金屬管線腐蝕機(jī)理及防腐技術(shù)探析

高 巖

（福建省三鋼(集團(tuán))有限責(zé)任公司，福建 三明 365000）

金屬腐蝕表現(xiàn)為：金屬被周圍介質(zhì)（諸如氣體、液體等）影響，受化學(xué)變化、物理溶解、電化學(xué)變化作用出現(xiàn)的破壞。同時，就金屬腐蝕而言，屬于涉及金屬材料、環(huán)境介質(zhì)的反應(yīng)作用體系。工業(yè)生產(chǎn)方面，處于地下的油、水、氣等輸送管道，以及通信電纜等，會出現(xiàn)腐蝕的情況，并導(dǎo)致油氣等產(chǎn)生跑、冒、滴、漏等問題，進(jìn)而形成直接經(jīng)濟(jì)損失，同時還有可能出現(xiàn)爆炸、火災(zāi)等較為嚴(yán)重的安全事故。

1 常見金屬管線腐蝕的類型及其機(jī)理

1.1 土壤腐蝕的類型及其機(jī)理

土壤屬于自然界中最為常見的一種外腐蝕劑。由于土壤之中涉及水分，因此可以將其作為包含腐蝕性的特殊電解液。常見土壤腐蝕主要為以下幾類。

1.1.1 土壤腐蝕

土壤出現(xiàn)腐蝕后，受不均勻金屬組織的影響，可能會形成微電池腐蝕，亦或是不均勻土壤導(dǎo)致的宏觀電池腐蝕[1]。對于不均勻氧滲透速度而言，主要是因?yàn)橥寥来嬖诘耐笟庑圆煌M(jìn)而影響其接觸金屬部分的電位，并引起氧濃度差電池，體現(xiàn)在以下方面：其一，微電池腐蝕。一般情況下，金屬構(gòu)件周圍土壤涉及到的水分、結(jié)構(gòu)、鹽分和含氧量屬于均勻的，此時出現(xiàn)微電池腐蝕，那么必定與不均勻金屬組織聯(lián)系緊密；其二，管道穿越不同土壤的過程中，可能會出現(xiàn)宏觀電池腐蝕的情況。對長距離管道予以鋪設(shè)的過程中，因?yàn)楣艿琅c金屬構(gòu)件會對各類土壤進(jìn)行穿越，進(jìn)而形成了氧濃差電池，其被埋于潮濕、緊密的土壤之中，同時作為陽極被腐蝕；其三，兩種不同金屬和土壤接觸之后形成的宏觀電池。鋼管自身包含的金屬與焊縫金屬成分存在一定差異，雙方在電位差方面可達(dá)0.275V，所以埋入地下之后，電位低的部分會出現(xiàn)腐蝕問題。例如，油田中管線焊口部位、新舊管線連接部位等，出現(xiàn)的腐蝕穿孔就指的是此種狀況；其四，受埋設(shè)深度影響產(chǎn)生的宏觀電池腐蝕。因?yàn)橥寥缆裆畲嬖谥顒e，導(dǎo)致氧濃度會有一定的差異，即管線上部分和地面之間的距離更近，回填土沒有原土密實(shí)，因此氧氣濃度高，下部分土壤更加密實(shí)，氧濃度小，所以兩者在電極電位方面并不一致。其中，底部位置更低，為腐蝕電池陽極區(qū)，進(jìn)而容易出現(xiàn)腐蝕的情況。氧濃度差電池屬于導(dǎo)致地下管道外腐蝕情況的主要原因，即管道不同部位，因?yàn)檠鹾看嬖诓煌瑫?dǎo)致金屬電極電位也出現(xiàn)不同，表現(xiàn)為偏高位置在氧濃度方面大，屬于腐蝕電池陰極；濃度小偏低，為陽極，極易被腐蝕。

1.1.2 雜散電流引起的土壤腐蝕

就雜散電流而言，指的是由正常電路失漏，流到別處的電流，主要來源于對大功率直流電氣裝置的使用，諸如電化學(xué)保護(hù)裝置、電鍍槽、有軌電車以及電氣火車等[2]。處于地下的電纜、管道以及金屬結(jié)構(gòu)等，均會因?yàn)榇朔N雜散電流被腐蝕。對環(huán)路助力進(jìn)行提高，能夠避免土壤受到雜散電流的影響，進(jìn)而降低電流的腐蝕作用。

1.1.3 微生物引起的土壤腐蝕

土壤存在著濕度大、密實(shí)、含氧量等等特點(diǎn)，在此種環(huán)境中大多數(shù)微生物可以正常的生長和繁殖。就土壤微生物而言，一部分可以形成酸性物質(zhì)厭氧菌，進(jìn)而導(dǎo)致金屬出現(xiàn)腐蝕的情況。

