雷德清 李纯清 李书进 侯颖波
(武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070)
土壤腐蚀特性描述及土壤中金属腐蚀的几个模型
雷德清 李纯清 李书进 侯颖波
(武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070)
介绍了金属腐蚀特点，论述了几种定性描述土壤腐蚀特性的方法，并分析了三种定量描述土壤中金属腐蚀的模型，指出使用定性或者定量的方法描述土壤特性，有助于正确评价土壤的腐蚀程度。
土壤腐蚀，金属腐蚀，腐蚀模型
埋地的金属构筑物在周围土体腐蚀介质的侵蚀下会发生腐蚀现象，而腐蚀作用会使得金属结构的截面削弱，裂纹损伤积累以及材料强度退化等，最终会导致结构的失效破坏。据ASCE调查预计美国每年在维护腐蚀问题严重的管道上花费约110亿美元[1]。而另一方面由于其成分组成的复杂性引起土壤理化性质的差异，使得它对处于其中的金属的腐蚀特性也难以准确描述，通过定性或者定量的方法研究土壤中金属腐蚀规律，提出腐蚀模型，对于预测金属腐蚀程度以及及时的维护有重要的意义。
1 金属腐蚀特点
金属的腐蚀是由自由能变化引起的，腐蚀反应的趋势是使得自由能变化减少，金属在自然界发生的腐蚀绝大部分是电化学腐蚀，电化学腐蚀的特点是分为阳极过程和阴极过程。
1)阳极过程。阳极金属发生电化学溶解：
Mn+·ne-+mH2O=Mn+·mH2O+ne-
如果溶解中存在络合剂，会加速阳极溶解反应，反应式为：
Mn+·ne-+xA-+yH2O=(MAx)n-x·yH2O+ne-
2)阴极过程。电化学腐蚀的阴极过程是氧化剂吸收阳极区释放出来的电子的过程，阴极吸收电子的氧化剂称之为阴极去极化剂。去极化剂的存在使得吸收掉多余的电子，位能升高，使得这种腐蚀反应继续进行。
在酸性溶液中，最重要的去极化剂是H+，其反应式为：2H++2e-→H2↑;这种腐蚀总是伴随着氢气的析出，这种腐蚀称之为析氢腐蚀。
在中性或者碱性环境中，最重要的去极化剂是O2，其反应式为:O2+4e-+2H2O=4OH-；这种以氧气为氧化剂的腐蚀反应称之为吸氧腐蚀。
因此电化学腐蚀必备两要素：一是构成腐蚀电池；二是存在去极化剂。只要其中任何一个过程受阻，电化学腐蚀反应就会受到阻滞，腐蚀速度减慢或者腐蚀过程停止。
2 土壤腐蚀性描述方法
土壤是由固态的土颗粒，液态的水和气态的空气组成的复杂的三相系混合物，土壤的固体颗粒成分复杂，有无机质砂子，灰泥，也有动植物腐败之后形成的有机质，有机质成分降解过程中会形成各种腐蚀产物，对其周围的物体有侵蚀作用。这些颗粒呈现出不同的粒径分布，有粉状、粒状、块状和片状等，颗粒之间有很多的毛细管，降水和空气可以通过这些毛细管进入土壤内部，雨水(特别是酸雨)中含有很多溶解质，另外土壤中的盐分也在水中溶解，从而使土壤具有导电特性。因此土壤的理化性质跟土壤的成分组成和含水量有很大的关系。此外土壤的理化性质还跟土壤的密实度，孔隙率，土壤种类等有密切的关系，因此土壤常表现出不均匀特性。
金属在土体中的腐蚀特点与土体的理化性质密切相关，土壤的理化性质受到多种因素的影响，目前定性的描述土壤腐蚀特性的方法主要有单项指标评价法、综合指标评价法和极化曲线法、交流阻抗法等电化学研究方法[2]。
单项指标评价法是根据每一项影响金属腐蚀的理化指标来评价土壤腐蚀特性，根据影响腐蚀的主要指标的一定取值范围判定其腐蚀程度。由于单项指标彼此相关，交错重叠，有的几个指标重复反映一个影响因素，有的影响因素又没有被反映出来。这让单项指标准确评价土壤腐蚀性能困难重重，其结果不一定准确，因此综合指标评价法越来越多的用于评价土壤腐蚀特性。综合指标评价法选取多个腐蚀影响因素，按照各个因素评分标准评分，将分数相加，利用总分来判定土壤的腐蚀等级[3]。目前最实用、应用最广泛的是贝克曼法和美国的ANSI A21..5土壤腐蚀评价法。
极化曲线法是基于Stern-Geary公式建立的腐蚀研究方法，根据电化学腐蚀理论，测定金属电极的稳态极化曲线，可以从此极化曲线中得到很多重要参数，分析腐蚀过程的控制机理。但是在实际运用中，由于土壤理化性质的巨大差异，利用极化电阻评价土壤腐蚀等级十分困难。
交流阻抗法是一种频率响应分析技术,不受土壤本身电阻的影响，抗干扰能力强，通过等效电路的分析，可以得出电化学反应的反应速度、反应步骤及局部腐蚀信息。但是由于实际土壤系统的阻抗谱很复杂，要建立等效电路并不容易，而且此技术对实验仪器要求较高，在实际应用中也受到很多限制。
3 土壤中的金属腐蚀模型
有关学者经过研究提出了金属在土壤中的腐蚀定量描述的三种模型。
3.1 幂函数模型
幂函数模型是一种经验模型，在实际运用中很广泛，特点是前期腐蚀速度增长快，后来腐蚀速度减小，腐蚀深度是时间的幂函数。对于具体的腐蚀参数的确定，各个研究者提出的参数各一。对钢管Kucera[4]建议取k值为0.1～0.5,n取值为0.2～1.2。对于铸铁管道Sadiq[5]建议取k值为2,n值为0.3。C.Q.Li和M.Mahmoodian[6]根据铸铁管道内壁和外壁腐蚀的不同，内壁腐蚀k取0.92，n取值0.4，外壁腐蚀k取2.54，n取值0.32。幂函数模型是经验模型，是根据实测数据拟合得到的，由于腐蚀数据受到周围环境等各方面的因素影响大，所以得到的拟合参数不一致也是在预料之中。但是从各个研究者的建议取值来看，n取值小于1，在数学上变现为腐蚀速度随时间的增长而减小。这点反映了金属腐蚀过程是一个自我抑制的过程。Rossum[7]研究了土壤的理化性质与金属腐蚀的关系。提出了以下腐蚀模型：
(1)
其中,d为腐蚀坑深度;ka,a均为常数，与管道材料有关，对于铸铁管ka=1.40,a=0.22；A为腐蚀面积。该模型适用范围是pH值在5～9之间，n取值在0～1之间，取决于土壤透气性。n与kn取值见表1。
