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金属土壤腐蚀电化学研究方法概述赵 平 银耀德 (沈阳工业学院专科学校化工系) (中国科学院金属腐蚀与防护研究所)1 引 言土壤腐蚀研究是一项十分困难的工作,虽然早在本世纪初发达国家就已开始,然而时至今日,仍不能形成一个比较完整的理论。
其主要原因是因为作为腐蚀介质的土壤与一般腐蚀介质相比,具有多相性[1]、不流动性[1]、不均匀性[1,2]、时间季节性或地域性[3]等等诸多特点,并且由于土壤中微生物和有机质等的存在并参与反应,就更加剧了土壤腐蚀研究的复杂性[4]。
但总的说来,绝大多数土壤腐蚀都属于电化学腐蚀的范畴[1,2],即使是由于细菌等微生物引起的腐蚀,它们也是通过改变土壤/金属界面间的电化学过程而起作用的。
因而,传统的埋样失重法,虽然能在一定时期得到一定区域内土壤腐蚀性较客观真实的数据,但由于其试验周期长,不能反映土壤腐蚀过程的细节,不能得到土壤腐蚀动力学方面的信息,因而无法适应对土壤腐蚀深入研究的需要。
而由于土壤腐蚀的电化学性,这就使得一些经典的电化学测试方法在其研究中得到了较多的应用。
2 土壤腐蚀电化学研究方法在土壤腐蚀研究中,用得较活跃的电化学方法不外乎有以下几种:①极化电阻(Rp)测量法,②极化曲线法,③电化学交流阻抗法(EIS)。
下面就其优缺点分别加以论述:(1)Rp法土壤腐蚀研究中常采用极化电阻技术[5],其测量的理论依据为Stern-G eary 公式[6]:Rp=βaβc213(βa+βc)I corr=△E△I=BI corr(1—1)式中:βaβc分别为腐蚀电极的阳极和阴极塔菲尔斜率;I corr为腐蚀电流密度;△E:外加极化电位;△I:极化电位下的电流密度;式(1—1)是在极化曲线自腐蚀电位(Ecorr)附近作线性近似而得来的,而线性近似常会带入一定的理论误差,加之(1—1)式中的βc只能指某一阴极过程的Tafel 常数,而土壤腐蚀体系中,阴极过程可能不只一个,有时还受到活化———浓差的混合控制,因此限制了式(1—1)在土壤腐蚀研究中的运用。
这种腐蚀，时时都在发生——土壤腐蚀知多少摘要：精确的设计，良好的制造环境以及合适的防护等级是应对土壤腐蚀造成不利影响的有效措施。
和其他环境相同，土壤也具有腐蚀性。
在腐蚀工程中，大量埋于地面下方的结构物（如容器、储油箱和管道等）都会受到土壤腐蚀的影响。
尽管土壤腐蚀会带来经济上的损失并造成结构物的失效，我们可以通过在设计和制造环节使用各种措施来避免土壤腐蚀造成的不良影响。
在此之前，我们应先了解何为土壤腐蚀。
什么是土壤腐蚀？土壤腐蚀是一个十分复杂的过程，其中包含了多个变量因素，比如与土壤中的某些元素发生的化学反应。
此外，土壤特性中存在的变量会对埋地结构物中发生的腐蚀活动具有重大影响。
又如碳素钢受土壤腐蚀影响的表现会被土壤性质以及环境中（如氧气和水分）其他因素所影响。
此类因素能严重影响腐蚀速率以及腐蚀的严重程度。
在某些极端案例中，土壤腐蚀能在短短一年间使埋地容器发生穿孔现象。
那土壤腐蚀中的关键因素都有哪些？一般来说，通过观察下列因素能帮助我们判定土壤腐蚀性的强弱：是否具有强导电性是否具有高水分含量是否具有高溶解盐含量和酸性土壤腐蚀一般会发生于埋于地下的储油罐，缆线，地基和各种输送管道中。
不过，任何与土壤有接触的结构物都应被视为会受土壤腐蚀的影响。
土壤腐蚀问题由腐蚀引起的破坏能够造成数十亿美元的经济损失，其中大多数的损失都与埋地的金属或钢结构受腐蚀影响而被破坏有关。
在多数此类腐蚀案例中，腐蚀速率极快、程度极其严重，以至于结构物会造成严重的损坏。
因此，除了了解该如何减轻、应对土壤腐蚀造成的影响以外，我们还应清楚土壤腐蚀发生的机理。
以下列出了一些重要的有关土壤腐蚀的基本事项。
土壤的腐蚀性与所含空气量，盐含量，保水性，土壤酸度以及土壤中存在的离子种类有关。
现在让我们一同再深入地了解一下这些基本因素吧！存在于土壤中的空气量存在于土壤中的空气量是腐蚀中的一个重要因素，会影响土壤的蒸发率及保水率。
含空气量较多的土壤，由于蒸发率较高，保水率较低，因而不易受腐蚀的影响。
