城市基礎(chǔ)設(shè)施腐蝕與防腐淺析

(湖北工業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430000)

城市基礎(chǔ)設(shè)施腐蝕與防腐淺析

張 婷

(湖北工業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430000)

國家“十一五”規(guī)劃綱要提出發(fā)展城市群，因而興起了大量城市基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，然而這些設(shè)施在城市環(huán)境中卻面臨著多種腐蝕問題。本文綜述了城市的主要腐蝕類型及城市基礎(chǔ)設(shè)施所存在的腐蝕現(xiàn)象，介紹了目前最為有效地防腐方法，陰極保護技術(shù)，并列舉了陰極保護技術(shù)在城市燃氣管道、港口碼頭及油罐防腐中的應(yīng)用實例。

城市基礎(chǔ)設(shè)施 腐蝕 陰極保護 實例

0 前言

城市的發(fā)展在一定時期內(nèi)，都是以單中心結(jié)構(gòu)形式存在的，但隨著人口增加、交通擁堵及城市間能源分配不合理，使得城市群成為必然產(chǎn)物[1,2]。城市群是以一到兩個特大城市為經(jīng)濟核心，聯(lián)合發(fā)展周圍城鎮(zhèn)，最終成為具有完整城市功能的集合體[3～5]。城市規(guī)模的擴張，使得作為城市六大核心系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施部分，運輸、能源和通訊將得到前所未有的發(fā)展[6]。為聯(lián)系核心城市與地方城鎮(zhèn)，實現(xiàn)核心城市帶動地方經(jīng)濟建設(shè)以及共享城市間資源，大量的公路、城市軌道(輕軌、地鐵)、高架橋及港口碼頭等運輸設(shè)施已逐漸構(gòu)建起來；燃氣管道、電話電纜、電力電纜在地下形成了復(fù)雜的地下城市管網(wǎng)，管線覆蓋面積遠大于單個城市區(qū)域；城市群工業(yè)區(qū)內(nèi)的油罐、儲罐也在日益增多。如此以來，加強橋梁、港口碼頭和城市軌道的維護及安全檢修，確保燃氣管道、地下管網(wǎng)及工業(yè)區(qū)油罐的正常運營，將成為保障6.07億城鎮(zhèn)人口生命財產(chǎn)安全的關(guān)鍵所在[6]。

1 城市基礎(chǔ)設(shè)施的腐蝕問題

在城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，金屬鋼材因良好的物理性能、機械性能、工藝性能及較高的性價比，而具有其他材料不可比擬的優(yōu)勢，被大量、廣泛的應(yīng)用到城市各處。然而金屬材料的易腐蝕性卻給城市安全埋下了隱患[7～9]。

1.1 城市燃氣管道腐蝕問題

作為城市“生命線”的城市燃氣管道，因外壁腐蝕已進入事故多發(fā)期。鄭州市1995～1998年期間，城市燃氣管網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重腐蝕穿孔高達97處，每年投入200萬資金作為管道維護費用[10]。廣州市地下鋼質(zhì)燃氣管道在1991～2005年期間，因管道外壁腐蝕所發(fā)生的事故占15年總事故數(shù)的52.81%[11]。張家口市區(qū)DN400管線、DN200低壓管線、DN300中壓管道分別在2003年、2006年和2007年發(fā)生嚴(yán)重腐蝕穿孔[12]。由于城市燃氣管道通常埋在道路及行人走道下，管道腐蝕穿孔誘發(fā)的火災(zāi)、爆炸等事故，將造成城市設(shè)施的破壞和人員傷亡。

1.2 港口碼頭腐蝕問題

沿海、沿河城市的港口碼頭，一般承載了城市運輸貨物的重要職責(zé)。鋼筋混凝土作為支撐港口碼頭的主要結(jié)構(gòu)正被大量應(yīng)用。鋼筋混凝土因在堿性環(huán)境中表面會形成鈍化膜，曾被認(rèn)為腐蝕速率極低，其腐蝕程度可被忽略[13]。然而據(jù)統(tǒng)計，僅美國和英國混凝土中的鋼筋腐蝕失效所造成的經(jīng)濟損失就高達近2000億美元， Mehta教授在第二屆國際混凝土耐久會議上提出，當(dāng)今世界混凝土被破壞的首要原因為鋼筋腐蝕，而鋼筋腐蝕的誘因主要為氯離子的滲入及混凝土孔溶液PH值的下降[14,15]。港口碼頭中的其他鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境中的平均腐蝕速度達0.1～0.4mm/a，點蝕達0.5mm/a，有的局部腐蝕可達1mm/a[16,18]。武漢武鋼工業(yè)港的8、9號鋼管樁碼頭因多年使用已出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕，蝕坑明顯可見[19]。

