圣戈班管道系統(tǒng)（中國）技術(shù)銷售部 胡兵

　　摘要：本文通過球鐵管腐蝕機(jī)理、土壤腐蝕研究方法和相關(guān)的防腐措施的論述，簡要介紹了圣戈班管道系統(tǒng)在這一領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，并闡明了防腐措施選擇需要遵循的一些基本方法。
　　關(guān)鍵詞：電化學(xué)腐蝕 土壤腐蝕性研究 鋅層防腐 聚乙烯襯套

一．前言

　　自法國圣戈班穆松橋1948年生產(chǎn)出世界第一根球墨鑄鐵管之后， 球鐵管以不可阻擋的趨勢(shì)成為給排水行業(yè)的主導(dǎo)管材， 它不僅保持了傳統(tǒng)灰口鑄鐵管的高強(qiáng)度和耐腐蝕的特點(diǎn)，還有高彈性（屈服強(qiáng)度）、高延伸率以及安裝方便的特點(diǎn)。長期實(shí)踐證明，鑄鐵管的使用壽命是很長的，早在1455年，德國的Dillenberg給水設(shè)備上就使用了鑄鐵管；1664埋設(shè)在凡爾塞宮附近的部分鑄鐵管仍在使用。當(dāng)前在國內(nèi)外都可以找到已埋設(shè)了100年左右，甚至更長時(shí)間的鑄鐵管。球鐵管雖然壁厚比灰鐵管薄了約三分之一左右，但是因增加了內(nèi)外防腐，加上異相質(zhì)點(diǎn)內(nèi)浮、石墨細(xì)化以及膠圈的阻隔作用，使得球鐵管的電化學(xué)腐蝕程度大為減少，所以合格的球鐵管完全也有能力達(dá)到灰口鑄鐵管的使用壽命， 但是在某些使用環(huán)境下，如在海濱、鹽堿地、沼澤地、腐植土、含有硫磺爐渣、垃圾、酸性工業(yè)廢水等土壤里，變電所、高壓線附近、某些化工廠內(nèi)以及其它對(duì)鑄鐵管有較強(qiáng)腐蝕的地段，球鐵管卻容易遭到腐蝕，給工業(yè)投資帶來巨大損失，為了解決這一問題，國內(nèi)外科技工作者做了很多工作，圣戈班管道系統(tǒng)在管道防腐措施方面的研究一直走在世界的前列，本文針對(duì)球鐵管腐蝕機(jī)理、土壤腐蝕研究和有針對(duì)的防腐措施做一個(gè)探討。

二．土壤對(duì)球鐵管腐蝕的機(jī)理

　　金屬在大自然中經(jīng)常遭到的各種電化學(xué)腐蝕、如大氣腐蝕、土壤腐蝕和海水腐蝕等。這些腐蝕有個(gè)共同特點(diǎn)，即主要是吸氧腐蝕（電化學(xué)腐蝕中，是氧分子接受電子），但它們又具有各自的規(guī)律，因此我們將球鐵管在土壤里的腐蝕形態(tài)分為，差異充氣電化學(xué)腐蝕、雜散電流腐蝕和微生物腐蝕，其中電化學(xué)腐蝕是主要形態(tài)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：約有75%的腐蝕案例是由電化學(xué)腐蝕造成的。
1．差異充氣引起的腐蝕
　　由于氧氣分布不均勻而引起的金屬腐蝕，稱為差異充氣腐蝕。土壤的固體顆粒含有砂子、灰、泥渣和植物腐爛后形成的腐植土。在土壤的顆粒間又有許多彎曲的微孔（或稱毛細(xì)管），土壤中的水分和空氣可通過這些微孔而深入到土壤中的水分和空氣可通過這些微孔而深入到土壤內(nèi)部，土壤中的水分除了部分與土壤的組分結(jié)合在一起，部分粘附在土壤的顆粒表面，還有一部分可在土壤的微孔中流動(dòng)。于是，土壤的鹽類就溶解在這些水中，成為電解質(zhì)溶液，因此，土壤濕度越大含鹽量越多，土壤的導(dǎo)電性就越強(qiáng)。此外，土壤中的氧氣部分溶解在水中，部分停留在土壤的縫隙內(nèi)，土壤中的含氧量也與土壤的濕度、結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，在干燥的砂土中，氧氣容易通過,含氧量較高;在潮濕的砂土中, 氧氣難以通過，含氧量較低.；在潮濕而又致密的粘士中，氧氣的通過就更加困難，故含氧量最低。埋在地下的各種金屬管道，如果通過結(jié)構(gòu)和干濕程度不同的土壤將會(huì)引起差異充氣腐蝕，假如，鐵管部分埋在砂士中，另一部分埋在粘土中，由腐蝕電池

