圣戈班管道系統（中國）技術銷售部 胡兵

　　摘要：本文通過球鐵管腐蝕機理、土壤腐蝕研究方法和相關的防腐措施的論述，簡要介紹了圣戈班管道系統在這一領域的發現和應用，并闡明了防腐措施選擇需要遵循的一些基本方法。
　　關鍵詞：電化學腐蝕 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年生產出世界第一根球墨鑄鐵管之后， 球鐵管以不可阻擋的趨勢成為給排水行業的主導管材， 它不僅保持了傳統灰口鑄鐵管的高強度和耐腐蝕的特點，還有高彈性（屈服強度）、高延伸率以及安裝方便的特點。長期實踐證明，鑄鐵管的使用壽命是很長的，早在1455年，德國的Dillenberg給水設備上就使用了鑄鐵管；1664埋設在凡爾塞宮附近的部分鑄鐵管仍在使用。當前在國內外都可以找到已埋設了100年左右，甚至更長時間的鑄鐵管。球鐵管雖然壁厚比灰鐵管薄了約三分之一左右，但是因增加了內外防腐，加上異相質點內浮、石墨細化以及膠圈的阻隔作用，使得球鐵管的電化學腐蝕程度大為減少，所以合格的球鐵管完全也有能力達到灰口鑄鐵管的使用壽命， 但是在某些使用環境下，如在海濱、鹽堿地、沼澤地、腐植土、含有硫磺爐渣、垃圾、酸性工業廢水等土壤里，變電所、高壓線附近、某些化工廠內以及其它對鑄鐵管有較強腐蝕的地段，球鐵管卻容易遭到腐蝕，給工業投資帶來巨大損失，為了解決這一問題，國內外科技工作者做了很多工作，圣戈班管道系統在管道防腐措施方面的研究一直走在世界的前列，本文針對球鐵管腐蝕機理、土壤腐蝕研究和有針對的防腐措施做一個探討。

二．土壤對球鐵管腐蝕的機理

　　金屬在大自然中經常遭到的各種電化學腐蝕、如大氣腐蝕、土壤腐蝕和海水腐蝕等。這些腐蝕有個共同特點，即主要是吸氧腐蝕（電化學腐蝕中，是氧分子接受電子），但它們又具有各自的規律，因此我們將球鐵管在土壤里的腐蝕形態分為，差異充氣電化學腐蝕、雜散電流腐蝕和微生物腐蝕，其中電化學腐蝕是主要形態，統計結果顯示：約有75%的腐蝕案例是由電化學腐蝕造成的。
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部，土壤中的水分除了部分與土壤的組分結合在一起，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。于是，土壤的鹽類就溶解在這些水中，成為電解質溶液，因此，土壤濕度越大含鹽量越多，土壤的導電性就越強。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，土壤中的含氧量也與土壤的濕度、結構有密切關系，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，如果通過結構和干濕程度不同的土壤將會引起差異充氣腐蝕，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行還原反應，即在砂土中鐵的電極電勢高于在粘土中鐵的電極電勢，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，埋在地下的金屬構件，由于埋設的深度不同，也會造成差異充氣腐蝕，其腐蝕往往發生在埋得深層的部位，因深層部位氧氣難以到達，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
　　如果土壤中嚴重缺氧，又無其他雜散電流，按理是較難進行電化學腐蝕的，可是埋在地下了的金屬構件照樣遭到嚴重的破壞，有人曾在電子顯微鏡下觀察被土壤腐蝕的金屬，發現有種細菌，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。細菌依靠鞭毛的伸曲，使其軀體向前移動。由于它依賴于硫酸鹽還原反應而生存的，所以人們稱它為硫酸鹽還原菌。它對金屬腐蝕作用的解釋，率先由屈菲(Kuhv)提出，在缺氧條件下，金屬雖然難以發生吸氧腐蝕,但可進行析氫腐蝕（電化學腐蝕中，有氫氣放出）。只是因陰極上產生的原子態的氫未能及時變為氫氣析出，而被吸附在陰極表面上，直接阻礙電極反應的進行，使腐蝕速率逐漸減慢?？墒?，多數的土壤中都含有硫酸鹽。如果有硫酸鹽還原菌存在，它將產生生物催化作用，使SO42-離子氧化被吸附的氫，從而促使析氫腐蝕順利進行。整個過程的反應如下：

