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【材料】土壤腐蚀的惊人发现——金属材料首当其中

大明国际2019-07-20 10:47:37

我国材料土壤腐蚀试验站网建设自上世纪五十年代后期开始以来,经历了初期建设阶段(1959 年 -1964 年)、恢复与发展阶段(1979年-2000年)、国家平台建设阶段(2001年以后)三个阶段。


1、初期建设阶段


1958 年全国腐蚀试验网工作启动,由石油部与科学院应用化学研究所牵头,成立了土壤腐蚀试验网建网小组,在1959 年 -1961 年间在全国建立 19 个试验站,29 个埋藏点。第一批试验站建设重点放在西北、西南及重点工业城市,包括四川、甘肃、武汉、上海、北京、长春等地,投试材料包括裸露无缝钢管、石油沥青涂层无缝钢管、铅包电缆、铠装电缆、聚氯乙烯电缆。


1964 年以后,受文化大革命的影响,土壤网大部分试验工作中断。



2、恢复建设与发展阶段


1982 年,全国性的土壤腐蚀试验重新恢复,为了弥补文革期间缺失的试验数据,在对具备挖掘条件的埋设点进行抢救性开挖的同时,对破坏的试验站点进行恢复性建设。1984-1990年新建昆明、百色、鹰潭、广州、深圳酸性土壤试验站,并建立了大庆、大港中心站。通过老站开挖、恢复性建设及材料补充投试,使空缺数据逐步得到弥补。在中心试验站,通过开展动态原位测试,取得了大量的材料腐蚀及环境数据,为土壤腐蚀规律研究提供了基础数据。


在土壤腐蚀站网建设中,石油、城建、电信等部门支持起到了至关重要的作用。“七五”至“八五”期间,中石油集团公司根据石油行业需要,组建了石油系统土壤腐蚀站网,建立试验站点 50 余个,弥补了国家站网建设的不足。


自“七五”开始,在国家自然科学基金重大项目支持下,围绕材料土壤环境腐蚀数据积累及腐蚀与防护,开展了一系列研究工作,包括中心试验站原位测试技术、模拟加速试验方法、数据库和数据处理技术、区域土壤腐蚀分级与评价。通过重大基金项目支持,材料土壤腐蚀试验研究逐步走向深入,试验设施更加完备,试验研究方法更加科学规范,试验数据分析与管理更加有效,为国家野外台站及共享平台的建设奠定了基础。


3、平台建设与发展阶段

 

“十五”以后,根据国家经济建设的总体布局和西部大开发的要求,土壤腐蚀网制定了新时期建网方案,在我国西部地区典型土壤环境及东北老工业基地建立了一批典型试验站,进行新材料的投试。2001 年 -2003 年,在科技部公益项目和基础项目的资助下,开展了我国西部地区材料土壤腐蚀调查,并先后建立了格尔木、库尔勒、玉门、鹰潭、拉萨、满洲里材料土壤腐蚀试验站及广元光缆材料白蚁试验站,为后来国家站重点野外台站建设奠定了基础。


2004 年,国家材料腐蚀试验网的工作纳入科技部基础台站建设规划。经过初步筛选,土壤网站有 8 个试验站纳入国家重点站计划。2006 年,在统一土壤腐蚀试验规程的基础上,土壤网完成了成都、鹰潭、大庆、大港、库尔勒、拉萨、格尔木、沈阳 8 个土壤试验站的规范化建设。同年 12 月,上述8 个试验站全部通过国家材料土壤腐蚀站示范站验收,正式成为第一批挂牌的国家站重点野外台站。


土壤腐蚀站点分布图


4、 材料土壤腐蚀试验研究成果


   4.1 典型土壤材料腐蚀一般特征

 

1)碳钢土壤腐蚀

 

不同类型土壤中碳钢腐蚀存在较大的差异。按自然埋藏试验取得的碳钢最大腐蚀速度衡量,土壤中碳钢最大平均腐蚀率在 0.5-12.0g / dm 2 . a 之间,最大孔蚀速度在 0.0-1.5mm / a之间。不同土壤中碳钢试样的腐蚀差异由土壤的腐蚀性决定。例如,属于荒漠土的敦煌站,可溶盐总量、Cl - 、SO 4 2- 含量高,含水率高,钢铁腐蚀严重。玉门 2# 站、济南站差异充气电池引起钢铁试件腐蚀较重或穿孔。成都 1#、2# 站发现硫酸盐还原菌参与腐蚀,造成钢铁试件腐蚀穿孔。玉门 1# 站和大庆 1# 站土壤属灰钙土和苏打盐碱土,Cl - 、SO 4 2- 含量较低,含水高,透气性差,腐蚀最轻。

 

2)不锈钢、有色金属材料土壤腐蚀

 

1Cr13 和 1Cr18Ni9Ti 不锈钢在酸性和中性土壤中腐蚀比较轻微。在海滨盐渍土不锈钢的腐蚀失重明显增大,且出现严重点蚀,1Cr13 埋设 5 年试件的最大点蚀深度达 1.90mm,1Cr18Ni9Ti 的最大点蚀深度为 0.20mm。