　　 陽極　 Fe - 2e=Fe2+

　　 陰極 0.5O2 + H2O ＋ 2e= 2OH-

　　不難看出，因砂土中氧的濃度大于粘士中氧的濃度，則在砂土中更容易進(jìn)行還原反應(yīng)，即在砂土中鐵的電極電勢(shì)高于在粘土中鐵的電極電勢(shì)，于是粘土中鐵管便成了差異充氣電池的陽極而遭到腐蝕。同理，埋在地下的金屬構(gòu)件，由于埋設(shè)的深度不同，也會(huì)造成差異充氣腐蝕，其腐蝕往往發(fā)生在埋得深層的部位，因深層部位氧氣難以到達(dá)，便成為差異充氣電池的陽極,那些水平放置而直徑較大的金屬管，受腐蝕之處亦往往是管子的下部，這也是由差異充氣所引起的腐蝕。
2．微生物引起的腐蝕
　　如果土壤中嚴(yán)重缺氧，又無其他雜散電流，按理是較難進(jìn)行電化學(xué)腐蝕的，可是埋在地下了的金屬構(gòu)件照樣遭到嚴(yán)重的破壞，有人曾在電子顯微鏡下觀察被土壤腐蝕的金屬，發(fā)現(xiàn)有種細(xì)菌，其形狀為略帶彎曲的圓拄體，長度約為2×10-6m，并長有一根鞭毛。細(xì)菌依靠鞭毛的伸曲，使其軀體向前移動(dòng)。由于它依賴于硫酸鹽還原反應(yīng)而生存的，所以人們稱它為硫酸鹽還原菌。它對(duì)金屬腐蝕作用的解釋，率先由屈菲(Kuhv)提出，在缺氧條件下，金屬雖然難以發(fā)生吸氧腐蝕,但可進(jìn)行析氫腐蝕（電化學(xué)腐蝕中，有氫氣放出）。只是因陰極上產(chǎn)生的原子態(tài)的氫未能及時(shí)變?yōu)闅錃馕龀?，而被吸附在陰極表面上，直接阻礙電極反應(yīng)的進(jìn)行，使腐蝕速率逐漸減慢。可是，多數(shù)的土壤中都含有硫酸鹽。如果有硫酸鹽還原菌存在，它將產(chǎn)生生物催化作用，使SO42-離子氧化被吸附的氫，從而促使析氫腐蝕順利進(jìn)行。整個(gè)過程的反應(yīng)如下：

陽極　　4Fe-8e = 4Fe2+

陰極　　8H++8e＝8H（吸附在鐵表面上）

　　 　　SO42-+8HS2-+4H2O

　　　 Fe2++S2- = FeS（二次腐蝕產(chǎn)物）
　　　 +)3Fe2++6OH- = Fe(OH)2（二次腐蝕產(chǎn)物）
___________________________________________
　　　 總反應(yīng):4Fe+SO42-+4H2O = FeS+3Fe(OH)2+2OH-

