土壤對埋地管道腐蝕性的調(diào)查與分析

摘 要

摘要：針對某氣田的長輸管道，選擇具有代表性的管段，通過定點取樣和原位測量的方法對土壤理化性能進行分析。按照調(diào)查方案，測定了土壤電阻率、雜散電流、含水量、氯離子含量、硫酸
摘要：針對某氣田的長輸管道，選擇具有代表性的管段，通過定點取樣和原位測量的方法對土壤理化性能進行分析。按照調(diào)查方案，測定了土壤電阻率、雜散電流、含水量、氯離子含量、硫酸鹽含量、碳酸鈣含量、pH值、氧化還原電位。用多項指標評價方法所得結(jié)果與用土壤電阻率單項指標評價的結(jié)果基本一致。該氣田管道土壤環(huán)境大部分為沙地，與鹽堿地相比，沙地環(huán)境下的電阻率偏高，含水量偏低，土壤腐蝕性較輕。
關(guān)鍵詞：土壤腐蝕性；長輸管道；沙地；土壤電阻率；多項指標評價法
Investigation and Analysis on Soil Corrosivity for Buried Pipes
ZHANG Xiu-lian，LI Ji，YU Dong-liang
Abstract：The representative sections of long-distance pipelines of a gas field are selected，and the physicochemical performance of the soil around these pipelines is analyzed by fixed point sampling and on-site measurement. According to the investigation scheme，the soil resistivity，stray current，water content，chlorine ion content，sulfate content，calcium carbonate content，pH value and oxidation reduction potential are measured. The results obtained from multi-index evaluation consistent with those from single index evaluation of soil resistivity on the whole. The soil around pipelines of the gas field is mostly sand in which the electrical resistivity is higher，the water content is lower and the soil corrosivity is milder than those in saline-alkaline soil.
Key words：soil corrosivity；long-distance pipeline；sand；soil resistivity；multi-index evaluation
1 概述
    隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，能源的需求急劇上升。我國石油、天然氣的輸送目前多以鋼質(zhì)管道輸送為主。這些管道絕大多數(shù)埋在地下，其腐蝕問題十分突出，一旦損壞將導致輸送物質(zhì)大量流失，甚至引起火災、爆炸和環(huán)境污染等事故。管道接觸的環(huán)境是引起腐蝕的主要因素。因此，對環(huán)境的腐蝕性進行分級是腐蝕控制的基本要求，對土壤腐蝕性的研究是防止土壤對管道的腐蝕的基礎。