1.3 儲油罐的腐蝕問題

隨著國內(nèi)城市的工業(yè)發(fā)展，石油化工行業(yè)興起的速度驚人，據(jù)資料表明，在2003年我國石化系統(tǒng)各類儲油罐有10000多座[20]。這些儲油罐多數(shù)用來存儲原油、輕質(zhì)油、粗制汽油等原料，但由于油中混有少量水、酸物質(zhì)、硫化物及細菌等，會使得罐體接縫處及缺陷處更加容易發(fā)生腐蝕。據(jù)統(tǒng)計，金屬儲罐一般運行10～20年就會發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕穿孔[21]，有的油罐才投入使用幾年就報廢了，難以達到預(yù)計的30年壽命。中國石油化工集團武漢石油化工廠原油罐區(qū)的103號原油罐是1983年修建，至1998年15年期間，原油罐底板發(fā)生腐蝕穿孔共計21次[22]。油罐區(qū)存放均為易燃易爆物質(zhì)，稍有泄漏后果不堪設(shè)想，據(jù)新聞報道，大連石化2010年103號油罐就發(fā)生兩次火災(zāi)，2011年11月大連新港的15萬噸原油罐發(fā)生大火，2013年6月2日大連石化再次出現(xiàn)儲罐爆炸事故。油罐安全隱患大，它引發(fā)的火災(zāi)將導(dǎo)致嚴(yán)重的人員死傷。

2 城市中較為常見的腐蝕類型

城市基礎(chǔ)設(shè)施腐蝕問題突出，2010年我國GDP約39.8萬億，因腐蝕造成的直接經(jīng)濟損失超過12000億元[23]。根據(jù)城市不同環(huán)境對基礎(chǔ)設(shè)施的腐蝕，一般可以分為大氣腐蝕、土壤腐蝕及海洋腐蝕。

2.1 大氣腐蝕

高架橋、城市軌道、海洋港口及油罐的外部腐蝕問題，多由大氣腐蝕造成。大氣中一般含有O2、CO2、SO2、水、氨化物、鹽粒及其他空中顆粒，SO2的存在能促進酸的再生，鹽粒能增加鋼結(jié)構(gòu)表面的吸濕性和導(dǎo)電性，煙?？梢晕教苛Ｔ黾铀?，這些成分的存在使得大氣具有了一定的腐蝕性[24]。近幾年因城市工業(yè)發(fā)展，大氣中含有的SO2約為農(nóng)村的2.5～4倍，硫化氫約為農(nóng)村的10～200倍，煙粒含量約為農(nóng)村的4～6倍[25]。在這樣的大氣條件下，當(dāng)空氣濕度達到50%～70%之間，鐵、銅、鋅等金屬的腐蝕量將急劇增加[24]，使得城市鋼架結(jié)構(gòu)表面腐蝕生銹、壁厚減薄。

2.2 土壤和海洋腐蝕

城市中的埋地鋼質(zhì)管道、電話電纜、電力電纜、埋入地下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等，由于長期與土壤接觸，腐蝕問題也日益突出。土壤一般含有水、無機酸、有機酸和礦物鹽，且土壤具有復(fù)雜多相結(jié)構(gòu)，這使得土壤具有較強的腐蝕性，在土壤充氣不足時容易引起埋地鋼結(jié)構(gòu)的氧濃差電池腐蝕[24,25]。由于土壤具有良好的導(dǎo)電性，一些直流電源漏出的雜散電流會借助土壤的導(dǎo)電性在地下形成通路，這些雜散電流的存在，通常是引起埋地電纜和混凝土鋼筋腐蝕的重要因素。加上土壤中微生物如硫酸鹽還原菌等的生物催化作用，使得埋入地下的城市設(shè)施只要稍有金屬基體暴露，腐蝕就會順利且快速進行,即使有防腐層的包覆，但微生物的存在會加快防腐層的降解[26]。有研究結(jié)果表明，大氣溫度、氣候的變化和土壤含水量會影響土壤的腐蝕性能[27,28]。