　　其腐蝕特征是造成金屬構(gòu)件的局部損壞，并生成黑色而帶有難聞氣味的硫化物。硫酸鹽還原菌便是依靠上述化學(xué)反應(yīng)所釋放出的能量進(jìn)行繁殖的。
3．雜散電流引起的腐蝕
　　由于某種原因，一部分電流離開了指定的導(dǎo)體，而在原來不該有電流的導(dǎo)體內(nèi)流動(dòng)，這一部分電流，稱為雜散電流。它主要來自于電氣火車、直流電焊、地下鐵道及電解槽等電源的漏電。由雜散電流引起的腐蝕，如在金屬制作的電解槽中進(jìn)行電解時(shí)，正常情況下電流應(yīng)從正極通過電解液流向負(fù)極。但也有可能有部分電流先從正極流向靠近正極的金屬槽壁，然后從靠近負(fù)極的電解壁流出，并通過溶液回到負(fù)極.這樣，電流在從金屬電解槽壁流出之處便成為陽極而遭到腐蝕.又如電氣火車頂上有根架空線，其作用是接受從電站正極輸入的直流電，經(jīng)過車廂后從地面鐵軌回到電站的負(fù)極。如果各段鐵軌間連接良好,則大部分電流能通過路軌回到電站.要是路面不平,路軌間連接又不好,而地面又潮濕,這時(shí)將有部分電流流入地下，通過埋在路軌下的金屬管道或其他金屬設(shè)施，最后返回路軌到電站的負(fù)極。這時(shí)，路軌下出現(xiàn)兩個(gè)串聯(lián)的大電解池。根據(jù)電流的流動(dòng)方向，一個(gè)電解池的陽極是鐵軌，陰極是地下管線；另一電解池的陽極是地下管線，陰極是路軌。前者腐蝕的是路軌，暴露在地面上，易被發(fā)現(xiàn)，維修也方便；后者腐蝕的是地下管線，不易被發(fā)現(xiàn)，且維修也不便，問題更為嚴(yán)重。此外，雜散電流也能引起鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕，尤其冬季施工,為了防凍而在混凝土中加入氯化物(如NaCl、CaC12)，其腐蝕就更為嚴(yán)重。
　　通過對(duì)三種土壤腐蝕機(jī)理的分析，我們不難看出實(shí)際上它們都是不同程度上的電化學(xué)腐蝕， 而根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：約有80%的腐蝕案例是由電化學(xué)腐蝕造成的，所以說解決金屬管道的防腐實(shí)際實(shí)際上就是減少或杜絕電化學(xué)腐蝕。

三．土壤腐蝕性的研究

　　土壤腐蝕性的大小是由土壤的分類和它的化學(xué)成分來判斷的，根據(jù)土壤的變化，球墨鑄鐵的防腐保護(hù)措施也是不同的。如果腐蝕性較大，可以要求加大噴鋅的密度。土壤的腐蝕性與它的特殊電阻率有密切的關(guān)系，電阻率越底，土壤腐蝕性越強(qiáng)，所以土壤腐蝕程度分析就成為必要，圣戈班管道系統(tǒng)在土壤腐蝕方面的研究分為三個(gè)步驟：
　　· 地形學(xué)研究
　　· 地質(zhì)學(xué)研究
　　· 實(shí)地勘測(cè)
1．地形學(xué)研究
　　總體腐蝕指數(shù)首先取決于土壤圖，地面輪廓中高點(diǎn)更干燥、通氣性更好，所以腐蝕性較低，低點(diǎn)更潮濕和封閉，所以更趨向于腐蝕。池塘、沼澤、湖泊、煤層和其它地位較低的地區(qū)，充滿潮濕的酸性物質(zhì)和細(xì)菌，污染相對(duì)嚴(yán)重，通過當(dāng)?shù)氐耐寥酪?guī)劃圖，我們可以得到如下一些信息：被各類排水污染的地區(qū)，例如液態(tài)化肥、釀酒廠、奶制品廠、造紙廠或生活污水；靠近其它的干管，如泄漏的排水干管、使用直流電的工廠和設(shè)備（陰極保護(hù)結(jié)構(gòu)，電力傳送系統(tǒng)，工廠等）。
2. 地質(zhì)學(xué)研究
　　地質(zhì)學(xué)主要是研究不同的橫斷地層，提供其腐蝕度的必要信息。一些地質(zhì)的腐蝕程度在第一時(shí)間就可以判斷：低風(fēng)險(xiǎn)性如砂層和砂礫層、多石的土壤、石灰石層；高風(fēng)險(xiǎn)性的如泥灰層、粘土層；非常高的風(fēng)險(xiǎn)性石膏層、鐵礦層、銅礦層、在化工區(qū)使用的多鹽區(qū)（氯化鈉，硫化鈣）。這里尤其要強(qiáng)調(diào)鐵礦層，因?yàn)樗３Ｊ菂捬跣缘?，所以腐蝕性較強(qiáng)，水文地質(zhì)也是我們必須考慮的因素，潮濕加速了土壤腐蝕，滲透性差的土壤和巖層更容易保持水分，因而腐蝕性可能更強(qiáng)。
3. 實(shí)地勘測(cè)
　　通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)電阻率和土壤分析，我們可以進(jìn)一步確認(rèn)和補(bǔ)充地形學(xué)和地質(zhì)的發(fā)現(xiàn)。土壤的電阻率反映了其對(duì)金屬電化學(xué)腐蝕的能力，這是一個(gè)特別重要的參數(shù)，因?yàn)樗举|(zhì)上整合所有影響腐蝕性的因素，包括土壤的鹽堿度、含水狀況等，同時(shí)電阻率非常容易通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量獲得，如四位電極法。電阻越低，土壤腐蝕的程度越高。對(duì)于土壤電阻率低于2500Ω×cm的，我們建議在管道的埋設(shè)深度采集土壤標(biāo)本，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量其電阻率。