    中國石油化工股份有限公司華北某氣田位于鄂爾多斯盆地北部伊陜斜坡區(qū)、毛烏素沙地的邊緣，地貌多為半固定沙丘。該公司大部分長輸管道敷設于2003年，自投產(chǎn)以來尚未進行系統(tǒng)的腐蝕調(diào)查，此次調(diào)查的對象為具有代表性的3條長輸管道，編號為DH線、DG線、TY線。本文對比沙地和鹽堿地的土壤腐蝕性參數(shù)，研究沙地環(huán)境對管道的腐蝕。
2 土壤腐蝕性調(diào)查方案
    土壤環(huán)境腐蝕檢測一般采用理化性能分析法[1]，通過現(xiàn)場勘測并對所取土樣進行實驗室內(nèi)性能分析，得到土壤各單項指標的測試結(jié)果，對土壤各單項指標分別進行評價，以此評價沿線土壤腐蝕性等級。定點取樣時以各種土壤的自然條件來分類布點，并且考慮土壤腐蝕強度現(xiàn)狀，對腐蝕嚴重的區(qū)域，適當增加測試布點密度[2]。根據(jù)這個原則，本研究在DH線、DG線、TY線分別選取了5、2、5個測試點進行土壤腐蝕性測試。
3 測試內(nèi)容
3.1 測試儀器及試劑
 測試儀器如下：DER2571-B型數(shù)字土壤電阻測量儀、萬用電表、便攜式Cu-CuSO4參比電極、722型分光光度計、表面皿、分析天平、PHB-5型pH計、MODER 6010型鉑電極。
    測試試劑如下：無水乙醇、硝酸、硝酸銀、氯化鈉、鹽酸、氯化鋇溶液、氫氧化銨溶液、氯化銨。以上試劑均為分析純。
3.2 現(xiàn)場勘測
    現(xiàn)場勘測的內(nèi)容有土質(zhì)、土壤狀態(tài)、有無地下水、土壤電阻率、雜散電流。土壤腐蝕性參數(shù)測定值見表1。
    ① 土壤電阻率的測定
    土壤電阻率是土壤含水量、含鹽量、pH值、質(zhì)地、松緊度等性質(zhì)的綜合反映。測定時使用土壤電阻測量儀進行四位電極電位測量，被測區(qū)的土壤電阻率由以下公式計算得出：
    ρ=2παR    (1)
式中ρ——被測區(qū)的土壤電阻率，Ω·m
    α——電極間距，m
    R——測量儀器所測取的土壤電阻，Ω
    ② 雜散電流的測定
    雜散電流是指規(guī)定或設計回路以外的電流，直流雜散電流對管道的腐蝕主要集中于管道表面涂層的破損點，影響區(qū)域管道的腐蝕速度往往比其他區(qū)域管道的平均腐蝕速度大許多倍而引起管道的腐蝕穿孔，通過雜散電流的測定來了解土壤對鋼管腐蝕的影響程度。在現(xiàn)場勘察中，采用電位梯度法評定土壤中有無雜散直流電流存在。在地表成十字交叉相間5～10m插上Cu-CuS4參比電極，測量每對電極間的電位差，如果各對電極間的電位差等于或接近于零，表明土壤中無雜散電流；如果可以觀測到電位差，表明管道處于雜散電流干擾區(qū)內(nèi)。
表1 土壤腐蝕性參數(shù)測定值
編號
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
測試點
DH1
DH2
DH3
DH4
DH5
DG1
DG2
TY1
TY2
TY3
TY4
TY5
腐蝕環(huán)境
鹽堿地
沙地
沙地
鹽堿地
沙地
沙地
鹽堿地
鹽堿地
鹽堿地
沙地
沙地
沙地
土壤電阻彰(Ω·m)
32.6
151.7
387.4
45.9
685.8
185.9
49.5
18.7
46.4
69.1
634.3
129.4
電位梯度/(mV·m-1)
4.00
1.20
4.72
0.97
4.00
2.67
1.25
5.60
3.25
2.18
6.50
1.90
含水質(zhì)量分數(shù)/%
23.2
15.9
2.6
27.3
3.2
16.2
24.8
19.9