海水一般具有3%左右的含鹽量，是最佳的天然電解質(zhì)。海水中還含有一定溶氧和大量海洋附著生物，使得腐蝕環(huán)境尤為惡劣，加上潮汐、海浪、風(fēng)暴潮對港口碼頭和船舶的沖刷，使得鋼結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)電偶腐蝕、縫隙腐蝕以及磨損腐蝕。

3 陰極保護技術(shù)的應(yīng)用

早些年在國內(nèi)外，城市基礎(chǔ)設(shè)施的防腐工作較為簡單，橋梁、港口碼頭及油罐多停留在防腐涂料的涂刷，埋地管道采用環(huán)氧煤瀝青防腐層包覆，有的設(shè)施甚至沒有采取任何防腐措施就投入使用，結(jié)果使得事故多發(fā)。為降低事故率，人們開始尋求一種更為有效地防腐方法，涂層聯(lián)合陰極保護技術(shù)法[29～31]。陰極保護是一種電化學(xué)保護技術(shù)，它通過對被保護的金屬設(shè)施施加足夠的陰極保護電流，從而使金屬設(shè)施的腐蝕速率大幅度減小，甚至是完全的停止[32]。

3.1 陰極保護技術(shù)分類

陰極保護方法又可以被分為犧牲陽極法和外加強制電流法[33,34]。犧牲陽極法的優(yōu)點為安裝簡單、保護電流穩(wěn)定、一次投入可保護金屬設(shè)施多年且后期無需人員維護[35]。但是當(dāng)土壤、水質(zhì)的電阻率較高或設(shè)施所需保護電流較大時，犧牲陽極的方法就會受到限制，此時選擇外加強制電流法會比較適合。外加強制電流法輸出的電流較大而且可以調(diào)節(jié)、控制，不受介質(zhì)電阻率影響，但是與犧牲陽極的方法不同，它一次投入大，調(diào)試和后期維護復(fù)雜，需要配備專業(yè)維護人員和定期對基礎(chǔ)設(shè)施進行檢查。在選擇陰極保護方法對設(shè)施進行防腐時，可以根據(jù)被保護設(shè)施的電流需求量、安裝陽極介質(zhì)的電阻率以及是否方便后期維護進行選擇。

3.2 陰極保護技術(shù)在燃氣管道上的應(yīng)用

北京擁有城市燃氣管道超過5000km，1996年部分管道發(fā)生腐蝕穿孔，當(dāng)?shù)卣⒓磳C場路、清河等地區(qū)約260km的中壓管道施加了陰極保護技術(shù)，改造了之前的防腐方案，并要求1998～2003年新建的600km天然氣管道全部采取涂層聯(lián)合陰極保護的技術(shù)，到目前為止新建和維修的管道沒有再發(fā)生腐蝕穿孔[36]。存在同樣問題的鄭州市，通過采取外加電源深井陽極陰極保護技術(shù)改造了當(dāng)?shù)氐娜細夤艿婪栏桨福柚沽巳細夤艿赖母g穿孔[10]。陰極保護技術(shù)在燃氣管道的應(yīng)用較為廣泛，但也有一定難度，如何選擇適合的陰極保護方法，變得十分重要?？死斠莱菂^(qū)的燃氣管道建于2000年，并實施犧牲陽極法保護管道，但在投入使用4年后發(fā)現(xiàn)管道的保護電流極低，犧牲陽極幾乎失去保護管道的能力[37]。經(jīng)分析，克拉瑪依燃氣管道防腐層破損嚴(yán)重，犧牲陽極電流不足保護，建議添加外加電流保護方法保護管道。