金属材料在土壤中的腐蚀速度与土壤电阻率
金属材料在土壤中的腐蚀速度与土壤电阻率有十分密切的关系。
一、金属材料在土壤中的腐蚀：
1.金属材料在土壤中普遍存在腐蚀问题，包括钢材，黄铜，锌，铝，铅等金属材料都会受到土壤环境的腐蚀。
2.金属材料在土壤中会受到氧化腐蚀、氢化腐蚀、电化学腐蚀等多种机理的作用，引起金属材料的降解，影响金属材料的性能和使用寿命。
二、金属材料腐蚀速度的动力学表达式：
1.实验表明，土壤中金属材料的腐蚀速度可以用以下动力学表达式表示：dmdt = Ja VLc−2，其中J为土壤电解质浓度，a为金属材料特定的活化能，V为溶液中金属离子浓度，L为溶质在溶液中的可溶性材料量，c
为金属材料的表面积。
2.从上式可以看出，土壤中金属材料的腐蚀速度与土壤电性环境有关，土壤电性环境好的情况下，金属材料的腐蚀会比较快，反之，相应的
腐蚀速度也会减慢。
三、调控金属材料在土壤中的腐蚀：
1.为了降低金属材料在土壤中的腐蚀，要考虑用不同的形式调控土壤电阻率，尽可能将土壤电性环境变为中性环境，从而减少金属材料的腐蚀速率。
2.为此，可以采用活性炭或活性石墨等表面活性剂，或者增加碱类物质的添加量，或者采用腐蚀抑制剂等实施腐蚀防护，从而达到减缓材料在土壤中的腐蚀速率的效果。
四、结论：
金属材料在土壤中的腐蚀速率与土壤电阻率有着密切的关系，采取相应的技术措施，可以有效地抑制金属材料在土壤环境中的腐蚀，保证金属材料正常使用。
2019年10月第43卷第10期Vol.43No.10Oct.2019 MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERINGDOI：10.11973/jxgccl201910004Q235钢在3种典型土壤环境中的腐蚀行为朱亦晨I,刘光明「，刘欣S裴锋S田旭2,甘鸿禹'(1.南昌航空大学材料科学与工程学院，南昌330063；2.国网江西省电力有限公司电力科学研究院，南昌330096)摘要：选择取自武汉的近中性黄棕壤、取自天津的碱性盐碱土和取自南昌的酸性红壤作为腐蚀介质，对Q235钢进行室内模拟加速腐蚀试验，对比研究了试验钢的腐蚀速率、腐蚀形貌和腐蚀产物组成,分析了其腐蚀机理。
结果表明：在3种土壤中试验钢均发生了不均匀的全面腐蚀和局部点蚀。
腐蚀产物外层结构疏松，主要由Fe2O3、FeOOH组成；内层结构致密，主要由FqO。
组成。
在碱性盐碱土中，试验钢表面形成了结构完整的腐蚀产物层，抑制了阴极的耗氧反应，腐蚀速率最低;酸性红壤中较高浓度的H+促进了阴极析氢反应的进行以及裂纹的产生，试验钢腐蚀速率最高；在腐蚀后期，试验钢表面形成了致密的Fe3O4内锈层，因此腐蚀15d时的腐蚀速率大于腐蚀30d时的。
关键词：Q235钢；土壤；加速腐蚀试验；电化学反应中图分类号：TG172文献标志码：A文章编号：1000-3738(2019)10-0015-05Corrosion Behavior of Q235Steel in Three Typical Soil Environments ZHU Yichen1,LIU Guangming1,LIU Xin2,PEI Feng2.TIAN Xu2.GAN Hongyu1(1.School of Materials Science and Engineering,Nanchang Hangkong University,Nanchang330063,China；2.State Grid Jiangxi Electric Power Research Institute,Nanchang330096,China)Abstract:The near-neutral yellow brown soil from Wuhan,the alkaline saline-alkali soil from Tianjin and the acid red soil from Nanchang were selected as corrosive media.The indoor simulated