22.4
12.5
4.4
7.4
Cl-質(zhì)量分數(shù)/10-6
65.9
25.2
72.9
97.4
60.6
59.1
95.9
41.4
69.4
57.6
53.2
38.5
硫酸鹽質(zhì)量分數(shù)/10-6
140
510
600
630
590
330
460
510
370
310
630
520
碳酸鈣質(zhì)量分數(shù)/%
3.74
5.76
7.99
4.94
8.70
8.10
4.52
5.50
6.98
5.54
7.57
3.66
pH值
9.19
9.56
9.36
8.70
8.65
8.29
8.15
8.70
8.90
8.82
9.29
8.26
氧化還原電位/mV
101
90
107
108
126
178
160
159
156
159
147
134
土質(zhì)
沙土
沙土
沙土
沙土
沙土+水
沙土
沙土
沙土
沙土
沙土
沙土
沙土
土壤狀態(tài)
自然土壤
自然土壤
自然土壤
自然土壤
自然土壤
自然土壤
自然土壤
自然土壤
自然土壤
自然土壤
自然土壤
自然土壤
有無地下水
無
地下水位以下
無
無
地下水位以下
無
地下水位交替
地下水位以下
地下水位以下
地下水位以下
無
無
3.3 實驗室內(nèi)土壤性能分析
    土壤樣品的采集力求反映土壤的真實情況，所有土樣均采自距地表面1～2m深的土層中。為防止擠壓土樣和水分蒸發(fā)，現(xiàn)場采集的土樣裝入樣品袋中密閉保存。將土樣帶回實驗室，清除土樣中的雜物，用玻璃棒壓碎過篩后裝入樣品袋中備用。在實驗室內(nèi)對所采土樣進行理化指標的測試，分析的主要內(nèi)容有：含水質(zhì)量分數(shù)、Cl-質(zhì)量分數(shù)、硫酸鹽質(zhì)量分數(shù)、碳酸鈣質(zhì)量分數(shù)、pH值、氧化還原電位。
    ① 土樣含水質(zhì)量分數(shù)的測定
含水質(zhì)量分數(shù)的變化會引起土壤通氣狀況的變動，如果土壤完全被水飽和，因氧的擴散受到抑制而致使腐蝕性減弱。測量土壤含水量可采用烘干法。土樣取回后立即稱得土樣的濕質(zhì)量，然后在105℃下烘干24h，待冷卻后稱得土樣的干質(zhì)量，由此計算得到每個土樣的含水質(zhì)量分數(shù)：
 
式中w——土樣的含水質(zhì)量分數(shù)
    m1——土樣的濕質(zhì)量，g
    m2——土樣的干質(zhì)量，g
    ② Cl-質(zhì)量分數(shù)的測定
    Cl-含量是土壤電化學腐蝕反應的一個指標。土壤中Cl-的存在，會對管道產(chǎn)生腐蝕。在水中的常見陰離子中，Cl-具有最小的體積，因而更容易穿透金屬表面的氧化物膜，與金屬直接接觸而加速電化學腐蝕反應，使金屬失去電子成為離子，加速金屬管體腐蝕[3]。實驗室使用分光光度法[4]進行Cl-含量的測定。制備水土質(zhì)量比為5:1的土壤浸出液，水浸24h后離心振蕩靜止，取上層清液，在明膠-乙醇水溶液中測定其吸光度。
    ③ 硫酸鹽質(zhì)量分數(shù)的測定
    本文采用EDTA絡合滴定法來測定硫酸鹽的質(zhì)量分數(shù)。制備水土質(zhì)量比為5:1的土壤浸出液，水浸24h后離心振蕩靜止，取上層清液，用鹽酸調(diào)節(jié)浸出液至微酸性，用過量的氯化鋇溶液將S042-全部生成硫酸鋇沉淀，在NH4OH-NH4Cl緩沖溶液(pH值=10)中以酸性鉻藍K為指示劑，用EDTA滴定過量的鋇以及浸出液中原來所含的鈣和鎂。根據(jù)加入的氯化鋇溶液及所消耗的EDTA量(用滴定空白的方法求得)、浸出液中原有的鈣和鎂消耗的EDTA量計算出硫酸鹽質(zhì)量分數(shù)。