LY11 铝合金、H62 黄铜土壤腐蚀以不均匀腐蚀为主,以新疆的碱性棕漠土腐蚀最严重,铝合金管埋设 3 年腐蚀开裂,H62 黄铜表面脱锌腐蚀面积高达 95%。在鹰潭的酸性粘土及成都中性粘土中腐蚀轻微。


新疆的碱性棕漠土中 LY11 铝合金和 H62 黄铜发生严重与土壤的类型及土壤质地有关,棕漠土质地不均匀 , 颗粒大 , 透气性好,含盐量也较高,腐蚀性强,导致LY11铝合金腐蚀碎裂。


3)非金属材料土壤腐蚀

 

中碱性土壤 40 年试验表明,混凝土抗压强度未下降,但中性化有不同程度发展。中性化深度粉煤灰混凝土最大33.8mm,高强混凝土最小 3.8mm。预埋钢筋面积锈蚀率硅酸盐混凝土最大 30%,矿渣及高强混凝土未见锈蚀。


内陆盐土中埋设 8 年后,混凝土材料抗压强度增长25-102%;28 年后混凝土抗压强度下降至严重膨胀开裂。敦煌站 40 年混凝土中性化深度达到 18-24mm,预埋钢筋锈蚀率 60-70%。


酸性土壤中埋设 13 年后,深圳站混凝土材料均腐蚀严重,抗压强度最大降低 16%,混凝土表面起砂,水泥砂浆剥落。


滨海盐土中埋设 8 年后,混凝土及钢筋混凝土材料抗压强度增长33-90%, 中性化深度4-6mm, 预埋钢筋没有出现锈蚀。


土壤对混凝土的腐蚀类型和严重程度取决于混凝土的质量和水泥品种,土壤中所含腐蚀介质。高密实性、高强度混凝土耐蚀性较好。


4)电缆材料土壤腐蚀

 

裸铅包电缆腐蚀最严重的有长辛店、成都昭觉寺两个站,埋藏 24 年铅皮腐蚀穿孔;泸州阳—井、成都铁中、泸州飞机场三个站腐蚀居中位,其他各站腐蚀较轻。


铅包钢带铠装油麻电缆腐蚀最重为济南、西安气象台、玉门镇三个站,外层钢带多处穿孔或断裂,但铅皮基本完好。铅包钢带铠装油麻电缆可以作为埋式通信电缆使用。


铅护套在酸性红壤中腐蚀最强,西北荒漠土壤腐蚀最轻,中碱性土壤腐蚀介于其间。


铅皮在碱性土壤中,由于接触土壤的松紧程度、透气程度不同,产生了腐蚀电池。铅包油麻电缆因油麻腐烂,在厌氧环境中被细菌分解,产生有机酸,使铅皮遭受腐蚀。


    4.2 土壤因素对材料腐蚀的影响

 

我国土壤性质变异范围极大,土壤含水率从 3%至饱和(35-40% ),pH 从 4.6-10.3,电阻率从 0.28 欧米 -1000 欧米以上。Cl - 、SO 4 2- 含量及可溶盐总量的差别也是很大,Cl -含量 0.001% -1.56%;SO 4 2- 含量 0.01% -1.38%,全盐含量 0.011%-2.803%。根据短期碳钢管腐蚀速度测定结果 , 土壤性质对碳钢腐蚀影响存在以下基本特征。


1)含水率对碳钢腐蚀的影响

 

含水率对碳钢腐蚀速度的影响因其范围而不同。含水率在 3-20%的范围内,同类土壤中碳钢腐蚀速度随含水量减少而明显降低。含水率在 15-30%时,腐蚀速度与含水量没有明显关系。饱和状态下的渍水土壤,腐蚀速度一般都很低。

 

2)pH 对碳钢腐蚀速度的影响

 

 pH 对碳钢腐蚀速度的影响比较复杂。pH5.7 以下的酸性土壤,其腐蚀状况比类似条件下的中、碱性土壤严重,如贵阳站 2 号坑与 3 号坑仅 pH 存在差异,结果 pH5.0 的 2 号坑中碳钢腐蚀状况远比 pH6.5 的 3 号坑严重。pH6.0-10.3对碳钢腐蚀速度没有明显影响。


3)土壤电阻率对碳钢腐蚀速度的影响

 

从全国 33 个站、多种土类的大范围分析,电阻率与碳钢管腐蚀速度之间不存在明显关系。但在性质比较接近的土类,特别是同一地区、同类土壤、腐蚀速度与电阻率之间存在较好的相关性。因此,工程上用土壤电阻率作为确定防腐等级的指标有其合理性。


4)Cl- 、全盐总量对碳钢腐蚀速度的影响

 

Cl- 、 全盐总量对碳钢腐蚀速度的影响程度受含水率制约。当含水率在 10-20%以上而又未达饱和时,Cl- 、全盐率与碳钢腐蚀速度成正相关;但含水率很低或饱和时,无论 Cl- 与全盐量多高,其腐蚀速度都很低。