accelerated corrosion test of Q235steel was carried out.The corrosion rate,corrosion morphology and corrosion product composition of the test steel were compared,and the corrosion mechanism was analyzed.The results show that the test steel in all the three soils had uneven comprehensive corrosion and local pitting.The outer layer structure of the corrosion products was loose,mainly composed of Fe2C)3and FeOOH.The inner layer structure was dense and mainly composed of Fe3O4.In the alkaline saline-alkali soil,a structurally complete corrosion product layer was formed on the surface of the test steel,which inhibited the oxygen-consuming reaction of the cathode；the corrosion rate was the lowest.The higher concentration of H"in acid red soil promoted the process of the cathodic hydrogen evolution reaction and the generation of cracks；the corrosion rate of the test steel was the highest In the later stage of corrosion,the dense inner rust layer of Fe3O4was formed on the surface of the test steel；the corrosion rate of the test steel during15d was higher than that during30d.Key words:Q235steel；soil；accelerated corrosion test；electrochemical reaction0引言变电站的接地网装置铺设于地底，通过地下引收稿日期：2018-09-28；修订日期：2019-09-03基金项目：国家自然科学基金资助项目(51961028);国家电网公司科技项目(52182017000Y)作者简介:朱亦晨(1996—)，男，江西萍乡人，硕士研究生通信作者(导师)：刘光明教授线与电力设备连接，是电力设备泄流的重要通道口切。
土壤中重金属的氧化
首先，自然氧化是指重金属在土壤中与氧气发生化学反应的过程。
土壤中的氧气和水分会与重金属发生氧化反应，形成氧化物或
氢氧化物。
这些氧化物或氢氧化物通常以固体形式存在于土壤中，
对土壤质地和化学性质产生影响。
其次，人为氧化是指人类活动导致土壤中重金属发生氧化的过程。
工业排放、农药施用、废弃物填埋等活动都可能导致土壤中重
金属的氧化。
例如，工业废气中的氧化物和气溶胶经过降水沉降到
土壤中，与土壤中的重金属发生氧化反应。
此外，长期施用含有重
金属的化肥和农药也会导致土壤中重金属的氧化。
重金属的氧化对土壤环境和生态系统具有重要影响。
一方面，
氧化后的重金属通常具有较高的毒性和生物有效性，对土壤微生物、植物生长和生态系统稳定性产生不利影响。
另一方面，氧化后的重
金属也更容易迁移和积累，可能对地下水和周围水体造成污染。
为了减少土壤中重金属的氧化，可以采取一系列措施。
例如，