    ④ 碳酸鈣質(zhì)量分數(shù)的測定
    碳酸鈣含量的測定采用中和滴定法。制備水土質(zhì)量比為5:1的土壤浸出液，水浸24h后離心振蕩靜止，取上層清液，以過量的鹽酸與土壤的碳酸鈣作用，剩余的酸用標準堿回滴，以酚酞做指示劑。
    ⑤ pH值測定
    pH值是土壤酸堿性強弱的表征，是土壤很多化學性質(zhì)特別是鹽基狀況的綜合反映。隨著土壤酸度或堿度的增高，土壤腐蝕性增大，從而對管道危害增強。本文將酸度計經(jīng)過標準溶液定值后插入土壤浸出液中則可直接讀取pH值。一般土壤浸出液愈稀，測得的pH值愈高，當水土質(zhì)量比從1:1稀釋到5:1時，pH值平均增高0.73[5]，堿性土的稀釋效應更為明顯。測定pH值時宜采取小的水土質(zhì)量比。本文采用1:1的水土質(zhì)量比進行測定。
    ⑥ 土壤氧化還原電位的測定
    氧化還原電位對金屬陰極去極化過程有較大影響。實驗室通常將鉑電極與參比電極直接插入介質(zhì)中來測定。鉑電極本身難以腐蝕、溶解，可以作為一種電子傳導體。當鉑電極與介質(zhì)(土壤)接觸時，土壤中的可溶性氧化劑或還原劑將從鉑電極上接受電子或給予電子，直至在鉑電極上建立起一個平衡電位，即該體系的氧化還原電位。
4 實驗結(jié)果與討論
4.1 實驗結(jié)果
    通過現(xiàn)場勘測和實驗室分析得到的土壤性能參數(shù)測定值見表1。由表1可以看出，所選測試點處的土壤主要是沙土，其含水質(zhì)量分數(shù)偏低，電阻率較高。各測試點的pH值均大于8，屬強堿性土壤。氧化還原電位是土壤氧化還原程度的綜合反映，也是判斷土壤細菌腐蝕的一個指標，可用來表征土壤微生物腐蝕程度。測得的氧化還原電位值均較低，電位梯度較大，根據(jù)標準SY 0007—1999《鋼質(zhì)管道及儲罐腐蝕控制工程設計規(guī)范》[6]，可判斷其硫酸鹽還原菌的腐蝕較強，雜散電流干擾等級為中。
    對表1所列的10項指標，根據(jù)文獻[7]給出評價指數(shù)，累計這些評價指數(shù)之和可以得出土壤腐蝕性的評價等級(見表2)。需要說明的是，該氣田土壤環(huán)境大部分為沙地，因此在本實驗中沒有測定總酸度、硫化氫及S2-含量。由表2可知，處于鹽堿地環(huán)境下的測試點，其土壤腐蝕等級為中，沙地環(huán)境下土壤腐蝕等級為弱。用多項指標評價方法得出所選測試點的土壤腐蝕等級為“中等偏弱”。
表2 土壤腐蝕指數(shù)和腐蝕性分級
編號
土質(zhì)指數(shù)
土壤狀態(tài)指數(shù)
有無地下水指數(shù)
土壤電阻率指數(shù)
含水質(zhì)量分數(shù)指數(shù)
Cl-質(zhì)量分數(shù)指數(shù)
疏酸鹽質(zhì)量分數(shù)指數(shù)
pH值指數(shù)
氧化還原電位指數(shù)
碳酸鈣質(zhì)量分數(shù)指數(shù)
評價指數(shù)總和
土壤腐蝕等級
1
0
0
0
-2
-1
0
0
0
-2
+1
-4
弱
2
0
0
-1
0
0
0
-2
0
-2
+2
-3
弱
3
0
0
0
0
0
0
-2
0
-2
+2
-2
弱
4
0
0
0
-2
-l
0
-2
0
-2
+1
-6
中
5
0
0
-1
0
0
0
-2
0
-2
+2
-3
弱
6
0
0
0
0
0
0
-1
0
-2
+2
-1
弱
7
0
0
-2
-2
-1
0
-1
0
-2
+1
-7
由
8
0
0
-1
-3
0
0
-2
0
-2
+2
-6
中
9
0
0
-1
-2
-1
0
-1
0
-2
+2
-5
中
10
0
0
-1
-1
0