四．圣戈班穆松橋防腐措施的研究和應(yīng)用

　　一直以來圣戈班管道系統(tǒng)對(duì)球鐵管防腐措施的研究主要分為兩個(gè)方向：
　　其一，金屬涂層和包覆層。
　　這主要依靠鋅元素，在這球鐵管的鍍鋅層主要當(dāng)作犧牲的陽級(jí)來保護(hù)陰級(jí)的球墨鑄鐵，鐵的電位是－0.440mV，而鋅的電位是－0.763mV，比鐵的電位低，氧的電位為1.4mV，這樣鋅氧之間的電位差較大，更易形成原電池，從而將鑄鐵管壁得到保護(hù)。在與環(huán)境土壤接觸過程中，金屬鋅與土中的碳酸鹽等物質(zhì)結(jié)合成不可溶解的碳酸鋅，這層保護(hù)膜緊緊的粘結(jié)在管壁上，形成一層致密連續(xù)的、不可溶解的、不可滲漏的涂層，實(shí)際上這種保護(hù)方法是一種陰極保護(hù)措施。
　　其二，通過有機(jī)的保護(hù)涂層來隔絕金屬和土壤，它主要由聚安酯或其它合成聚合體材料構(gòu)成。用有機(jī)涂料保護(hù)金管道是廣泛使用的防腐手段，市售的各類煤焦油、瀝青、環(huán)氧樹脂、過氯乙烯、聚氨酯等都屬這一類，涂料覆蓋在金屬面上，干后形成多孔薄膜，雖然不能使金屬與介質(zhì)完全隔絕，但增大介質(zhì)通過微孔的擴(kuò)散阻力和溶液電阻，使腐蝕電流下降。其中環(huán)氧樹脂具有良好的粘結(jié)力和機(jī)械強(qiáng)度，但缺乏柔韌性，往往呈脆性狀態(tài)，聚氨酯具有的強(qiáng)度和彈性，但耐低溫較差，有熱粘冷脆的現(xiàn)象。而且相對(duì)于鋅涂層來講，有機(jī)涂層工藝方法較為復(fù)雜，質(zhì)量易受到一些添加劑等原材料的影響，而且整體造價(jià)偏高，目前國內(nèi)的管道有機(jī)涂料防腐質(zhì)量與國外發(fā)達(dá)國家尚有一定差距。
　　1923年圣戈班穆松橋?qū)艿婪栏拈_始了第一次系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)時(shí)研究的方向就是遵循主動(dòng)保護(hù)層-金屬涂層和被動(dòng)保護(hù)層-樹脂類涂層兩個(gè)方向，經(jīng)過無數(shù)次的對(duì)比實(shí)驗(yàn)最終確定鋅為標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)層，不僅是因?yàn)槠鋬r(jià)格適中，而且高強(qiáng)度鋅層能夠很好的抗震、抗刮和抗摩擦（這些情況在管道的運(yùn)輸和埋設(shè)條件下是很難避免），并且具有其它防腐材料難以比擬的傷口自我愈合功能。1958年圣戈班穆松橋?qū)婁\工藝大規(guī)模的運(yùn)用到工業(yè)生產(chǎn)中，采用純度達(dá)99.9%的鋅絲為原料,通過高壓電噴涂敷到管壁,因而鋅層具有良好的粘和力，同時(shí)外涂瀝青，瀝青是廉價(jià)但性能優(yōu)良的涂料，涂敷在鋅層之上的瀝青密封毛孔也具有極其重要的作用，可以促進(jìn)鋅層轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的和不可溶解的鋅鹽，時(shí)至今日鋅加瀝青也成為國際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)防腐措施（見ISO8179-1）。