陽極　　4Fe-8e = 4Fe2+

陰極　　8H++8e＝8H（吸附在鐵表面上）

　　 　　SO42-+8HS2-+4H2O

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

　　其腐蝕特征是造成金屬構件的局部損壞，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反應所釋放出的能量進行繁殖的。
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體，而在原來不該有電流的導體內流動，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行電解時，正常情況下電流應從正極通過電解液流向負極。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，然后從靠近負極的電解壁流出，并通過溶液回到負極.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，經過車廂后從地面鐵軌回到電站的負極。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施，最后返回路軌到電站的負極。這時，路軌下出現兩個串聯的大電解池。根據電流的流動方向，一個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，易被發現，維修也方便；后者腐蝕的是地下管線，不易被發現，且維修也不便，問題更為嚴重。此外，雜散電流也能引起鋼筋混凝土結構的腐蝕，尤其冬季施工,為了防凍而在混凝土中加入氯化物(如NaCl、CaC12)，其腐蝕就更為嚴重。
　　通過對三種土壤腐蝕機理的分析，我們不難看出實際上它們都是不同程度上的電化學腐蝕， 而根據統計結果顯示：約有80%的腐蝕案例是由電化學腐蝕造成的，所以說解決金屬管道的防腐實際實際上就是減少或杜絕電化學腐蝕。

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成分來判斷的，根據土壤的變化，球墨鑄鐵的防腐保護措施也是不同的。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系，電阻率越底，土壤腐蝕性越強，所以土壤腐蝕程度分析就成為必要，圣戈班管道系統在土壤腐蝕方面的研究分為三個步驟：
　　· 地形學研究
　　· 地質學研究
　　· 實地勘測
1．地形學研究
　　總體腐蝕指數首先取決于土壤圖，地面輪廓中高點更干燥、通氣性更好，所以腐蝕性較低，低點更潮濕和封閉，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，充滿潮濕的酸性物質和細菌，污染相對嚴重，通過當地的土壤規劃圖，我們可以得到如下一些信息：被各類排水污染的地區，例如液態化肥、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備（陰極保護結構，電力傳送系統，工廠等）。
2. 地質學研究
　　地質學主要是研究不同的橫斷地層，提供其腐蝕度的必要信息。一些地質的腐蝕程度在第一時間就可以判斷：低風險性如砂層和砂礫層、多石的土壤、石灰石層；高風險性的如泥灰層、粘土層；非常高的風險性石膏層、鐵礦層、銅礦層、在化工區使用的多鹽區（氯化鈉，硫化鈣）。這里尤其要強調鐵礦層，因為它常常是厭氧性的，所以腐蝕性較強，水文地質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。
3. 實地勘測
　　通過現場觀測電阻率和土壤分析，我們可以進一步確認和補充地形學和地質的發現。土壤的電阻率反映了其對金屬電化學腐蝕的能力，這是一個特別重要的參數，因為它本質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，同時電阻率非常容易通過現場測量獲得，如四位電極法。電阻越低，土壤腐蝕的程度越高。對于土壤電阻率低于2500Ω×cm的，我們建議在管道的埋設深度采集土壤標本，在實驗室測量其電阻率。