表1 Rossum腐蚀模型的土壤腐蚀常数
Rossum腐蚀模型计算的是管道可能的最大腐蚀坑深度。在实际工程应用中，Rossum腐蚀模型计算数据和实测数据有一定的差异，一方面可能是由于腐蚀模型中运用了简化模型假设，另一方面也是由于各种参数难以准确确定。所以实际运用中还是要以实测数据与理论计算数据进行比对，实时的对Rossum模型加以修正。
3.2 二阶段模型
Rajani[8]的二阶段腐蚀模型如下：
(2)
所谓二阶段腐蚀模型就是腐蚀分为两个阶段：初始阶段腐蚀增长很快，呈指数增长；第二阶段腐蚀减缓，呈线性增长。
3.3 线性模型
Randall-Smith和Sheikh[9，10]的线性增长模型认为腐蚀随着时间均匀生长，这种腐蚀模型明显和实际腐蚀现象不符，只可对于腐蚀现象进行简单的描述。Randall-Smith模型假设最危险的腐蚀是在同一点发生内外部腐蚀，当内外部腐蚀深度之和等于壁厚，管道即发生穿孔破坏。三种腐蚀模型的腐蚀坑深度和腐蚀速率与时间关系如图1，图2所示。
4 结语
本文综述了几种定性的描述土壤腐蚀特性的方法及三种定量描述土壤中金属的腐蚀的金属腐蚀模型。通过土壤腐蚀定性描述方法，可以定性的评价土壤的腐蚀程度，通过土壤的理化性质可以对土壤中的金属腐蚀进行定量的计算，从而可以预测金属腐蚀程度，腐蚀状态，这对后期金属构筑物腐蚀失效分析，腐蚀维护提供了良好的基础。
[1] 王晨婉.基于贝叶斯理论的供水管道风险评价研究[D].天津：天津大学,2010.
[2] 尹桂勤,张莉华,常守文,等.土壤腐蚀研究方法概述[J].腐蚀科学与防护技术,2004(6):367-370，374.
[3] 刘 静.重庆市20#钢质燃气埋地管道的土壤腐蚀研究[D].重庆：重庆大学,2013.
[4] V.Kucera，E.Mattsson.AtmospHeric[M].1987.
[5] R.Sadiq,Balvant Rajani,Yehuda Kleiner. Probabilistic risk analysis ofcorrosion associated failures in cast iron water mains[J].Reliability Engineering and System Safety,2004(2):861.
[6] C.Q. Li, M.Mahmoodian.Risk based service life prediction of underground cast iron pipes subjected to corrosion[J].Reliability Engineering and System Safety,2013(119):102-108.
[7] J.R.Rossum.Prediction of pitting rates in ferrous metals from soil paraeters[J].Journal (American Water Works Association)，1969,61(6):305-310.
[8] Rajani B,Makar J,MeDonald S,et al.Investigation of grey cast iron water mains to develop methodology for estimating service life [R].Denver,CO: American Water Works Association Research Founfation,2000.
[9] M.Randall-Smith,A.Russell，R.OlipHant.Guild lines manual for structural condition assessment of the trunk mains [M].Swindon,UK:Water Rearch Center,1992.
[10] S.AK,B.JK,H.DA.Statistical modeling of pitting corrosion and pipeline reliability [J].Corrosion,1990,46(3):190-197.
Abstract: The paper introduces the corrosion feature of metals, indicates some methods for the qualitative description of the soil corrosive features, analyzes the metallic corrosion models in the three qualitative description of soil, and points out the qualitative or quantitative methods to describe the soil properties, so as to correct the evaluation of the soil corrosion.
Key words: soil corrosion, metal corrosion, corrosion model
Soil corrosion property description and some models for steel corrosion in soil
Lei Deqing Li Chunqing Li Shujin Hou Yingbo
(SchoolofCivilandArchitectureEngineering,WHUT,Wuhan430070,China)
2016-03-12
雷德清(1991- )，男，在读硕士
1009-6825(2016)15-0064-02
TU441.2
A
