土壤腐蝕特性描述及土壤中金屬腐蝕的幾個模型

雷德清 李純清 李書進(jìn) 侯穎波

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070)

土壤腐蝕特性描述及土壤中金屬腐蝕的幾個模型

雷德清 李純清 李書進(jìn) 侯穎波

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070)

介紹了金屬腐蝕特點，論述了幾種定性描述土壤腐蝕特性的方法，并分析了三種定量描述土壤中金屬腐蝕的模型，指出使用定性或者定量的方法描述土壤特性，有助于正確評價土壤的腐蝕程度。

土壤腐蝕，金屬腐蝕，腐蝕模型

埋地的金屬構(gòu)筑物在周圍土體腐蝕介質(zhì)的侵蝕下會發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，而腐蝕作用會使得金屬結(jié)構(gòu)的截面削弱，裂紋損傷積累以及材料強(qiáng)度退化等，最終會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的失效破壞。據(jù)ASCE調(diào)查預(yù)計美國每年在維護(hù)腐蝕問題嚴(yán)重的管道上花費約110億美元[1]。而另一方面由于其成分組成的復(fù)雜性引起土壤理化性質(zhì)的差異，使得它對處于其中的金屬的腐蝕特性也難以準(zhǔn)確描述，通過定性或者定量的方法研究土壤中金屬腐蝕規(guī)律，提出腐蝕模型，對于預(yù)測金屬腐蝕程度以及及時的維護(hù)有重要的意義。

1 金屬腐蝕特點

金屬的腐蝕是由自由能變化引起的，腐蝕反應(yīng)的趨勢是使得自由能變化減少，金屬在自然界發(fā)生的腐蝕絕大部分是電化學(xué)腐蝕，電化學(xué)腐蝕的特點是分為陽極過程和陰極過程。

1)陽極過程。陽極金屬發(fā)生電化學(xué)溶解：

Mn+·ne-+mH2O=Mn+·mH2O+ne-

如果溶解中存在絡(luò)合劑，會加速陽極溶解反應(yīng)，反應(yīng)式為：

Mn+·ne-+xA-+yH2O=(MAx)n-x·yH2O+ne-

2)陰極過程。電化學(xué)腐蝕的陰極過程是氧化劑吸收陽極區(qū)釋放出來的電子的過程，陰極吸收電子的氧化劑稱之為陰極去極化劑。去極化劑的存在使得吸收掉多余的電子，位能升高，使得這種腐蝕反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。

在酸性溶液中，最重要的去極化劑是H+，其反應(yīng)式為：2H++2e-→H2↑;這種腐蝕總是伴隨著氫氣的析出，這種腐蝕稱之為析氫腐蝕。

在中性或者堿性環(huán)境中，最重要的去極化劑是O2，其反應(yīng)式為:O2+4e-+2H2O=4OH-；這種以氧氣為氧化劑的腐蝕反應(yīng)稱之為吸氧腐蝕。

因此電化學(xué)腐蝕必備兩要素：一是構(gòu)成腐蝕電池；二是存在去極化劑。只要其中任何一個過程受阻，電化學(xué)腐蝕反應(yīng)就會受到阻滯，腐蝕速度減慢或者腐蝕過程停止。

2 土壤腐蝕性描述方法

土壤是由固態(tài)的土顆粒，液態(tài)的水和氣態(tài)的空氣組成的復(fù)雜的三相系混合物，土壤的固體顆粒成分復(fù)雜，有無機(jī)質(zhì)砂子，灰泥，也有動植物腐敗之后形成的有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)成分降解過程中會形成各種腐蝕產(chǎn)物，對其周圍的物體有侵蝕作用。這些顆粒呈現(xiàn)出不同的粒徑分布，有粉狀、粒狀、塊狀和片狀等，顆粒之間有很多的毛細(xì)管，降水和空氣可以通過這些毛細(xì)管進(jìn)入土壤內(nèi)部，雨水(特別是酸雨)中含有很多溶解質(zhì)，另外土壤中的鹽分也在水中溶解，從而使土壤具有導(dǎo)電特性。因此土壤的理化性質(zhì)跟土壤的成分組成和含水量有很大的關(guān)系。此外土壤的理化性質(zhì)還跟土壤的密實度，孔隙率，土壤種類等有密切的關(guān)系，因此土壤常表現(xiàn)出不均勻特性。

