城市基础设施腐蚀与防腐浅析

(湖北工业大学工程技术学院，湖北 武汉 430000)

城市基础设施腐蚀与防腐浅析

张 婷

(湖北工业大学工程技术学院，湖北 武汉 430000)

国家“十一五”规划纲要提出发展城市群，因而兴起了大量城市基础设施的建设，然而这些设施在城市环境中却面临着多种腐蚀问题。本文综述了城市的主要腐蚀类型及城市基础设施所存在的腐蚀现象，介绍了目前最为有效地防腐方法，阴极保护技术，并列举了阴极保护技术在城市燃气管道、港口码头及油罐防腐中的应用实例。

城市基础设施 腐蚀 阴极保护 实例

0 前言

城市的发展在一定时期内，都是以单中心结构形式存在的，但随着人口增加、交通拥堵及城市间能源分配不合理，使得城市群成为必然产物[1,2]。城市群是以一到两个特大城市为经济核心，联合发展周围城镇，最终成为具有完整城市功能的集合体[3～5]。城市规模的扩张，使得作为城市六大核心系统的基础设施部分，运输、能源和通讯将得到前所未有的发展[6]。为联系核心城市与地方城镇，实现核心城市带动地方经济建设以及共享城市间资源，大量的公路、城市轨道(轻轨、地铁)、高架桥及港口码头等运输设施已逐渐构建起来；燃气管道、电话电缆、电力电缆在地下形成了复杂的地下城市管网，管线覆盖面积远大于单个城市区域；城市群工业区内的油罐、储罐也在日益增多。如此以来，加强桥梁、港口码头和城市轨道的维护及安全检修，确保燃气管道、地下管网及工业区油罐的正常运营，将成为保障6.07亿城镇人口生命财产安全的关键所在[6]。

1 城市基础设施的腐蚀问题

在城市基础设施建设中，金属钢材因良好的物理性能、机械性能、工艺性能及较高的性价比，而具有其他材料不可比拟的优势，被大量、广泛的应用到城市各处。然而金属材料的易腐蚀性却给城市安全埋下了隐患[7～9]。

1.1 城市燃气管道腐蚀问题

作为城市“生命线”的城市燃气管道，因外壁腐蚀已进入事故多发期。郑州市1995～1998年期间，城市燃气管网发生严重腐蚀穿孔高达97处，每年投入200万资金作为管道维护费用[10]。广州市地下钢质燃气管道在1991～2005年期间，因管道外壁腐蚀所发生的事故占15年总事故数的52.81%[11]。张家口市区DN400管线、DN200低压管线、DN300中压管道分别在2003年、2006年和2007年发生严重腐蚀穿孔[12]。由于城市燃气管道通常埋在道路及行人走道下，管道腐蚀穿孔诱发的火灾、爆炸等事故，将造成城市设施的破坏和人员伤亡。

1.2 港口码头腐蚀问题

沿海、沿河城市的港口码头，一般承载了城市运输货物的重要职责。钢筋混凝土作为支撑港口码头的主要结构正被大量应用。钢筋混凝土因在碱性环境中表面会形成钝化膜，曾被认为腐蚀速率极低，其腐蚀程度可被忽略[13]。然而据统计，仅美国和英国混凝土中的钢筋腐蚀失效所造成的经济损失就高达近2000亿美元， Mehta教授在第二届国际混凝土耐久会议上提出，当今世界混凝土被破坏的首要原因为钢筋腐蚀，而钢筋腐蚀的诱因主要为氯离子的渗入及混凝土孔溶液PH值的下降[14,15]。港口码头中的其他钢质结构在海洋环境中的平均腐蚀速度达0.1～0.4mm/a，点蚀达0.5mm/a，有的局部腐蚀可达1mm/a[16,18]。武汉武钢工业港的8、9号钢管桩码头因多年使用已出现严重腐蚀，蚀坑明显可见[19]。

1.3 储油罐的腐蚀问题

随着国内城市的工业发展，石油化工行业兴起的速度惊人，据资料表明，在2003年我国石化系统各类储油罐有10000多座[20]。这些储油罐多数用来存储原油、轻质油、粗制汽油等原料，但由于油中混有少量水、酸物质、硫化物及细菌等，会使得罐体接缝处及缺陷处更加容易发生腐蚀。据统计，金属储罐一般运行10～20年就会发生严重的腐蚀穿孔[21]，有的油罐才投入使用几年就报废了，难以达到预计的30年寿命。中国石油化工集团武汉石油化工厂原油罐区的103号原油罐是1983年修建，至1998年15年期间，原油罐底板发生腐蚀穿孔共计21次[22]。油罐区存放均为易燃易爆物质，稍有泄漏后果不堪设想，据新闻报道，大连石化2010年103号油罐就发生两次火灾，2011年11月大连新港的15万吨原油罐发生大火，2013年6月2日大连石化再次出现储罐爆炸事故。油罐安全隐患大，它引发的火灾将导致严重的人员死伤。

