地下管道电化学腐蚀检测与防护技术研究评述

张小红

【摘 要】本文介绍了地下管道电化学腐蚀机理，叙述了地下管道电化学腐蚀检测方法，分析了地下管道腐蚀防护措施及其原理。

【关键词】地下管道；电化学腐蚀；检测技术；防护技术

0 引言

随着能源市场需求不断增加，地下管道输运事业得到迅猛发展。地下管道铺设线路复杂，穿越不同类型土壤和江河，形成了许多地区性、全国性甚至洲际性大型管网。地下管线所用金属材料与复杂的外界环境介质接触发生化学或电化学作用，导致严重的金属腐蚀，给国民经济造成巨大的损失。在更为严重的情况下，管道腐蚀穿孔，油气发生泄露而引起发火灾，会对人民生命安全产生巨大隐患。因此，地下管道腐蚀的检测与防护是长期安全生产的必要措施。

1 地下管道腐蚀原理

地下管道腐蚀类型按腐蚀原理来分主要有化学腐蚀、电化学腐蚀和生物化学腐蚀。电化学腐蚀是其中最为常见的一种。地下管线钢发生电化学腐蚀主要原因是土壤中存在氯盐腐蚀介质。金属在氯离子催化作用下发生氯盐腐蚀。电化学腐蚀发生时，腐蚀原电池的阳极过程为金属的溶解，Fe局部失去电子形成Fe2+。阴极过程为土壤中的水与氧得到电子，发生还原反应形成OH-。Cl-与阳极反应产生的铁离子Fe2+，形成易溶的FeCl2·4H2O，俗称“绿锈”。绿锈从阳极区向含氧量较高的土壤孔隙液迁移，分解成为Fe（OH）2，俗称“褐锈”。褐锈沉积于阳极区周围，同时放H+和Cl-，它们回到阳极区使孔隙液局部酸化，同时Cl-再带出更多Fe2+。氯离子在这个过程中并不消耗，作为中间产物，起催化作用[1]。因此，当金属表面绝对干燥时，不会产生电化学腐蚀。然而绝对干燥的地下环境几乎是不存在的。地下污水等大量腐蚀性介质与管道壁接触，将导致电化学腐蚀发生。由于土壤通常具有不均质性，因此常见的是局部腐蚀称为点蚀或坑腐蚀，并在点蚀坑内形成盐酸，加剧蚀坑的发展而发生穿孔，造成特大危害[2]。

2 地下管道腐蚀检测技术

为了最大限度地发现或避免大型石油天然气输运工程中地下管线钢腐蚀的发生和发展，需要采用灵敏度高、定量准确而且能无损、经济的检测仪器快速、便捷地检测地下管线钢筋腐蚀的发生、发展速度以及破坏程度，从而达到安全预警目的[3]。几种目前常见的电化学检测方法如下。

半电池电位法：管线钢腐蚀时在钢表面会形成阳极区和阴极区，在这些具有不同电位的区域之间，土壤的内部将产生电流。钢表面层上某一点的电位可以通过和参比电极的电位作比较来确定。管线钢腐蚀电位和腐蚀状态之间存在着对应关系，通过测试电位即可获得管道的腐蚀情况。半电池电位法简单、易行、经济，可以在不扰乱正常工作的情况下进行检测并且能得到很快的响应。但是这种方法只能定性的评价管线钢腐蚀，不能精确定量的测试钢腐蚀量的大小。除此之外，电位法仅适应于电解质体系，而且要求溶液中的腐蚀性物质有良好的分散能力，以全面表征整个体系的腐蚀状态[4]。

线性极化法：又名直流极化电阻法，源于1954年Stern和Geary发表的一篇论文所提出的快速腐蚀检测法。其著名的Stern公式为：Icorr=B/Rp。其中Icorr为腐蚀电流，Rp是腐蚀体系的极化电阻。通过给正在发生腐蚀的电极施加一个小电流，测量体系的阳极与阴极之间的极化电阻，再使用Stern公式计算腐蚀电流数据。由于腐蚀电流与腐蚀速度成正比，所以线性极化法可以直接定量表征地下管道腐蚀程度。该方法优点是灵敏度很高，能够精确检测到较低的瞬时腐蚀速率。其缺点与半电池电位法相似，只能适应于电解质中发生电化学腐蚀的场合，测试范围较小[5]。