金屬在土體中的腐蝕特點與土體的理化性質(zhì)密切相關(guān)，土壤的理化性質(zhì)受到多種因素的影響，目前定性的描述土壤腐蝕特性的方法主要有單項指標(biāo)評價法、綜合指標(biāo)評價法和極化曲線法、交流阻抗法等電化學(xué)研究方法[2]。

單項指標(biāo)評價法是根據(jù)每一項影響金屬腐蝕的理化指標(biāo)來評價土壤腐蝕特性，根據(jù)影響腐蝕的主要指標(biāo)的一定取值范圍判定其腐蝕程度。由于單項指標(biāo)彼此相關(guān)，交錯重疊，有的幾個指標(biāo)重復(fù)反映一個影響因素，有的影響因素又沒有被反映出來。這讓單項指標(biāo)準(zhǔn)確評價土壤腐蝕性能困難重重，其結(jié)果不一定準(zhǔn)確，因此綜合指標(biāo)評價法越來越多的用于評價土壤腐蝕特性。綜合指標(biāo)評價法選取多個腐蝕影響因素，按照各個因素評分標(biāo)準(zhǔn)評分，將分?jǐn)?shù)相加，利用總分來判定土壤的腐蝕等級[3]。目前最實用、應(yīng)用最廣泛的是貝克曼法和美國的ANSI A21..5土壤腐蝕評價法。

極化曲線法是基于Stern-Geary公式建立的腐蝕研究方法，根據(jù)電化學(xué)腐蝕理論，測定金屬電極的穩(wěn)態(tài)極化曲線，可以從此極化曲線中得到很多重要參數(shù)，分析腐蝕過程的控制機(jī)理。但是在實際運用中，由于土壤理化性質(zhì)的巨大差異，利用極化電阻評價土壤腐蝕等級十分困難。

交流阻抗法是一種頻率響應(yīng)分析技術(shù),不受土壤本身電阻的影響，抗干擾能力強(qiáng)，通過等效電路的分析，可以得出電化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速度、反應(yīng)步驟及局部腐蝕信息。但是由于實際土壤系統(tǒng)的阻抗譜很復(fù)雜，要建立等效電路并不容易，而且此技術(shù)對實驗儀器要求較高，在實際應(yīng)用中也受到很多限制。

3 土壤中的金屬腐蝕模型

有關(guān)學(xué)者經(jīng)過研究提出了金屬在土壤中的腐蝕定量描述的三種模型。

3.1 冪函數(shù)模型

冪函數(shù)模型是一種經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，在實際運用中很廣泛，特點是前期腐蝕速度增長快，后來腐蝕速度減小，腐蝕深度是時間的冪函數(shù)。對于具體的腐蝕參數(shù)的確定，各個研究者提出的參數(shù)各一。對鋼管Kucera[4]建議取k值為0.1～0.5,n取值為0.2～1.2。對于鑄鐵管道Sadiq[5]建議取k值為2,n值為0.3。C.Q.Li和M.Mahmoodian[6]根據(jù)鑄鐵管道內(nèi)壁和外壁腐蝕的不同，內(nèi)壁腐蝕k取0.92，n取值0.4，外壁腐蝕k取2.54，n取值0.32。冪函數(shù)模型是經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，是根?jù)實測數(shù)據(jù)擬合得到的，由于腐蝕數(shù)據(jù)受到周圍環(huán)境等各方面的因素影響大，所以得到的擬合參數(shù)不一致也是在預(yù)料之中。但是從各個研究者的建議取值來看，n取值小于1，在數(shù)學(xué)上變現(xiàn)為腐蝕速度隨時間的增長而減小。這點反映了金屬腐蝕過程是一個自我抑制的過程。Rossum[7]研究了土壤的理化性質(zhì)與金屬腐蝕的關(guān)系。提出了以下腐蝕模型：

(1)

其中,d為腐蝕坑深度;ka,a均為常數(shù)，與管道材料有關(guān)，對于鑄鐵管ka=1.40,a=0.22；A為腐蝕面積。該模型適用范圍是pH值在5～9之間，n取值在0～1之間，取決于土壤透氣性。n與kn取值見表1。

