圣戈班管道系統(tǒng)（中國(guó)）技術(shù)銷售部 胡兵

　　摘要：本文通過(guò)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(jiǎn)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(guó)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(zhǎng)期實(shí)踐證明，鑄鐵管的使用壽命是很長(zhǎng)的，早在1455年，德國(guó)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(guó)內(nèi)外都可以找到已埋設(shè)了100年左右，甚至更長(zhǎng)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(lái)巨大損失，為了解決這一問(wèn)題，國(guó)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(guò)這些微孔而深入到土壤中的水分和空氣可通過(guò)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(guò),含氧量較高;在潮濕的砂土中, 氧氣難以通過(guò)，含氧量較低.；在潮濕而又致密的粘士中，氧氣的通過(guò)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(guò)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(wú)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(zhǎng)度約為2×10-6m，并長(zhǎng)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)闅錃馕龀觯晃皆陉帢O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(guò)程的反應(yīng)如下：

陽(yáng)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(kāi)了指定的導(dǎo)體，而在原來(lái)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(lái)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(guò)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(guò)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(yáng)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(guò)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(guò)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(guò)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(yáng)極是鐵軌，陰極是地下管線；另一電解池的陽(yáng)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(wèn)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(guò)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(shuō)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(lái)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(guò)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菂捬跣缘模愿g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(guò)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(guò)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(lái)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(yáng)級(jí)來(lái)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(guò)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(guò)有機(jī)的保護(hù)涂層來(lái)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(guò)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(guò)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(lái)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(guó)內(nèi)的管道有機(jī)涂料防腐質(zhì)量與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家尚有一定差距。
　　1923年圣戈班穆松橋?qū)艿婪栏拈_(kāi)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(guò)無(wú)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(guò)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(guó)際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)防腐措施（見(jiàn)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(guó)總公司的內(nèi)部統(tǒng)計(jì)，在1961年到1974年投入使的的8萬(wàn)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(jiàn)，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(lái)做為標(biāo)準(zhǔn)防腐的補(bǔ)充（見(jiàn)ISO8180），它是一層低密度聚乙烯薄膜，鋪設(shè)管道時(shí)穿過(guò)并通過(guò)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(kāi)來(lái)（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(guò)程。

附表：圣戈班管道系統(tǒng)防護(hù)措施選擇方法判斷簡(jiǎn)圖

五．結(jié)束語(yǔ)

　　隨著國(guó)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(zhǎng)的使用壽命為廣大的客戶所認(rèn)同和使用，而我國(guó)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(zhǎng)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。