2 城市中较为常见的腐蚀类型

城市基础设施腐蚀问题突出，2010年我国GDP约39.8万亿，因腐蚀造成的直接经济损失超过12000亿元[23]。根据城市不同环境对基础设施的腐蚀，一般可以分为大气腐蚀、土壤腐蚀及海洋腐蚀。

2.1 大气腐蚀

高架桥、城市轨道、海洋港口及油罐的外部腐蚀问题，多由大气腐蚀造成。大气中一般含有O2、CO2、SO2、水、氨化物、盐粒及其他空中颗粒，SO2的存在能促进酸的再生，盐粒能增加钢结构表面的吸湿性和导电性，烟粒可以吸附炭粒增加水汽凝聚，这些成分的存在使得大气具有了一定的腐蚀性[24]。近几年因城市工业发展，大气中含有的SO2约为农村的2.5～4倍，硫化氢约为农村的10～200倍，烟粒含量约为农村的4～6倍[25]。在这样的大气条件下，当空气湿度达到50%～70%之间，铁、铜、锌等金属的腐蚀量将急剧增加[24]，使得城市钢架结构表面腐蚀生锈、壁厚减薄。

2.2 土壤和海洋腐蚀

城市中的埋地钢质管道、电话电缆、电力电缆、埋入地下的钢筋混凝土结构等，由于长期与土壤接触，腐蚀问题也日益突出。土壤一般含有水、无机酸、有机酸和矿物盐，且土壤具有复杂多相结构，这使得土壤具有较强的腐蚀性，在土壤充气不足时容易引起埋地钢结构的氧浓差电池腐蚀[24,25]。由于土壤具有良好的导电性，一些直流电源漏出的杂散电流会借助土壤的导电性在地下形成通路，这些杂散电流的存在，通常是引起埋地电缆和混凝土钢筋腐蚀的重要因素。加上土壤中微生物如硫酸盐还原菌等的生物催化作用，使得埋入地下的城市设施只要稍有金属基体暴露，腐蚀就会顺利且快速进行,即使有防腐层的包覆，但微生物的存在会加快防腐层的降解[26]。有研究结果表明，大气温度、气候的变化和土壤含水量会影响土壤的腐蚀性能[27,28]。

海水一般具有3%左右的含盐量，是最佳的天然电解质。海水中还含有一定溶氧和大量海洋附着生物，使得腐蚀环境尤为恶劣，加上潮汐、海浪、风暴潮对港口码头和船舶的冲刷，使得钢结构容易出现电偶腐蚀、缝隙腐蚀以及磨损腐蚀。

3 阴极保护技术的应用

早些年在国内外，城市基础设施的防腐工作较为简单，桥梁、港口码头及油罐多停留在防腐涂料的涂刷，埋地管道采用环氧煤沥青防腐层包覆，有的设施甚至没有采取任何防腐措施就投入使用，结果使得事故多发。为降低事故率，人们开始寻求一种更为有效地防腐方法，涂层联合阴极保护技术法[29～31]。阴极保护是一种电化学保护技术，它通过对被保护的金属设施施加足够的阴极保护电流，从而使金属设施的腐蚀速率大幅度减小，甚至是完全的停止[32]。

3.1 阴极保护技术分类

阴极保护方法又可以被分为牺牲阳极法和外加强制电流法[33,34]。牺牲阳极法的优点为安装简单、保护电流稳定、一次投入可保护金属设施多年且后期无需人员维护[35]。但是当土壤、水质的电阻率较高或设施所需保护电流较大时，牺牲阳极的方法就会受到限制，此时选择外加强制电流法会比较适合。外加强制电流法输出的电流较大而且可以调节、控制，不受介质电阻率影响，但是与牺牲阳极的方法不同，它一次投入大，调试和后期维护复杂，需要配备专业维护人员和定期对基础设施进行检查。在选择阴极保护方法对设施进行防腐时，可以根据被保护设施的电流需求量、安装阳极介质的电阻率以及是否方便后期维护进行选择。