交流阻抗谱：将地下管线钢腐蚀体系简单地表示为由电阻、电容等元件组成的等效电路，在保证不影响电极体系性质的情况下，对该电路施加一个小幅正弦交流电压（电流）信号，由电流（电压）响应来计算电极反应参数，进而得到管线钢/土壤界面的双电层电容、土壤电阻等各电路元件值以及管线钢腐蚀速度、土壤腐蚀机理等信息。采用交流讯号的电化学技术最早应用于基础电化学，Dawson[6]于1978年首次运用交流阻抗谱方法研究混凝土中钢筋中的腐蚀行为。交流阻抗法是一种暂态频谱分析技术，施加的电信号对腐蚀体系的影响较小，通过解析管线钢阻抗谱和土壤阻抗谱可以评价管线钢腐蚀变化和土壤溶液体系变化，对于由Cl-引起的地下管线钢的局部腐蚀具有很高的灵敏度。

电化学噪声法：正在发生腐蚀的电极表面会出现的电位或电流随机自发波动的现象。土壤溶液中Cl-吸附在管线钢表面活性点上，这些活性点包括金属的夹杂物（MnS，FeS等）、第二相沉淀、空穴、氧化物膜中的缺陷及空位等。伴随腐蚀电化学反应过程，亚稳态蚀点形核。形核的亚稳态蚀点由于重新钝化的作用而失去活性或者发展成为稳定的蚀点，这一过程中将会产生电流及电压的瞬态峰，即电化学噪声。电化学噪声测试设备简单，一般由三电极组成，其中两个工作电极的尺寸、材质和表面状态完全相同，通过捕捉噪声信息，测出腐蚀位置（区域）噪声电位、噪声电流，并运用统计学计算方法得到噪声电阻。电化学噪声技术可以有效地检测均匀腐蚀、孔蚀、裂蚀、应力腐蚀开裂等管道腐蚀[7]，判断出管道腐蚀的类型，评价腐蚀发生及发展程度。

3 地下管道腐蚀防护技术

涂层法：地下管道防腐必备和基本的防护措施。常用的防腐层材料有单层熔结环氧粉末（聚乙烯、环氧树脂、酚醛树脂）、三层聚乙烯（环氧粉末、聚合物胶粘剂，聚乙烯层），以及石油沥青材料等[8]。

缓蚀剂法：将能够降低甚或抑制金属腐蚀的缓蚀剂添加到腐蚀介质体系中，能显著提高腐蚀防护性能，且简单便捷经济性好。现已广泛应用于石油化工领域。

阴极保护法：实际上是抓住化管线钢腐蚀过程中阳极反应必须同时放出自由电子的电化学本质。施加保护电流，从源头上遏制了管线钢阳极反应放出自由电子，使其电位等于或低于平衡电位，就可使钢筋不能再进行腐蚀反应。阴极保护法从电源类型分，主要有两种：牺牲阳极法和外加电流阴极保护法。牺牲阳极法采用电化学上比钢更活泼的，电位更负的金属（铝合金、锌合金、镁合金）作为阳极，与被保护钢筋相连，腐蚀本身来提供自由电子，对钢筋实施阴极保护。外加电流阴极保护以直流电源接通难溶性阳极，发射保护电流，负极与被保护钢筋相连，阳极与钢筋处于连续电解质中，使得钢筋全部表面都充分均匀接受电子，实现阴极保护。国内已有相应的规范和较成熟的工艺[9]。

4 结论

地下管道腐蚀检测与防护技术是地下输运设备工程安全的保障。尽管地下管道腐蚀检测与防护与技术已有许多成功的工程应用实例，但是至今仍存在各种问题。各种腐蚀检测和防护技术都有适应的一面，也有一定局限性。因此，期待通过不断改进和革新检测与防护技术，提高管线工程服役寿命的安全性。

【参考文献】

[1]洪定海.混凝土中钢筋的腐蚀与保护[M].北京：中国铁道出版社，1998：27.

[2]石仁委，龙媛媛.油气管道防腐蚀工程[M].北京：中国石化出版社，2008.

[3]王冲，张舒展，谢鹏.油气管道腐蚀监测技术[J].全面腐蚀控制，2013，27（9）：37-40.

[4]杨筱蓄.油气管道安全工程[M].北京：中国石化出版社，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]耿国庆，施锦杰，孙伟.混凝土模拟液中钢筋腐蚀电化学测试结果比较[J].东南大学学报：自然科学版，2011，41（2）：382-386.

[8]胡士信，董旭.我国管道防腐层技术现状[J].油气储运，2004，23（7）：4-8.

[9]杨娜，吴明，齐浩，等.污水管道腐蚀机理及防护措施[J].当代化工，2013，42（4）：496-498，509.

[责任编辑：杨玉洁]