1.2 電化學(xué)腐蝕的類型及機(jī)理

1.2.1 電化學(xué)腐蝕概念

電極指的是對電源兩端進(jìn)行連接的金屬，兩端存在電位差，并且受其影響，金屬離子會向電源兩端進(jìn)行移動，如果兩種金屬在穩(wěn)定性方面存在差異，那么穩(wěn)定性低的一方面會出現(xiàn)氧化的情況，進(jìn)而出現(xiàn)腐蝕。

1.2.2 金屬的電化學(xué)腐蝕

與電解質(zhì)溶液進(jìn)行接觸之后，金屬會發(fā)展成原電池，引起電化學(xué)腐蝕。比如，將鋅與銅作為電極，然后放置到硫酸溶液內(nèi)，通過導(dǎo)線連接，進(jìn)而構(gòu)建閉合回路，讓電流順利的通過導(dǎo)線，成為原電池裝置。通常狀況下，金屬表面存在各類雜質(zhì)，因此就算是在電解質(zhì)溶液之中放入金屬，同樣會產(chǎn)生腐蝕原電池。雜質(zhì)對于金屬，陰極、陽極均有可能，會導(dǎo)致金屬表面產(chǎn)生許多微小腐蝕原電池，無法避免對金屬產(chǎn)生腐蝕。

2 金屬管線防腐技術(shù)

對于金屬管線腐蝕而言，會對金屬管線經(jīng)濟(jì)收益產(chǎn)生影響，由于金屬管線極易產(chǎn)生腐蝕的情況，導(dǎo)致金屬管線損耗十分嚴(yán)重，不利于金屬管線的銷售，并降低金屬管線生產(chǎn)效益。所以，從事與金屬管線行業(yè)有關(guān)的企業(yè)，應(yīng)注重對金屬管線防腐技術(shù)的研究。對于現(xiàn)階段應(yīng)用較為普遍的金屬管線防腐技術(shù)而言，主要涉及防腐層與陰極保護(hù)技術(shù)。

2.1 防腐層保護(hù)技術(shù)

就防腐層而言，指的是對不同材料特性予以綜合應(yīng)用的方式，涉及使用壽命長的特點(diǎn)，結(jié)合不同介質(zhì)條件，通常將非金屬材料在金屬管線表面進(jìn)行敷設(shè)。現(xiàn)階段，防腐涂層技術(shù)實(shí)現(xiàn)了較好的發(fā)展，煤焦油瓷漆、三層聚乙烯等實(shí)現(xiàn)了廣泛運(yùn)用。比如，我國西氣東輸?shù)认嚓P(guān)工程，主要采取三層聚乙烯防腐層。對于距離較短以及變化頻繁的金屬管道，通常運(yùn)用聚乙烯膠粘帶。冷彎管外防腐則大多采取雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層技術(shù)。由此可見，防腐涂料包含豐富的種類，不同種類在用途與性能上會存在差異。選用時應(yīng)考慮。

其一，基體表面材料性質(zhì)。涂層用底漆之中涉及許多的含粉料，基料少，成膜較為粗糙，與金屬管線粘附力強(qiáng)結(jié)合性好，起附著和防銹作用；而面漆中則包含許多基料，成膜方面光澤好，可以避免底漆遭受大氣腐蝕，同時還具備良好的抗分化能力，防老化、防腐蝕作用顯著。

其二，基體使用環(huán)境。對于防腐蝕涂料而言，其在環(huán)境針對性方面極強(qiáng)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際運(yùn)用環(huán)境，諸如介質(zhì)類似、設(shè)備、濃度、溫度等，選擇適宜的涂料品種。

其三，現(xiàn)場施工條件。應(yīng)立足于施工現(xiàn)場，對涂料種類予以選擇。例如，施工現(xiàn)場通風(fēng)條件差，可運(yùn)用無溶劑以及水性防腐蝕涂料。若現(xiàn)場不存在烘烤干燥條件，那么應(yīng)選擇自干型涂料。

其四，技術(shù)、經(jīng)濟(jì)綜合效果。除了需要對技術(shù)性能優(yōu)異性予以考慮之外，還需重視經(jīng)濟(jì)合理性。開展經(jīng)濟(jì)核算的過程中需綜合考慮維修、材料、施工費(fèi)用，以及涂層性能。

2.2 陰極保護(hù)技術(shù)