3.2 阴极保护技术在燃气管道上的应用

北京拥有城市燃气管道超过5000km，1996年部分管道发生腐蚀穿孔，当地政府立即对机场路、清河等地区约260km的中压管道施加了阴极保护技术，改造了之前的防腐方案，并要求1998～2003年新建的600km天然气管道全部采取涂层联合阴极保护的技术，到目前为止新建和维修的管道没有再发生腐蚀穿孔[36]。存在同样问题的郑州市，通过采取外加电源深井阳极阴极保护技术改造了当地的燃气管道防腐方案，阻止了燃气管道的腐蚀穿孔[10]。阴极保护技术在燃气管道的应用较为广泛，但也有一定难度，如何选择适合的阴极保护方法，变得十分重要。克拉玛依城区的燃气管道建于2000年，并实施牺牲阳极法保护管道，但在投入使用4年后发现管道的保护电流极低，牺牲阳极几乎失去保护管道的能力[37]。经分析，克拉玛依燃气管道防腐层破损严重，牺牲阳极电流不足保护，建议添加外加电流保护方法保护管道。

3.3 阴极保护在港口码头及油罐上的应用

我国港口码头的防腐在20世纪70年代时，多采用涂层联合外加强制电流的阴极保护技术[35]，但随着牺牲阳极研发的成熟，80年代后期，港口码头的防腐更倾向于选用牺牲阳极的阴极保护方法。北仑港矿石码头3、4泊位1981年选用了外加电流法保护码头，通过检测数据得知，1988年码头保护有效，2001年钢管桩壁减薄，2006年该保护失效。分析该保护失效原因，发现城市中时有的断电现象是主要因素，为克服此因素，最后决定选用铝合金牺牲阳极对该码头防腐方案进行改造[38]。巴基斯坦卡西姆港EPTL化学码头也采用铝合金牺牲阳极，保护电位达到-1.028V，保护效果明显[39]。獭山港码头从1999年建成开始使用Al-Zn-In-Mg-Ti合金作为牺牲阳极，至2009年对该码头进行检测，发现平均保护电位仍有-993mV，水下钢管桩未见腐蚀[40]。近年来牺牲阳极法使用广泛，但在选用码头防腐方法时仍应多考虑防腐方案的实用性，码头中的钢筋可以考虑区域阴极保护，淡水中的码头防护就适合选用外加电流法，例如武钢工业港8、9码头的防腐就采用此法[13,19]。

阴极保护方法也广泛的应用到了油罐的防腐技术中，根据土壤电阻率及周围环境的不同，可以有针对性地选择牺牲阳极的材料及形状，如：深井阳极、混合金属氧化物网状阳极、铝合金阳极、镁带阳极等，使选择的牺牲阳极系统作为保护油罐区的防腐手段及旧油罐区的改造方法[41～43]。

4 小结

我国城市在早期建设的燃气管道、港口码头及油罐等基础设施中，少有施加阴极保护技术，这使得设施的涂层一旦破损，就无法阻止设施腐蚀的发生。目前，采用阴极保护技术联合涂层对城市基础设施实施防腐，是较为有效的方法，能减少城市的腐蚀问题，减轻城市基础设施维护、维修的费用，为社会经济及人民安全作以保障。在阴极保护取得有效的成果后，它成为了城市燃气管道、储罐和油库、电话电缆、电力电缆、海洋建筑、舰船、油井套管、混凝土钢筋、水罐和锅炉等设施构建，设计时，不可分割的一部分。阴极保护技术虽然较为成熟，但是如何面临不同的城市环境选择最为有效、最为经济和有针对性地阴极保护方法还是目前一大难点。如若阴极保护方法选择不合适，会加大城市基础设施后期的维护和整改的费用及工程量，给城市生活带来不便。

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Corrosion and Protection of City Infrastructure Projects

ZHANG Ting
(Hubei University of Technology Engineering And Technology College, Wuhan 430000, China)

The outline of National“Eleventh Five-year Plan”puts forward the planning which demands development urban agglomeration. In this case, A large number of city infrastructure projects were building up. However these facilities were faced with a lot of corrosion problems in the urban environment. This paper reviews the main types of corrosion that in the urban environment and corrosion of city infrastructure projects. Effective anticorrosion method were introduced in the report as well. In the end, some application examples of cathodic protection technology were enumerated, such as in the gas of pipeline, port and pier, and oil tank’s corrosion protection.

city infrastructure projects; corrosion; cathodic protection; application examples

TG174.46

A

张婷 (1987－) ，女，湖北武汉人，硕士，教师，主要从事物理化学教学工作以及腐蚀电化学方面的研究。