0
-1
0
-2
+2
-3
弱
11
0
0
0
0
0
0
-2
0
-2
+2
-2
弱
12
0
0
0
0
0
0
-2
0
-2
+1
-3
弱
    對于一般土壤的腐蝕性，可按照其土壤電阻率大小分級，其評價標準見表3。按電阻率評價的土壤腐蝕性見表4。由表4可知，只有編號8的測試點腐蝕等級為強；所選測試點總體腐蝕等級為“中等偏弱”。該結(jié)果與土壤特性指標綜合評價方法所得結(jié)果基本一致。
表3 一般地區(qū)土壤腐蝕性分級標準
土壤腐蝕性
強
由
弱
土壤電阻率/(Ω·m)
＜20
20～50
＞50
表4 根據(jù)電阻率劃分的土壤腐蝕性等級
測試點編號
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
土壤腐蝕等級
中
弱
弱
中
弱
弱
中
強
中
弱
弱
弱
4.2 討論
   所選測試點的土壤環(huán)境可分為鹽堿地和沙地兩種，編號I、4、7、8、9這5個測試點處的管道位于鹽堿地環(huán)境，其他測試點為沙地環(huán)境。
    電阻率的大小不僅取決于土壤本身的固有特性，還受到土壤含水量、土壤密實度、有機質(zhì)含量、土壤溫度以及土壤pH值等因素的影響，其中含水質(zhì)量分數(shù)對電阻率的影響極大[8～10]。由實驗結(jié)果可知，當含水質(zhì)量分數(shù)較低時，2%的含水質(zhì)量分數(shù)就能引起電阻率的急劇變化；當含水質(zhì)量分數(shù)在12%～16%時，隨著水分的增加，電阻率的變化速率漸趨平緩；含水質(zhì)量分數(shù)在22%～27%時，電阻率隨含水質(zhì)量分數(shù)的變化更趨微小。由表1可以看出，沙地相比鹽堿地土壤的電阻率偏高，均高于50Ω·m。而土壤電阻率越大，土壤腐蝕性越小，即鹽堿地環(huán)境下土壤對管道的腐蝕性較強。
由于毛烏素沙地上的封殺土的沙粒含量高，粉粒和粘粒含量偏低，土粒結(jié)合松散，因此土壤的滲透性好，毛細管力弱，持水能力低。由表2可知，鹽堿地的含水質(zhì)量分數(shù)均位于20%～30%，而沙地土壤的含水質(zhì)量分數(shù)一般不超過16.23%，其土壤透氣性好，故腐蝕性相對較弱。
    對比其他腐蝕性指標，如雜散電流、Cl-質(zhì)量分數(shù)、硫酸鹽質(zhì)量分數(shù)、碳酸鈣質(zhì)量分數(shù)、pH值、氧化還原電位，沙地和鹽堿地環(huán)境下沒有明顯區(qū)別。所選管道所處土壤環(huán)境均屬堿性土壤，存在雜散電流干擾。
5 結(jié)論
    ① 管道腐蝕受土壤環(huán)境影響很大，鹽堿地含水質(zhì)量分數(shù)較高，土壤電阻率偏低，該土壤環(huán)境對管道的腐蝕明顯增強。需要加強腐蝕控制與防腐檢測，發(fā)現(xiàn)有防腐層破損點應及時修復和加強陰極保護。
    ② 采用多項指標評價方法，與采用土壤電阻率作為單項指標評價方法所得結(jié)果基本一致。從表征土壤微生物腐蝕的氧化還原電位指標來看，其土壤微生物腐蝕性較強。此外，雜散電流對土壤腐蝕性的影響中等偏大。
    ③ 土壤環(huán)境大部分為沙地，與鹽堿地環(huán)境相比，其土壤電阻率高，導電性弱，管道的土壤環(huán)境為堿性土，存在雜散電流干擾。其腐蝕等級綜合評價為“中等偏弱”。
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(本文作者：張秀蓮1 李季1 余冬良2 1.中國地質(zhì)大學材料科學與化學工程學院 湖北武漢 430074；2.武漢安耐捷科技工程有限公司 湖北武漢 430074)