2.2.1 陰極保護(hù)技術(shù)原理

對于陰極保護(hù)技術(shù)而言，其原理圖能夠通過圖1 進(jìn)行闡述。如果沒有開展陰極保護(hù)，金屬腐蝕微電池陽極極化曲線EOA與陰極極化曲線EOC在S 點(diǎn)相交，此點(diǎn)對應(yīng)金屬自腐蝕電位Ecorr，對應(yīng)電流為金屬腐蝕電流Icorr。受腐蝕電流Icorr 的影響，微電池陽極被溶解，使得腐蝕破壞。另外，金屬進(jìn)行陰極保護(hù)的過程中，受外加陰極電流I1的極化作用，金屬在總電位方面會從Ecorr 變負(fù)為E1 總的陰極電力Ic1內(nèi)，某些電流屬于外加的，諸如I1，金屬陽極腐蝕則主要提供其它電流，如IA1。由此可見，金屬微電池在陽極電流IA1方面和原來的腐蝕電流Icorr 相比之下，出現(xiàn)了降低，即腐蝕速度放緩，進(jìn)而保護(hù)了金屬。差值（Icorr-IA1）代表外加陰極極化之后，金屬上腐蝕微電池作用減小值，即腐蝕電流減小值，其可以被稱之為保護(hù)效應(yīng)。

圖1 陰極保護(hù)技術(shù)原理示意圖

金屬體系電位在外加陰極電流上升的情況下，會逐漸成負(fù)。如果金屬總電位等同于微電池陽極起始電位 EOA，那么金屬中的陽極電流則為零，同時所有電流屬于外加陰極電流IC外，此時陰極還原反應(yīng)會產(chǎn)生于金屬表面，并且金屬溶解反應(yīng)會終止，進(jìn)而保護(hù)金屬。在此過程中，電位處在最小保護(hù)電位，此時需使用的外加電流密度指的是最小保護(hù)電流密度。

通過對以上內(nèi)容的總結(jié)可以得出如下結(jié)論，為了安全保護(hù)金屬，需要把陰極極化到腐蝕微電池陰極平衡電位。同時，要想實(shí)現(xiàn)良好的保護(hù)效果，運(yùn)用的保護(hù)電位不能夠高于腐蝕微電池陽極平衡電位。

2.2.2 陰極保護(hù)技術(shù)直流電源的利用

對于外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)而言，由參比電極、電源設(shè)備、陰極通電點(diǎn)、輔助陽極、陽極路線等構(gòu)成。其中，陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)和直流電源之間存在著緊密聯(lián)系。因此，加強(qiáng)研究陰極保護(hù)中運(yùn)用到的直流電源，可提高直流電源工作性能，并讓管道陰極防腐效果得到增強(qiáng)。

2.2.3 常用的直流電源設(shè)備

要想確保接地體電流可以從土壤之中輸送進(jìn)保護(hù)管路，需要將直流電源連接到陰極、陽極之間，并滿足電壓以及電流方面的相關(guān)要求，進(jìn)而形成閉合電路[3]。并且，應(yīng)存在對電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)的可能。對于常用直流電源設(shè)備而言，主要涉及整流器設(shè)備與恒電位儀。其一，整流器設(shè)備。電動機(jī)——發(fā)電機(jī)組與變壓器——整流器電源屬于早期電源設(shè)備。由于普通交流電源變壓器——整流器不存在旋轉(zhuǎn)、滑動接觸部分，因此可靠性高于電動機(jī)——發(fā)電機(jī)組，同時存在諸多能夠進(jìn)行選用的變壓器——整流器，并且容量不同。其中，橋式全波整流效果較好，在紋波系數(shù)單相方面不超過5%，三相則處在8%以下，升溫不可以高于85%。同時，把市電轉(zhuǎn)化成直流電硅整流器簡單可靠，在環(huán)境適應(yīng)性方面極強(qiáng)，通常可以長期運(yùn)行，價格也十分便宜；缺點(diǎn)則表現(xiàn)為精度不高等，相關(guān)管理工作者需對通電點(diǎn)電位進(jìn)行經(jīng)常性調(diào)節(jié)。其二，恒電位儀。現(xiàn)階段，恒電位儀技術(shù)得到了普遍運(yùn)用。如果管地電位、回路電阻產(chǎn)生較大變化情況，應(yīng)對恒電位儀予以使用。對于恒電位儀而言，需要確保在無人值守的狀況下自動調(diào)節(jié)輸出電流、電壓等，給定電位連續(xù)可調(diào)0.5-2.0V；電位控制精度則為±20mV；輸入阻抗不低于1MΩ；絕緣電阻不低于100MΩ；抗交流干擾能力不低于12V；耐點(diǎn)壓不低于750V；負(fù)載紋系數(shù)單相不超過5%，三相不超過8%；做好印刷電路防潮等相關(guān)工作。

3 結(jié)語

綜上所述，金屬管線腐蝕影響著人們的生產(chǎn)生活，所以需通過正確的方式降低管理腐蝕，讓管線可以長時間使用。所以，了解和探究各類腐蝕機(jī)理，有利于減輕防腐情況，本文主要探究了金屬管線腐蝕機(jī)理與防腐技術(shù)，旨在促進(jìn)相關(guān)企業(yè)或單位經(jīng)濟(jì)利益的提高，但還需不斷的對新防腐技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。