3.3 陰極保護在港口碼頭及油罐上的應(yīng)用

我國港口碼頭的防腐在20世紀(jì)70年代時，多采用涂層聯(lián)合外加強制電流的陰極保護技術(shù)[35]，但隨著犧牲陽極研發(fā)的成熟，80年代后期，港口碼頭的防腐更傾向于選用犧牲陽極的陰極保護方法。北侖港礦石碼頭3、4泊位1981年選用了外加電流法保護碼頭，通過檢測數(shù)據(jù)得知，1988年碼頭保護有效，2001年鋼管樁壁減薄，2006年該保護失效。分析該保護失效原因，發(fā)現(xiàn)城市中時有的斷電現(xiàn)象是主要因素，為克服此因素，最后決定選用鋁合金犧牲陽極對該碼頭防腐方案進行改造[38]。巴基斯坦卡西姆港EPTL化學(xué)碼頭也采用鋁合金犧牲陽極，保護電位達到-1.028V，保護效果明顯[39]。獺山港碼頭從1999年建成開始使用Al-Zn-In-Mg-Ti合金作為犧牲陽極，至2009年對該碼頭進行檢測，發(fā)現(xiàn)平均保護電位仍有-993mV，水下鋼管樁未見腐蝕[40]。近年來犧牲陽極法使用廣泛，但在選用碼頭防腐方法時仍應(yīng)多考慮防腐方案的實用性，碼頭中的鋼筋可以考慮區(qū)域陰極保護，淡水中的碼頭防護就適合選用外加電流法，例如武鋼工業(yè)港8、9碼頭的防腐就采用此法[13,19]。

陰極保護方法也廣泛的應(yīng)用到了油罐的防腐技術(shù)中，根據(jù)土壤電阻率及周圍環(huán)境的不同，可以有針對性地選擇犧牲陽極的材料及形狀，如：深井陽極、混合金屬氧化物網(wǎng)狀陽極、鋁合金陽極、鎂帶陽極等，使選擇的犧牲陽極系統(tǒng)作為保護油罐區(qū)的防腐手段及舊油罐區(qū)的改造方法[41～43]。

4 小結(jié)

我國城市在早期建設(shè)的燃氣管道、港口碼頭及油罐等基礎(chǔ)設(shè)施中，少有施加陰極保護技術(shù)，這使得設(shè)施的涂層一旦破損，就無法阻止設(shè)施腐蝕的發(fā)生。目前，采用陰極保護技術(shù)聯(lián)合涂層對城市基礎(chǔ)設(shè)施實施防腐，是較為有效的方法，能減少城市的腐蝕問題，減輕城市基礎(chǔ)設(shè)施維護、維修的費用，為社會經(jīng)濟及人民安全作以保障。在陰極保護取得有效的成果后，它成為了城市燃氣管道、儲罐和油庫、電話電纜、電力電纜、海洋建筑、艦船、油井套管、混凝土鋼筋、水罐和鍋爐等設(shè)施構(gòu)建，設(shè)計時，不可分割的一部分。陰極保護技術(shù)雖然較為成熟，但是如何面臨不同的城市環(huán)境選擇最為有效、最為經(jīng)濟和有針對性地陰極保護方法還是目前一大難點。如若陰極保護方法選擇不合適，會加大城市基礎(chǔ)設(shè)施后期的維護和整改的費用及工程量，給城市生活帶來不便。

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Corrosion and Protection of City Infrastructure Projects

ZHANG Ting
(Hubei University of Technology Engineering And Technology College, Wuhan 430000, China)

The outline of National“Eleventh Five-year Plan”puts forward the planning which demands development urban agglomeration. In this case, A large number of city infrastructure projects were building up. However these facilities were faced with a lot of corrosion problems in the urban environment. This paper reviews the main types of corrosion that in the urban environment and corrosion of city infrastructure projects. Effective anticorrosion method were introduced in the report as well. In the end, some application examples of cathodic protection technology were enumerated, such as in the gas of pipeline, port and pier, and oil tank’s corrosion protection.

city infrastructure projects; corrosion; cathodic protection; application examples

TG174.46

A

張婷 (1987－) ，女，湖北武漢人，碩士，教師，主要從事物理化學(xué)教學(xué)工作以及腐蝕電化學(xué)方面的研究。