加强工业废气治理，减少重金属排放；合理使用化肥和农药，避免
重金属的过量积累；开展土壤修复和植被恢复工作，减少土壤中重
金属的生物有效性。
此外，也可以通过监测和评估土壤中重金属的氧化情况，及时采取措施进行治理和修复。
综上所述，重金属的氧化是一个复杂的过程，需要综合考虑自然和人为因素，以及其对土壤环境和生态系统的影响，才能有效进行管理和控制。
接地网土壤腐蚀性评价导则接地网作为电力系统中的重要组成部分，承担着将电气设备接地并将电流回归到地面的任务。
然而，由于接地网经常处于地下或潮湿环境中，容易受到土壤的腐蚀，导致接地网的寿命缩短，影响电力系统的安全稳定运行。
因此，对于接地网的土壤腐蚀性评价至关重要。
本文将介绍如何进行接地网土壤腐蚀性评价。
一、土壤腐蚀性的因素土壤腐蚀性评价需要考虑多方面的因素，主要包括以下几个方面：1.土壤成分。
不同成分的土壤对金属材料的腐蚀性不同。
如含有酸性物质的土壤会加速金属的腐蚀速度。
2.土壤含湿量。
土壤过于干燥或潮湿都会影响材料腐蚀，因此需要考虑土壤的含湿量。
3.土壤温度。
土壤温度高会加快腐蚀速度，因此需要考虑所处地区的气温变化。
4.材料性质。
不同种类的金属材料对土壤的腐蚀性也有不同的影响，因此需要选择合适的材料对土壤腐蚀性进行评价。
二、评价指标在进行土壤腐蚀性评价时，常用的指标有以下几个：1.重量损失率。
通过比较材料在不同条件下的重量差别，计算腐蚀速率和腐蚀深度。
2.电化学方法。
通过材料的电化学特性和反应速率来评价土壤中对金属材料的腐蚀性。
3.物理方法。
通过对材料表面形貌及颜色等性质的观察，来评价其受到腐蚀的程度。
三、评价步骤进行接地网土壤腐蚀性评价的步骤如下：1.确定评价标准。
根据评价的需要，选择相应的评价指标，并建立评价标准。
2.采集土壤样品。
根据评价指标中所需要的温度、湿度等条件，采集相应的土壤样品。
3.制备试样。
根据实际情况，选择相应的材料制备成试样。
4.测试试样。
将试样埋入土壤中，按照相应的方法和条件进行测试。
5.分析数据。
根据测试结果，计算出相应的评价数据，以便进行分析。
6.得出。
通过对分析结果的比较和分析，得出评价。
四、保护措施为了保护接地网不受到土壤腐蚀，需要采取以下措施：1.防止土壤和水的直接接触。
可以采用防渗墙等措施进行防护。
2.定期清理。
对于长期埋在土壤中的接地网，需要定期进行清理和防护。
金属在土壤中的腐蚀
林清枝
金属在大自然中经常遭到的各种电化学腐蚀、如大气腐蚀、土壤腐蚀和海水腐蚀等。
这些腐蚀有个共同特点，即主要是吸氧腐蚀（电化学腐蚀中，是氧分子接受电子），但它们又具有各自的规律。
如今，随着现代比城乡建设，地下设施日益增多，金属构件遭到的腐蚀日趋严重，研究并了解土壤的腐浊规律显得有格外意义。
由于土壤的组成及结构的复杂性，其腐蚀远比大气腐蚀复杂得多，本文仅就土壤的腐蚀类型作些分析。
常见的土壤腐蚀有：
一、差异充气引起的腐蚀
由于氧气分布不均匀而引起的金属腐蚀，称为差异充气腐蚀。
土壤的固体颗粒含有砂子、灰、泥渣和植物腐烂后形成的腐植土。
在土壤的颗粒间又有许多弯曲的微孔（或称毛细管），土壤中的水分和空气可通过这些微孔而深入到土壤中的水分和空气可通过这些微孔而深入到土壤内部，土壤中的水分除了部分与土壤的组分结合在一起，部分粘附在土壤的颗粒表面，还有一部分可在土壤的微孔中流动。
于是，土壤的盐类就溶解在这些水中，成为电解质溶液，因此，土壤湿度越大含盐量越多，土壤的导电性就越强。
此外，土壤中的氧气部分溶解在水中，部分停留在土壤的缝隙内，土壤中的含氧量也与土壤的湿度、结构有密切关系，在干燥的砂土中，氧气容易通过,含氧量较高;在潮湿的砂土中, 氧气难以通过，含氧量较低.；在潮湿而又致密的粘士中，氧气的通过就更加困难，故含氧量最低。
埋在地下的各种金属管道，如果通过结构和干湿程度不同的土壤将会引起差异充气腐蚀，假如，铁管部分埋在砂士中，另一部分埋在粘土中，由腐蚀电池阳极Fe-2e→Fe2+
阴极1
2
O2+H2O＋2e→2OH-
不难看出，因砂土中氧的浓度大于粘士中氧的浓度，则在砂土中更容易进行还原反应，即在砂土中铁的电极电势高于在粘土中铁的电极电势，于是粘土中铁管便成了差异充气电池的阳极而遭到腐蚀。
