燃气管道腐蚀的原因

燃气管道腐蚀的原因燃气管道腐蚀的原因 一 电化学腐蚀一 电化学腐蚀 燃气钢管的管壁与作为电解质的土壤或水相接触 产生电 化学反应 使阳极区的金属离子不断电离而受到腐蚀 即为电 化学腐蚀 电化学腐蚀既可腐蚀内壁 也可以腐蚀外壁 通常 埋地钢管的外壁腐蚀是以电化学腐蚀为主的 一 基本原理 任何金属浸没在电解液中都会向溶液释放正离子 当某种 金属浸没在该种金属盐的标准溶液中时 即得到该金属的标准 溶液电位 其值与假定等于零的标准氢电极的电位之间的电位 差即为标准电极电位 各种金属按其标准电极电位的顺序排列成电化学次序 如 表 10 4 所示 若将电极电位不同的两种金属 锌和铜 浸入水和硫酸组成的 电解质中 既成原电池 如图 10 2 所示 用外部电池将两极连 通时 电子就会从锌电极流向铜电极 即由负电位流向正电位 电流方向则从阴极 铜 流向极 锌 阳极锌离子 zn 不断离开金 属 与电解质中硫酸根离子 so 4 结合 在阴极聚集的电子与 氢离子 h 结合 在阴极表面释出氢气 这个过程的结果是阴极 铜 被极化 阳极 锌 被腐蚀 表表 10 410 4 常用金属标准电极电位常用金属标准电极电位 锂li 3 03v 镍ni 0 23v 钾k 2 925v锡sn 0 14v 钠na 2 713v铅pb 0 126v 镁mg 2 371v氢h 0 铝al 1 66v铜cu 0 337v 锌zn 0 762v汞hg 0 792v 铬cr 0 74v 银ag 0 7994v 铁fe 0 44v 铂pt 1 2v 镉cd 0 402v金au 1 45v 埋地钢管由于金属本身结构的不均匀 表面粗糙度不同 以及作为电解质的土壤物理化学性质不均匀 含氧量不同 ph 值不同等因素 因而产生电化学反应 使阳极区的金属离子不 断电离而受到腐蚀 图 10 3 说明组成电解质的土壤性质不同 会引起电化学腐蚀 图 10 2 原电池工作原理 图 10 3 土壤不均匀性引起的腐蚀 由于砾石和砂子透气性好 而粘土透气性差 埋在不同地 段的钢管将产生电位差 管道在阳极区受到腐蚀 燃气钢管的电化学腐蚀过程可以看成由 3 个环节组成 如 图 10 4 所示 1 在阳极区 铁溶解 变成铁离子进入电解质 土壤 中 其化学反应式如下 fe fe 2e 阳极反应 2 电子由电位较低的阳极区沿管道流到电位较高的阴极区 故腐蚀电流从高电位流向低电位 即从阴极区沿钢管流向阳极 区 再流入电解质 土壤 流回阴极区 同时 阳离子与阴离子 也在电解质中相应地移动 阳离向阴极区移动 阴离子向阳极 区移动 3 在阴极区 电子流至阴极区后 被电解质 土壤 中能吸收 电子的物质 离子或分子 所接受 其电化学反应式如下 这 3 个环节是相联系的 如果其中一个环节停止进行 则 整个腐蚀过程也就停止了 当阳极反应与阴极反应等速进行时 腐蚀电流就不断地从阳极区流经电解质 土壤 进入阴极区 在阳 极区产生 fe oh 2 fe 2oh fe oh 2 fe oh 2 被氧化 就形成铁锈 其反应式 此外 两种不同材料的管道相连 也会引起电化学腐蚀 图 10 5 所示为铜管与钢管相连产生的腐蚀情况 图 10 4 燃气钢管电化学腐蚀过程示意图 图 10 5 铜管与钢管相连引起的腐蚀 埋地地壤中的铜管与钢管 都将向电解质 土壤 释放正离子 但由于金属的电化学性质不同 由表 10 1 可见 铜的标准电极 电位值比铁的大 故在电解质 土壤 中 铁将产生比铜更多的负 电荷 电子由铁电极流向铜电极 因而作为阳极的钢管不断被 腐蚀 而铜管作为阴极而被极化 同样 当镀锌钢管与钢管相连 也会引起电化学腐蚀 图 10 6 所示为镀锌钢管与钢管相连产生的腐蚀情况 图 10 6 镀锌钢管与钢管相连引起的腐蚀 埋在土壤中的镀锌钢管与钢管 由于锌的标准电极电位比 铁低 因此在电解质 土壤 中 镀锌钢管产生比铁更多的负电荷 电子由镀锌钢管流向钢管 故作为阳极的镀锌钢管将不断被腐 蚀 二 影响腐蚀速度的因素 土壤是具有固 液 气三相的毛细管多孔性的胶质体 土 壤的空隙为被气和水所充满 土壤中的水含有一定的盐 使土 壤具有离子导电性 成为电解质 土壤的物理化学性质不均匀性 