得到電子，發生還原反應形成OH-。Cl-與陽極反應產生的鐵離子Fe2+，形成易溶的FeCl2·4H2O，俗稱“綠銹”。綠銹從陽極區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”。褐銹沉積于陽極區周圍，同時放H+和Cl-，它們回到陽極區使孔隙液局部酸化，同時Cl-再帶出更多Fe2+。氯離子在這個過程中并不消耗，作為中間產物，起催化作用[1]。因此，當金屬表面絕對干燥時，不會產生電化學腐蝕。然而絕對干燥的地下環境幾乎是不存在的。地下污水等大量腐蝕性介質與管道壁接觸，將導致電化學腐蝕發生。由于土壤通常具有不均質性，因此常見的是局部腐蝕稱為點蝕或坑腐蝕，并在點蝕坑內形成鹽酸，加劇蝕坑的發展而發生穿孔，造成特大危害[2]。

2 地下管道腐蝕檢測技術

為了最大限度地發現或避免大型石油天然氣輸運工程中地下管線鋼腐蝕的發生和發展，需要采用靈敏度高、定量準確而且能無損、經濟的檢測儀器快速、便捷地檢測地下管線鋼筋腐蝕的發生、發展速度以及破壞程度，從而達到安全預警目的[3]。幾種目前常見的電化學檢測方法如下。

半電池電位法：管線鋼腐蝕時在鋼表面會形成陽極區和陰極區，在這些具有不同電位的區域之間，土壤的內部將產生電流。鋼表面層上某一點的電位可以通過和參比電極的電位作比較來確定。管線鋼腐蝕電位和腐蝕狀態之間存在著對應關系，通過測試電位即可獲得管道的腐蝕情況。半電池電位法簡單、易行、經濟，可以在不擾亂正常工作的情況下進行檢測并且能得到很快的響應。但是這種方法只能定性的評價管線鋼腐蝕，不能精確定量的測試鋼腐蝕量的大小。除此之外，電位法僅適應于電解質體系，而且要求溶液中的腐蝕性物質有良好的分散能力，以全面表征整個體系的腐蝕狀態[4]。

線性極化法：又名直流極化電阻法，源于1954年Stern和Geary發表的一篇論文所提出的快速腐蝕檢測法。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。通過給正在發生腐蝕的電極施加一個小電流，測量體系的陽極與陰極之間的極化電阻，再使用Stern公式計算腐蝕電流數據。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。該方法優點是靈敏度很高，能夠精確檢測到較低的瞬時腐蝕速率。其缺點與半電池電位法相似，只能適應于電解質中發生電化學腐蝕的場合，測試范圍較小[5]。

交流阻抗譜：將地下管線鋼腐蝕體系簡單地表示為由電阻、電容等元件組成的等效電路，在保證不影響電極體系性質的情況下，對該電路施加一個小幅正弦交流電壓（電流）信號，由電流（電壓）響應來計算電極反應參數，進而得到管線鋼/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、土壤腐蝕機理等信息。采用交流訊號的電化學技術最早應用于基礎電化學，Dawson[6]于1978年首次運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頻譜分析技術，施加的電信號對腐蝕體系的影響較小，通過解析管線鋼阻抗譜和土壤阻抗譜可以評價管線鋼腐蝕變化和土壤溶液體系變化，對于由Cl-引起的地下管線鋼的局部腐蝕具有很高的靈敏度。

電化學噪聲法：正在發生腐蝕的電極表面會出現的電位或電流隨機自發波動的現象。土壤溶液中Cl-吸附在管線鋼表面活性點上，這些活性點包括金屬的夾雜物（MnS，FeS等）、第二相沉淀、空穴、氧化物膜中的缺陷及空位等。伴隨腐蝕電化學反應過程，亞穩態蝕點形核。形核的亞穩態蝕點由于重新鈍化的作用而失去活性或者發展成為穩定的蝕點，這一過程中將會產生電流及電壓的瞬態峰，即電化學噪聲。電化學噪聲測試設備簡單，一般由三電極組成，其中兩個工作電極的尺寸、材質和表面狀態完全相同，通過捕捉噪聲信息，測出腐蝕位置（區域）噪聲電位、噪聲電流，并運用統計學計算方法得到噪聲電阻。電化學噪聲技術可以有效地檢測均勻腐蝕、孔蝕、裂蝕、應力腐蝕開裂等管道腐蝕[7]，判斷出管道腐蝕的類型，評價腐蝕發生及發展程度。

3 地下管道腐蝕防護技術

涂層法：地下管道防腐必備和基本的防護措施。常用的防腐層材料有單層熔結環氧粉末（聚乙烯、環氧樹脂、酚醛樹脂）、三層聚乙烯（環氧粉末、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體系中，能顯著提高腐蝕防護性能，且簡單便捷經濟性好。現已廣泛應用于石油化工領域。

陰極保護法：實際上是抓住化管線鋼腐蝕過程中陽極反應必須同時放出自由電子的電化學本質。施加保護電流，從源頭上遏制了管線鋼陽極反應放出自由電子，使其電位等于或低于平衡電位，就可使鋼筋不能再進行腐蝕反應。陰極保護法從電源類型分，主要有兩種：犧牲陽極法和外加電流陰極保護法。犧牲陽極法采用電化學上比鋼更活潑的，電位更負的金屬（鋁合金、鋅合金、鎂合金）作為陽極，與被保護鋼筋相連，腐蝕本身來提供自由電子，對鋼筋實施陰極保護。外加電流陰極保護以直流電源接通難溶性陽極，發射保護電流，負極與被保護鋼筋相連，陽極與鋼筋處于連續電解質中，使得鋼筋全部表面都充分均勻接受電子，實現陰極保護。國內已有相應的規范和較成熟的工藝[9]。

4 結論

地下管道腐蝕檢測與防護技術是地下輸運設備工程安全的保障。盡管地下管道腐蝕檢測與防護與技術已有許多成功的工程應用實例，但是至今仍存在各種問題。各種腐蝕檢測和防護技術都有適應的一面，也有一定局限性。因此，期待通過不斷改進和革新檢測與防護技術，提高管線工程服役壽命的安全性。

【參考文獻】

[1]洪定海.混凝土中鋼筋的腐蝕與保護[M].北京：中國鐵道出版社，1998：27.

[2]石仁委，龍媛媛.油氣管道防腐蝕工程[M].北京：中國石化出版社，2008.

[3]王沖，張舒展，謝鵬.油氣管道腐蝕監測技術[J].全面腐蝕控制，2013，27（9）：37-40.

[4]楊筱蓄.油氣管道安全工程[M].北京：中國石化出版社，2005.

[5]Andrade C，Gonzalez J A.Quantitative measurements of corrosion rate of reinforcing steel embedded in concrete using polarization resistance measurements[J].Werkstoffe und Korrosion，1978，29：515-519.

[6]Dawson J L. Corrosion Science [M].Houston， TX： NACE，1978： 125.

[7]耿國慶，施錦杰，孫偉.混凝土模擬液中鋼筋腐蝕電化學測試結果比較[J].東南大學學報：自然科學版，2011，41（2）：382-386.

[8]胡士信，董旭.我國管道防腐層技術現狀[J].油氣儲運，2004，23（7）：4-8.

[9]楊娜，吳明，齊浩，等.污水管道腐蝕機理及防護措施[J].當代化工，2013，42（4）：496-498，509.

[責任編輯：楊玉潔]