　　根據(jù)蘇伊士里昂水務(wù)集團(tuán)在1988年對(duì)49條使用年限10到20的管網(wǎng)所作的調(diào)查發(fā)現(xiàn)85%的未噴鋅球墨鑄鐵管出現(xiàn)了不同程度的腐蝕，而只有2根噴鋅球墨鑄鐵管出現(xiàn)0.5mm的輕微腐蝕。另外根據(jù)圣戈班法國總公司的內(nèi)部統(tǒng)計(jì)，在1961年到1974年投入使的的8萬公里球墨鑄鐵管中，未噴鋅管道的每千公里損壞率是噴鋅管道的20倍。由此可見，噴鋅對(duì)管道的壽命起到了舉足輕重的作用，圣戈班管道系統(tǒng)因此對(duì)所生產(chǎn)的全部球墨鑄鐵管都進(jìn)行噴鋅處理，以保證客戶的利益。

附表1：噴鋅管和未噴鋅管腐蝕程度比較

　　圣戈班管道系統(tǒng)幾十年的經(jīng)驗(yàn)積累證明絕大部分土壤只是有輕微腐蝕性，所以鋅+瀝青涂層完全可以滿足工程需要。對(duì)于上一節(jié)提到的一些具有特別強(qiáng)腐蝕性的地區(qū)，如硫酸鹽或氯的含量高或細(xì)菌活動(dòng)高的土壤（酸性介質(zhì)中PH<5）、被工農(nóng)業(yè)和污水嚴(yán)重污染的土壤、雜散電流嚴(yán)重的土壤，我們?cè)谕寥栏g研究后會(huì)推薦采用其它附加的保護(hù)措施，聚乙烯襯套就是一種很好的選擇來做為標(biāo)準(zhǔn)防腐的補(bǔ)充（見ISO8180），它是一層低密度聚乙烯薄膜，鋪設(shè)管道時(shí)穿過并通過塑料膠帶貼在管的端部。聚乙烯襯套對(duì)鋅保護(hù)層起額外的保護(hù)作用，其保護(hù)機(jī)理就是把管道和腐蝕性土壤隔離開來（消滅了電化學(xué)偶）和阻止地電流的進(jìn)入。如果有少量的水滲入到套管內(nèi)，這一措施的額外保護(hù)就起作用了，因?yàn)橐环N均質(zhì)介質(zhì)（土壤中的水）就替代了一種非均質(zhì)介質(zhì)（土壤）。
　　總而言之，圣戈班認(rèn)為球鐵管的外防腐措施的選擇要遵循于其運(yùn)輸方式、埋設(shè)條件和土壤腐蝕性的強(qiáng)弱（根據(jù)土壤分析的化學(xué)類型、電阻率和PH值結(jié)果可以知道），并據(jù)此確定防腐方案，所以這是一個(gè)價(jià)值性能比綜合判斷的過程。

附表：圣戈班管道系統(tǒng)防護(hù)措施選擇方法判斷簡圖

五．結(jié)束語

　　隨著國家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的投入不斷加大，球墨鑄鐵管材已經(jīng)憑借其出色的機(jī)械性能和超長的使用壽命為廣大的客戶所認(rèn)同和使用，而我國幅員廣闊，地形地貌有很大不同，所以對(duì)土壤腐蝕度的研究也勢(shì)在必行，圣戈班管道系統(tǒng)致力于球鐵管及附件制造領(lǐng)域，以保護(hù)客戶的長期利益為己任，圣戈班管道系統(tǒng)技術(shù)銷售團(tuán)隊(duì)將根據(jù)客戶的需要進(jìn)行土壤腐蝕研究，并向客戶推薦最為合適的防腐措施。