会影响到土壤对金属的腐 蚀性 加上金属材质的电化学不均匀性 这就构成了腐蚀电池 的条件 在这些腐蚀电池里 电位较高的阴极区电位为 eoc 较低的阳极区电位为 eoa 当电流通过时 在阴极表面和阳极 表面各自产生一个阴极极化电阻 rc 和阳极极化电阻 ra 再加 上土壤电阻 rs 就组成了回路总电阻 根据电极过程动力学概念 反映腐蚀速度的腐蚀电流 i 为 因此 凡是能影响土壤中电极电位 土壤电阻和极化电阻 的各种土壤理化性质 都有可能直接或间接地影响土壤的腐蚀 性 具体来说 有土壤酸碱度 氧化还原电位 土壤电阻率 土壤含水量 或湿度 土壤含盐量和盐的种类 土壤质地松紧度 和透气性 土壤粘土矿物 土壤有机质等因素 其中 对土壤 腐蚀性影响较大的有 4 种因素 1 土壤电阻率 土壤电阻率直接受土壤颗粒大小 含水量 含盐量的影响 多数情况下可以反映出土壤的腐蚀性 土壤电 阻率越低 则电化学腐蚀速度越高 反之 土壤电阻率越高 则腐蚀速度越慢 通常可按土壤电阻率确定土壤等级 表 10 5 为土壤腐蚀等级划分参考表 表表 10 510 5 土壤腐蚀等级划分参考表土壤腐蚀等级划分参考表 土壤腐蚀等极低中较高高特高 美国 二极法 50 49 99 2019 99 109 99 7 7土壤电阻率 m原苏联 四级法 100100 2020 1010 55 24h 后试件失重 g0 1 1 22 33 6 6 法国规定 土壤电阻率 50 m 为高腐蚀性土壤 50 100 m 为中等腐蚀土壤 100 m 为低腐蚀性土壤 2 土壤中的氧 土壤中的氧存在于土壤的毛细管和缝隙内 少量溶于地下水中 土壤的含氧量与土壤的湿度和结构都有密 切关系 干燥的砂土中含氧多 潮湿的砂土中含氧少 潮湿密 实的粘土中含氧更少 土壤湿度和结构不同 其含氧量可相差 几万倍 这些都会形成氧浓差电池腐蚀 3 土壤的 ph 值 多数土壤显中性 ph 值在 6 7 5 间 我 国北方土壤略偏碱性 南方土壤略偏酸性 从土壤类型看 碱 性砂质粘土和盐碱土 ph 值多在 7 5 9 5 间 腐植土和沼泽土 ph 值在 3 6 之间 般酸性土壤的腐蚀性强 4 土壤中的微生物 土壤中的微生物对金属腐蚀有很大影响 主要为厌氧的硫酸盐还原菌和好氧的硫杆菌 铁细菌等 其中 以硫酸盐还原菌危害最大 对沼泽地带 硫酸盐类型的土壤要 特别注意微生物的作用 5 对土壤腐蚀性的综合评价 目前国际上较权威的综合评价 腐蚀性的标准 见表 10 6 表表 10 610 6 美国美国 ansia21ansia21 5 5 关于土壤腐蚀性的评价关于土壤腐蚀性的评价 项目测定值评分 土壤电阻率 cm 采用单极法 在管道埋深处测得或用水饱和的 土壤箱中测得 700 700 1000 1000 1200 1200 1500 1500 2000 2000 10 8 5 2 1 0 ph 值 0 2 2 4 4 6 5 6 5 7 5 7 5 8 5 8 5 5 3 0 0 0 3 氧化还原电位 100mv 50 100mv 0 3 5 0 50mv 0 4 5 硫化物 检出 痕迹 没有 3 5 2 0 温度 排水不好 连接潮湿 排水较好 一般较湿 排水很好 一般为干燥 2 1 0 注 总分在 10 分以上时 要考虑对铸铁管的保护 若有硫化物并且氧化还原电位低 应加 3 分 二 杂散电流对钢管的腐蚀二 杂散电流对钢管的腐蚀 由于电气化铁路 矿山 工厂 港口各种用电设备接地与 学漏电 在土壤中形成的杂散电流的循环 因杂散电流引起的 腐蚀 称为杂散电流腐蚀 一 直流杂散电流腐蚀 直流杂散电流对金属的腐蚀原理 与电解情况类似 即阳 极为正极 进行氧化反应 阴极为负极 进行还原反应 例如 有轨电车通常采用单根架空线 并以铁轨作为电流 回路 如果地下燃气管道在铁轨附近 一些回路电流从铁轨漏 出 通过管道 则会形成另一回路系统 如 图 10 7 所示 通常直流杂散电流从土壤进入金属管道的地 方带有负电 这一区域称为阴极区 处在阴极区的管道一般不 受什么影响 但若阴极区的电位过负时 管道表面会析出大量 的氢 造成防腐绝缘层老化 剥落 当杂散电流在管道的某一 绝缘层损坏处流出时 