表1 Rossum腐蝕模型的土壤腐蝕常數(shù)

Rossum腐蝕模型計算的是管道可能的最大腐蝕坑深度。在實際工程應(yīng)用中，Rossum腐蝕模型計算數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)有一定的差異，一方面可能是由于腐蝕模型中運用了簡化模型假設(shè)，另一方面也是由于各種參數(shù)難以準(zhǔn)確確定。所以實際運用中還是要以實測數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，實時的對Rossum模型加以修正。

3.2 二階段模型

Rajani[8]的二階段腐蝕模型如下：

(2)

所謂二階段腐蝕模型就是腐蝕分為兩個階段：初始階段腐蝕增長很快，呈指數(shù)增長；第二階段腐蝕減緩，呈線性增長。

3.3 線性模型

Randall-Smith和Sheikh[9，10]的線性增長模型認(rèn)為腐蝕隨著時間均勻生長，這種腐蝕模型明顯和實際腐蝕現(xiàn)象不符，只可對于腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行簡單的描述。Randall-Smith模型假設(shè)最危險的腐蝕是在同一點發(fā)生內(nèi)外部腐蝕，當(dāng)內(nèi)外部腐蝕深度之和等于壁厚，管道即發(fā)生穿孔破壞。三種腐蝕模型的腐蝕坑深度和腐蝕速率與時間關(guān)系如圖1，圖2所示。

4 結(jié)語

本文綜述了幾種定性的描述土壤腐蝕特性的方法及三種定量描述土壤中金屬的腐蝕的金屬腐蝕模型。通過土壤腐蝕定性描述方法，可以定性的評價土壤的腐蝕程度，通過土壤的理化性質(zhì)可以對土壤中的金屬腐蝕進(jìn)行定量的計算，從而可以預(yù)測金屬腐蝕程度，腐蝕狀態(tài)，這對后期金屬構(gòu)筑物腐蝕失效分析，腐蝕維護(hù)提供了良好的基礎(chǔ)。

[1] 王晨婉.基于貝葉斯理論的供水管道風(fēng)險評價研究[D].天津：天津大學(xué),2010.

[2] 尹桂勤,張莉華,常守文,等.土壤腐蝕研究方法概述[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2004(6):367-370，374.

[3] 劉 靜.重慶市20#鋼質(zhì)燃?xì)饴竦毓艿赖耐寥栏g研究[D].重慶：重慶大學(xué),2013.

[4] V.Kucera，E.Mattsson.AtmospHeric[M].1987.

[5] R.Sadiq,Balvant Rajani,Yehuda Kleiner. Probabilistic risk analysis ofcorrosion associated failures in cast iron water mains[J].Reliability Engineering and System Safety,2004(2):861.

[6] C.Q. Li, M.Mahmoodian.Risk based service life prediction of underground cast iron pipes subjected to corrosion[J].Reliability Engineering and System Safety,2013(119):102-108.

[7] J.R.Rossum.Prediction of pitting rates in ferrous metals from soil paraeters[J].Journal (American Water Works Association)，1969,61(6):305-310.

[8] Rajani B,Makar J,MeDonald S,et al.Investigation of grey cast iron water mains to develop methodology for estimating service life [R].Denver,CO: American Water Works Association Research Founfation,2000.

[9] M.Randall-Smith,A.Russell，R.OlipHant.Guild lines manual for structural condition assessment of the trunk mains [M].Swindon,UK:Water Rearch Center,1992.

[10] S.AK,B.JK,H.DA.Statistical modeling of pitting corrosion and pipeline reliability [J].Corrosion,1990,46(3):190-197.

Abstract: The paper introduces the corrosion feature of metals, indicates some methods for the qualitative description of the soil corrosive features, analyzes the metallic corrosion models in the three qualitative description of soil, and points out the qualitative or quantitative methods to describe the soil properties, so as to correct the evaluation of the soil corrosion.

Key words: soil corrosion, metal corrosion, corrosion model

Soil corrosion property description and some models for steel corrosion in soil

Lei Deqing Li Chunqing Li Shujin Hou Yingbo

(SchoolofCivilandArchitectureEngineering,WHUT,Wuhan430070,China)

2016-03-12

雷德清(1991- )，男，在讀碩士

1009-6825(2016)15-0064-02

TU441.2

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