高明阳
中科院金属所国家金属腐蚀控制工程技术研究中心
当我们家里的水管生锈了，或者厨房里的菜刀有锈迹了，我们会直接换掉，很少去想其中的缘由。这些生活中的腐蚀现象好像没有太多存在感，人们也往往忽略这个问题。然而，腐蚀是一个滴水穿石的过程，看似不起眼，却无处不在，就像我们肉眼可见的星星相较于宇宙中浩瀚繁星一样，我们所注意到的腐蚀问题只是冰山一角。实际上，腐蚀会给全世界造成难以估计的财产损失和巨大的安全隐患。据不完全统计，在我国，每年有30%的钢铁因腐蚀而报废，由于腐蚀造成的损失约占国民生产总值的5%，因腐蚀导致的间接损失以及对群众生命安全的威胁更为严重。因此，我们每个人都有必要了解腐蚀，认识腐蚀。
举个例子，埋在地下的输水输油管道就像是祖国母亲的血管，维持着整个国家的运作。根据《中长期油气管网规划》，到2020年全国长输油气管网规模将达到16.9万千米;到2025年，管网规模将达到24万千米。但是，管道的腐蚀就像是一颗定时炸弹，如果不加以防备，就会给我们带来巨大的灾难。例如，2013年11月22日青岛黄岛输油管道的泄漏爆炸事故，导致62人死亡，136人受伤，直接经济损失75172万元。其原因就是该管道发生了腐蚀减薄破裂，造成原油泄露。
为什么埋在地下的管道会发生腐蚀?其实，管道所处的环境—土壤，是由各种颗粒状矿物质、有机物、水分、空气、微生物等组成，包括气、液、固三相，组成非常复杂，属于一种特殊的腐蚀环境。因此，供水输水管道、输油输气管道每时每刻都受到土壤腐蚀的影响。当这些设施发生失效或破坏时，就会引起油、气、水外泄，造成停工停产甚至环境污染等严重后果。
图1 埋地管道的腐蚀
影响土壤腐蚀的因素有很多，例如，土壤中总是含有一定量的水分，而水分的存在会导致管道的腐蚀[1]。这就像是我们厨房里沾水存放的菜刀更容易生锈一样，当金属材料接触水分时，表面会形成一层液膜，它与金属构成了一个腐蚀原电池体系。既然是原电池，那么它就有阴极和阳极之分。管道材料的最主要组成元素—铁，将作为阳极失去电子，被逐渐氧化为铁离子，使得管道在宏观上发生腐蚀减薄，从而产生安全隐患。
此外，电车或接地的输电系统会在土壤中产生本不该存在的电流，即杂散电流。埋设的管道在该电流影响下发生的腐蚀叫做杂散电流腐蚀，其示意图如图2所示[2]。杂散电流会从管道上的某一部位B流入，并沿着管道流动，最终从管道的C处流出，此处即为阳极区。金属在此处发生腐蚀，生成的产物—铁离子溶于周围土壤溶液中，从而造成金属管壁的损失。这种腐蚀的特点是速度快，随机性强，需要特别注意。
图2 杂散电流腐蚀示意图
土壤中的微生物同样对管道腐蚀有着很大的影响，最常见的细菌种类是硫酸盐还原菌。这些微生物附着在金属表面并形成生物膜，通过其代谢产物致使金属降解[3]。
既然土壤腐蚀这么复杂，那么我们如何研究埋在地下的管道腐蚀情况呢?一般来说，我们可以将试件埋设到典型土壤环境中，让金属试件与土壤接触发生腐蚀，埋设一定周期后取出，从而研究金属的腐蚀规律。这种方法叫做埋片法[4]。但是由于该方法实验量较大，周期较长，且只能观测取出的金属试件，不能对金属腐蚀进行时时监测，因此具有一定的局限性;那么如何改进呢?为了在短时间内获得金属的腐蚀规律，我们可以改变实验条件，人为的加快腐蚀速度，从而对金属的土壤腐蚀进行研究[5]。
为了保护埋地管道免遭腐蚀的侵害，如今已经有一些方法广为应用。但若想从根本上减少管道腐蚀，新材料的研发至关重要。有意思的是，在铁生锈时候，如果有磷元素存在的话，它们就会生成一种名为“磷酸氢盐”的产物附着在表面，而这种物质稳定性很高，可以使基体免受腐蚀。很显然，如果铁制品内的磷元素的含量达到一定的比例，那么在其生锈的初期，这种产物可以在铁制品的表面形成一层“保护膜”，从而有效地阻止了生锈过程的进一步发展。这为管道材料的选取提供了思路。
此外，我们可以通过在管道外刷一层涂层来减少管道的腐蚀。外防腐层是保护管道安全的第一道防线，如图3所示。理论上来说，如果防腐层是100%完好的话，管道是可以“免疫”腐蚀的。但是管道防腐层在预制出厂、中间运输、现场施工等环节上，会不可避免的造成防腐层缺陷，此时就需要电化学保护对破损点处裸露金属进行防护，作为第二道防线。
阴极保护技术是电化学保护技术的一种[6]。既然管道腐蚀的实质是铁失去电子变为铁离子，那么如果给金属补充大量的电子，会发生什么呢?实际上，向金属结构物表面施加一个外加电流，可以使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生，如图4所示。这可以说是一种反其道而行之却颇为有效的方法。
图3 涂层对管道的保护
图4 阴极保护示意图
人类社会的发展进步离不开各类材料的更新换代，但是这些材料的腐蚀仍然是个无法避免的问题。不过，在科研人员的努力下，腐蚀造成的损失会越来越小，我们祖国母亲向前迈进的步伐会更加铿锵有力。作为民众，我们应该了解腐蚀，重视材料的腐蚀问题。控制腐蚀危害，才能共筑美好未来。
参考文献
[1] Wu Y H, Liu T M, Luo S X, et al. Influence of soil Humidity on Corrosion Behavior of Q235 Steel in Polluted Soils[J]. Corrosion & Protection, 2008, 29(4):178-181.
[2] 程兴. 基于综合检测的埋地燃气管道腐蚀剩余寿命预测研究[D]. 华南理工大学, 2016.
[3] El Hajj H, Abdelouas A, El Mendili Y, et al. Corrosion of carbon steel under sequential aerobic–anaerobic environmental conditions[J]. Corrosion Science, 2013, 76: 432-440.
[4] Guo A X, Yan A J, Jiang D, et al. Evaluation method for soil corrosion of transformer substation grounding grid [J]. Shanxi Electr. Power, 2010, 38: 28
[5] 王强. 国内高强度管线钢土壤腐蚀研究现状[J]. 腐蚀科学与防护技术, 2012, 24(2):171-172.
[6] 黄文辉. 埋地管道阴极保护电位测试方法研究进展[J]. 中国石油石化, 2017(4):100-101.