一、土壤腐蚀的类型
1、异金属接触电池
地下金属构件采用电极电位不同的两种金属材料联结时,电位较负的金属腐蚀加剧,而电位较正的金属获得保护。
2、氧浓差电池
这种电池在油井和气井的套管以及压缩站的管道中可能发生。位于地下深层的套管处于较高的温度,成为阳极,而位于地表面附近即浅层的套管温度低,成为阴极。
3、新旧管线构成的腐蚀
当新旧管线连在一起时,由于旧管线表面有腐蚀产物层,使电极电位比新管线正,成为阴极,加速新管的腐蚀。
4、长距离腐蚀宏电池
这类电池发生在埋设于地下的长距离金属构件上。由于土壤的组成、结构不同所形成的腐蚀电池。长距离腐蚀宏观电池可产生相当可观的腐蚀电流,也称为长线电流。
5、杂散电流腐蚀
所谓杂散电流是指由原定的正常电路漏失的电流。其来源主要有电气化铁道、电焊机、电化学保护装置、电解槽等。杂散电流可导致地下金属设施发生严重的腐蚀破坏作用。其腐蚀量与杂散电流的强度成正比,服从法拉第电解规律。腐蚀事故表明,直流电和交流电均能产生杂散电流腐蚀,但后者仅为前者的1%。
6、微生物腐蚀
微生物对地下金属构件的腐蚀,是新陈代谢的间接作用,不直接参与腐蚀过程。
二、土壤腐蚀的影响因素
1土壤的导电性
对于宏观腐蚀电池起主导作用的土壤腐蚀,特别是阴极与阳极相距较远时,为电阻(欧姆)控制,导电性的好坏直接关系到腐蚀速度。土壤的导电性与土壤的含水量、孔隙度等因素有关。通常认为,导电性强,腐蚀速度,导电性差,腐蚀速度低。但土壤导电性对微电池腐蚀影响不大。
2、透气性(孔隙度)
较大的孔隙度有利于氧渗透和水分的保存,而氧和水分都是促进腐蚀发生的因素。在干燥的沙土中,由于气体容易渗透,所以含氧量多;在潮湿而紧密的土壤中,气体传输比较困难,含氧量很少。在不同的土壤中,含氧量相差可达几百倍。
3、含水量
土壤腐蚀的电解液是由水分和可溶性盐组成的,当含水量很低时,阳极极化和土壤比电阻加大,腐蚀速度很小。随着含水量的增加,土壤中盐分的溶解量增大,导电性增强,因此腐蚀速度加大。但含水量过多时,因土壤胶粘膨胀堵塞了土壤的孔隙,氧的扩散渗透受阻,腐蚀速度反而减小。
4、含盐量
土壤中的盐分除了对影响土壤腐蚀介质的导电性外,还参与电化学反应,从而对土壤腐蚀性产生影响。土壤中可溶性盐的含量一般在2%以内。土壤含盐量愈高,土壤导电性愈强,土壤腐蚀性愈强。但含盐量高,氧的溶解度下降,减弱了腐蚀的阴极过程。
土壤中的阴离子对金属的腐蚀影响很大,因为阴离子对土壤腐蚀电化学过程有直接的影响,Clˉ对金属材料的钝性破坏很大,促进土壤腐蚀的阳极过程,并能穿透金属钝化层,与钢铁反应生成可溶性腐蚀产物。所以,土壤中Clˉ含量愈高,土壤腐蚀性愈强。
5、土壤中的细菌
土壤中缺氧时,一般难以进行金属腐蚀,因为氧是阴极过程的去极化剂。但当土壤中有细菌,特别是有硫酸盐还原菌存在时,会促进腐蚀。其原因是在这些还原菌的生活过程中,能利用氢或者某些还原物质将硫酸盐还原成硫化物时所放出的能量而繁殖起来。
埋在土壤中的钢铁构件表面,在腐蚀过程中阴极区有氢原子产生,若它附在金属表面不以气泡形式逸出,将造成很大的阴极极化,而使腐蚀减缓或停止。如果有硫酸盐还原细菌活动,则消耗金属表面的氢,促使阴极反应的进行,在铁表面生成黑色的硫化亚铁,结果使金属腐蚀加速。这种细菌在中性土壤中最易繁殖,但在pH大于9的土壤中,就不容易繁殖了。 还有些细菌能有效放出H2S、CO2等侵蚀性气体,也加速金属的腐蚀过程。
三、土壤腐蚀的电化学过程
1、阳极过程
金属在潮湿土壤中的阳极过程与在腐蚀溶液中相类似,阳极过程无明显阻碍。而在干燥且透气性良好的土壤中,阳极过程接近于金属在大气腐蚀中的阳极行为,即阳极过程由于钝化或离子化困难而产生很大的极化,由于腐蚀二次反应,不溶性腐蚀产物与土黏结形成紧密层,起到屏蔽作用,导致阳极极化程度随时间不断增大。
2、阴极过程
阴极主要是氧的去极化过程,包括两个基本步骤,即氧向阴极的输送和氧离子化的阴极反应。
实践证明,金属构件在土壤中的腐蚀,阴极过程是主要的控制步骤,而这种过程受氧输送所控制。因为氧从地面向地下的金属构件表面扩散,是一个非常缓慢的过程,与传统的电解液中的腐蚀不同,在土壤条件下,氧的进入不仅受到紧靠着阴极表面的电解质(扩散层)的限制,而且还受到阴极上面整个土层的阻力等,输送氧的主要途径是氧在土壤气相中(空隙)的扩散。氧的扩散速度不仅决定于金属构件的埋没深度,还受土壤结构、湿度、松紧程度以及土壤中胶体粒子含量等因素的影响。
对于颗粒状的疏松的土壤来说,氧的输送还是比较快的。相反,在紧密的高度潮湿的土壤中,氧的输送效率是非常低的。尤其是在排水和通气不良,甚至在水饱和的土壤中,因土壤结构很细,氧的扩散速度很低。
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