四．圣戈班穆松橋防腐措施的研究和應用

　　一直以來圣戈班管道系統對球鐵管防腐措施的研究主要分為兩個方向：
　　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作犧牲的陽級來保護陰級的球墨鑄鐵，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。在與環境土壤接觸過程中，金屬鋅與土中的碳酸鹽等物質結合成不可溶解的碳酸鋅，這層保護膜緊緊的粘結在管壁上，形成一層致密連續的、不可溶解的、不可滲漏的涂層，實際上這種保護方法是一種陰極保護措施。
　　其二，通過有機的保護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成。用有機涂料保護金管道是廣泛使用的防腐手段，市售的各類煤焦油、瀝青、環氧樹脂、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完全隔絕，但增大介質通過微孔的擴散阻力和溶液電阻，使腐蝕電流下降。其中環氧樹脂具有良好的粘結力和機械強度，但缺乏柔韌性，往往呈脆性狀態，聚氨酯具有的強度和彈性，但耐低溫較差，有熱粘冷脆的現象。而且相對于鋅涂層來講，有機涂層工藝方法較為復雜，質量易受到一些添加劑等原材料的影響，而且整體造價偏高，目前國內的管道有機涂料防腐質量與國外發達國家尚有一定差距。
　　1923年圣戈班穆松橋對管道防腐的開始了第一次系統實驗，當時研究的方向就是遵循主動保護層-金屬涂層和被動保護層-樹脂類涂層兩個方向，經過無數次的對比實驗最終確定鋅為標準的保護層，不僅是因為其價格適中，而且高強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輸和埋設條件下是很難避免），并且具有其它防腐材料難以比擬的傷口自我愈合功能。1958年圣戈班穆松橋將噴鋅工藝大規模的運用到工業生產中，采用純度達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，同時外涂瀝青，瀝青是廉價但性能優良的涂料，涂敷在鋅層之上的瀝青密封毛孔也具有極其重要的作用，可以促進鋅層轉變成穩定的和不可溶解的鋅鹽，時至今日鋅加瀝青也成為國際公認的標準防腐措施（見ISO8179-1）。

　　根據蘇伊士里昂水務集團在1988年對49條使用年限10到20的管網所作的調查發現85%的未噴鋅球墨鑄鐵管出現了不同程度的腐蝕，而只有2根噴鋅球墨鑄鐵管出現0.5mm的輕微腐蝕。另外根據圣戈班法國總公司的內部統計，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，噴鋅對管道的壽命起到了舉足輕重的作用，圣戈班管道系統因此對所生產的全部球墨鑄鐵管都進行噴鋅處理，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

　　圣戈班管道系統幾十年的經驗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。對于上一節提到的一些具有特別強腐蝕性的地區，如硫酸鹽或氯的含量高或細菌活動高的土壤（酸性介質中PH<5）、被工農業和污水嚴重污染的土壤、雜散電流嚴重的土壤，我們在土壤腐蝕研究后會推薦采用其它附加的保護措施，聚乙烯襯套就是一種很好的選擇來做為標準防腐的補充（見ISO8180），它是一層低密度聚乙烯薄膜，鋪設管道時穿過并通過塑料膠帶貼在管的端部。聚乙烯襯套對鋅保護層起額外的保護作用，其保護機理就是把管道和腐蝕性土壤隔離開來（消滅了電化學偶）和阻止地電流的進入。如果有少量的水滲入到套管內，這一措施的額外保護就起作用了，因為一種均質介質（土壤中的水）就替代了一種非均質介質（土壤）。
　　總而言之，圣戈班認為球鐵管的外防腐措施的選擇要遵循于其運輸方式、埋設條件和土壤腐蝕性的強弱（根據土壤分析的化學類型、電阻率和PH值結果可以知道），并據此確定防腐方案，所以這是一個價值性能比綜合判斷的過程。

附表：圣戈班管道系統防護措施選擇方法判斷簡圖

五．結束語

　　隨著國家對基礎設施的投入不斷加大，球墨鑄鐵管材已經憑借其出色的機械性能和超長的使用壽命為廣大的客戶所認同和使用，而我國幅員廣闊，地形地貌有很大不同，所以對土壤腐蝕度的研究也勢在必行，圣戈班管道系統致力于球鐵管及附件制造領域，以保護客戶的長期利益為己任，圣戈班管道系統技術銷售團隊將根據客戶的需要進行土壤腐蝕研究，并向客戶推薦最為合適的防腐措施。