(接下)

(接上)


大庆油田(长垣)土壤腐蚀性分级图

 

    4.3 土壤中的微生物对材料腐蚀影响


1)土壤中腐蚀微生物分布及影响因素


13 个老站的中、碱性土壤微生物菌量分析表明,各站、不同腐蚀菌菌量差异悬殊。异养菌达最高达 106/克。中性SOB 最高 102/克土;嗜酸 SOB 仅长辛店、济南、贵阳、三峡站出现。真菌最高达到 102/克土。SRB 最高超过 104/克土。土壤中腐蚀菌菌量主要受土壤中可提供菌 C 源的有机物和提供合成蛋白质的 N 源含量影响。


2)裸钢微生物腐蚀分析


 根据碳钢腐蚀测定结果,腐蚀程度从低到高的顺序是:张掖、冷湖、长辛店、南充、西安 (1)、西安 (2)、泸州 (1)、三峡、贵阳、济南、成都 (2)、玉门、敦煌站。这种差异仅从国际上通用的土壤电阻率、Eh、含水量、pH 来评定缺乏普遍的相关性。 从菌量比值、 硫化物产物及局部坑蚀形貌分析发现,三峡、贵阳、玉门、敦煌、张掖、南充、成都 (2)、济南、长辛店站等 9 个腐蚀严重的站中都存在有微生物促进腐蚀过程,占试验站总数 75%,占严重腐蚀站数 85%。

 

    4.4 工业地区区域土壤腐蚀性评价


应用土壤腐蚀试验方法, 结合工业建设需求, 在辽宁, 大庆、大港、新疆及四川油田等地区,开展了区域土壤腐蚀性评价及分级,根据短期埋藏试验,结合土壤数据分析,实现不同区域土壤腐蚀性等级的评定,为工程设计方案优化提供了依据。


5、土壤腐蚀研究成果应用

 

    5.1 土壤腐蚀试验数据在国家重大工程建设中的应用

 

土壤腐蚀试验研究成果持续为国家重大工程建设决策提供支持。1993 年三峡站开挖取得了 33 年金属及混凝土材料的腐蚀数据,为三峡大坝水利枢纽工程建设方案的确定提供决策依据。2001 年 13 个土壤站的碳钢腐蚀数据提供给中国石油天然气集团公司石油管材研究所,使“西气东输”工程管道安全性预评价有坚实的数据支撑。电缆、光缆土壤腐蚀研究成果提供给成都电缆厂、广州电信局等,为合理选材、用材提供了科学依据。滨海盐土钢筋混凝土试验数据,为山东寿光碱厂建设中的钢筋混凝土的选材方案提供决策依据,确保碱厂基建工程质量。


    5.2 土壤腐蚀试验数据在国标及行业标准制修订中的应用

 

    在电缆外护层国家标准修订中,依据铅包钢带铠装油麻外被电缆的腐蚀数据,淘汰了油麻外被及裸钢金属护层,取消了21 型、31 型等 6 个型号。根据尼龙 12 材料腐蚀数据,制定了YD/T 1020 通信电缆、光缆用防白蚁材料特性行业标准。


   5.3 土壤腐蚀试验及测量技术在科学试验及工业检测中的应用

 

土壤腐蚀研究过程中,形成了一大批具有自主知识产权的土壤腐蚀试验和测量技术,包括土壤腐蚀野外测试组合仪、交流阻抗法土壤腐蚀性测定仪、土壤腐蚀环境加速实验装置等,目前已经在国内科研及工业领域中得到广泛应用。


6、土壤腐蚀站网建设思路和建议


    6.1 围绕国家经济建设需求,做好站网建设规划,优化站网布局

 

随着我国经济建设的不断推进,国家整体和区域经济发展战略,不断为我国的材料环境腐蚀研究提供新的研究课题。土壤腐蚀站网建设应密切关注国家的中长远经济发展规划,包括能源、信息和交通规划,认真分析国家及地区层面经济建设需求,提前做好布局,使国家材料土壤腐蚀试验能够继续为我国经济建设提供服务。


    6.2 面向社会需求,完善试验研究手段,进一步增强服务能力和水平

 

随着国家创新驱动发展战略持续推进,全民创新推动经济向高层次发展将是我国经济建设的一大特色,新材料、新工艺的研发与应用,将给材料环境腐蚀研究提供更多的挑战和机会。土壤腐蚀站网建设应进一步完善试验研究手段,包括极端环境模拟试验、材料环境适应性快速评价试验等,增强服务能力和技术水平。


    6.3 持续开展数据积累,保持站网活力

 

现场试验数据是经过几代人几十年持续努力,逐步积累起来的,是我国材料自然环境腐蚀研究取得的最重要的成果,通过其他研究手段无法获得。为了保持网站持续产生新数据的能力,在站网建设的新时期,应继续进行针对性的材料投试,不断产生新的试验数据,维持站网创新源泉和活力。


来源:中国腐蚀与防护网    大明钢铁网材料与加工组整理


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