管道带有正电 这一区域称为阳极区 处于阳极区的管道 钢管以铁离子的形式溶于周围介质中 因 此阳极区的管道受到腐蚀 图 10 7 直流杂散电流腐蚀原理 1 架空线 2 电车 3 铁轨 4 变电所 5 地下管道 6 电蚀 直流杂散电流干扰腐蚀的损耗量与杂散电流强度成正比 即杂散电流强度愈大 引起的金属腐蚀就愈严重 按法拉第定 律计算 当杂散电流为 1a 时 一年内可腐蚀 36kg 铅 11kg 铜 和 10kg 铁 在杂散电流干扰比较严重的地区 电流可达几十安 培 甚至几百安培 所以 杂散电流造成的集中腐蚀是很严重 的 壁厚为 8 9mm 的钢管 快者 2 3 个月就会穿孔 产生直流杂散电流的主要原因为 有轨电车 电气化铁路 电解电镀车间 直流电焊机和地下电缆漏电等 二 交流杂散电流腐蚀 交流杂散电流对金属管道腐蚀的原理是 当埋地管道接近 或长距离与电力线平行时 高压电力线将在附近埋地钢管上感 应产生二次交流电 使管道产生很高的感应电压 管道与周围 土壤之间也产生可达几伏或几十伏的电位差 当这些电流迭加 在腐蚀的电化学原电池上时 相当于去极化作用 从而减轻了 阳极和阴极极化现象和电化学钝态 例如 铂在稀硫酸中直流 阳极电解时并不发生溶解 用交流电解也不发生溶解 然而 当在直流的阳极电位上迭加上交流电后 铂便溶解于硫酸中 这一事实说明 交流电能够降低金属钝态 并增大金属溶解反 应电位区 同样现象也发生于铁或铅在碱性溶液中 以及镍在 中性和弱酸性溶液中 比起直流杂散电流腐蚀 交流杂散电流的腐蚀量并不大 但集中腐蚀性强 大量试片结果表明 不论是平均失重量还是 腐蚀坑深 都随着干扰电压 电流的增加而加强 其中 腐蚀 坑深随干扰电压的升高而加大的趋势更明显 更有规律性 交流杂散的电流的产生 主要来源于交流电气化铁道 两 线一地及一线一地制运行的输电线路等 三 化学腐蚀三 化学腐蚀 化学腐蚀是金属直接和介质接触发生化学作用而引起的金 属溶解过程 由于输送的燃气中可能含有硫化氢 氧 二氧化 硫 硫化物等腐蚀性化合物 它直接和金属起作用而产生化学 腐蚀 埋地钢管纯化学腐蚀是极少发生的 一般同时存在化学腐 蚀和电化学腐蚀 化学腐蚀对管道来说是全面性腐蚀 腐蚀导 致管壁厚度的减薄是均匀的 所以与电化学腐蚀产生穿孔破坏 相比 化学腐蚀危害性较小 四 微生物腐蚀四 微生物腐蚀 对微生物参与腐蚀过程的研究表明 当埋地钢管周围土壤 中长年含有较多水分时 适合于细茵生存 易引起微生物腐蚀 反之 较干燥的土壤中 细菌难以生存 也就谈不到微生物腐 蚀 此外 土壤中氧气含量的多少影响着喜氧细菌和厌氧细菌 的繁殖 造成不同的腐蚀环境 微生物的腐蚀机理主要有三方 面 1 微生物在新陈代谢过程中直接参与腐蚀作用 如缺氧土 壤中厌氧细菌引起的腐蚀 2 在金属管道表面局部区域形成微电池 无论是喜氧细菌 还是厌氧细菌都会在金属管道表面产生沉积物 于是在沉积物 下面的金属管道与其他部位的金属管道之间产生了电位差 从 而引起电化学腐蚀 3 由于微生物新陈代谢过程的产物是酸性物质 从而形成 了使金属管道表面易于腐蚀的环境 厌氧硫酸盐还原菌通常存在于潮湿 通风和排水不良的缺 氧土壤中 它参加电极反应的作用是将可溶的硫酸盐转化为硫 化氧 并和铁作用生成硫化亚铁 生成硫化氢使土壤中 h 浓度 增大 阴极反应过程中氢的去极化作用加强 加速了腐蚀作用 其电极反应为 阳极 fe 2e fe2 阴极 h e h 细菌参加的阴极反应为原子氢和硫酸盐作用 即 二次腐蚀产物反应式为 fe2 s2 fes fe2 2oh fe oh 2 总反应式为 4fe so2 4 4h2o fes 2oh 3fe oh 这种细菌肉眼是看不见的 它生长在潮湿并含有硫酸盐及 可转化的有机物和无机物的缺氧土壤中 如沼泽地和海泥等 当 ph 值在 5 9 温度在 25 30 时 最有利于细菌的繁殖 所以在 ph 值为 6 2 7 8 的沼泽地带和洼地中 细菌活动最激 烈 当 ph 值大于 9 时 硫酸盐还原菌的活动受到抑制 对硫酸 盐还原菌腐蚀的判断 可借助于黑褐色的硫化亚铁腐蚀产物的 生成或用稀盐酸滴浸产生刺鼻的硫化氢而得知 美国用一种土壤探测仪测定土壤