同理，埋在地下的金属构件，由于埋设的深度不同，也会造成差异充气腐蚀，其腐蚀往往发生在埋得深层的部位，因深层部位氧气难以到达，便成为差异充气电池的阳极,那些水平放置而直径较大的金属管，受腐蚀之处亦往往是管子的下部，这也是由差异充气所引起的腐蚀。
二、微生物引起的腐蚀
如果土壤中严重缺氧，又无其他杂散电流，按理是较难进行电化学腐蚀的，可是埋在地下了的金属构件照样遭到严重的破坏，有人曾在电子显微镜下观察被土壤腐蚀的金属，发现有种细菌，其形状为略带弯曲的圆拄体，长度约为 2 ×10-6m，并长有一根鞭毛。
细菌依靠鞭毛的伸曲，使其躯体向前移动。
由于它
依赖于硫酸盐还原反应而生存的，所以人们称它为硫酸盐还原菌。
它对金属腐蚀作用的解释，率先由屈菲(Kuhv)提出，在缺氧条件下，金属虽然难以发生吸氧腐蚀,但可进行析氢腐蚀（电化学腐蚀中，有氢气放出）。
只是因阴极上产生的原子态的氢未能及时变为氢气析出，而被吸附在阴极表面上，直接阻碍电极反应的进行，使腐蚀速率逐渐减慢。
可是，多数的土壤中都含有硫酸盐。
如果有硫酸盐还原菌存在，它将产生生物催化作用，使SO42-离子氧化被吸附的氢，从而促使析氢腐蚀顺利进行。
整个过程的反应如下：
阳极4Fe-8e = 4Fe2+
阴极8H++8e＝8H（吸附在铁表面上）
SO42-+8H还原菌
−−S2-+4H2O
−→
Fe2++S2- = FeS（二次腐蚀产物）
+)3Fe2++6OH- = Fe(OH)2（二次腐蚀产物）
___________________________________________
总反应:4Fe+SO42-+4H2O = FeS+3Fe(OH)2+2OH-
其腐蚀特征是造成金属构件的局部损坏，并生成黑色而带有难闻气味的硫化物。
硫酸盐还原菌便是依靠上述化学反应所释放出的能量进行繁殖的。
据目前研究，能参与金属腐蚀过程的细菌不止一种，它们并非本身使金属腐蚀，而是细菌生命活动的结果间接地对金属电化学腐蚀过程产生的影响。
例如，有的细菌新陈代谢能产生某些具有腐蚀性的物质（如硫酸、有机酸和硫化氢等),从而改变了土壤中金属构件的环境；有的细菌能催化腐蚀产物离开电极的化学反应，致使腐蚀速率加快。
此外，许多细菌还能分泌粘液，这些粘液与土壤中的土粒、矿物质、死亡细菌、藻类以及金属腐蚀产物等粘合并形成粘泥，覆盖在金属构件的表面，因局部缺氧成为差异充气电池的阳极，从而遭到严重的孔腐蚀。
腐蚀性细菌一般分为喜氧性菌（又称嗜氧性菌）和厌氧性菌两大类。
增氧性菌必须在有游离氧的环境中生存，如喜氧性氧化铁杆菌，它依靠金属腐蚀过程中所产生的Fe2+氧化成Fe3+时所释放的能量来维持其新陈代谢，它存在于中性含有有机物和可溶性铁盐的水、土壤及锈层中，其生长温度为20－25℃，pH在7－7.4 之间。
又如喜氧性排硫杆菌，能将土壤中的污物发醇所产生的硫代硫酸盐还原为硫元素；而喜氧性氧化硫杆菌又可把元素硫氧化为硫酸，从而加快金属的腐蚀。
这类细菌常存在于土壤、污水及泥水中，其生长温度为28－30℃,PH为2.5－3.5。
厌氧性菌必须在缺乏游离氧的条件下才能生存，如硫酸盐还原菌是种常见的厌氧性菌.它是地球上最古老的微生物之一，其种类繁多，广泛存在于中性的土壤、河水、海水.油井、港湾及锈层中，它们的共同特点是把硫酸盐还原为硫化物，生长适宜温度为30℃,PH在7.2－7.5.
喜氧性菌和厌氧性菌虽然生存条件截然不同，但往往在喜氧性菌腐蚀产物所造成的局部缺氧的环境中，厌氧性菌亦可以得到繁殖的机会，这种不同性质细菌的联合腐蚀常发生于水管内壁，在那里，首先是氧化铁杆菌将水管腐蚀溶解下来的Fe3+，并形成Fe(OH)3沉淀，其沉淀附着在水管内壁生成硬壳状的锈瘤。
瘤下的金属表面缺氧，恰好为硫酸盐还原菌提供生存与繁殖的场所。
这样，两类细菌相辅相成，更加快了瘤下金属的溶解。
有人取下锈瘤，经分析发现其中的腐蚀产物含有1.5％－2.5％的硫化物，每克腐蚀产物中约含有1000条硫酸盐还原菌。
此外，还有一些腐蚀性细菌不论有氧或无氧的环境中均能生存，如硝酸盐还原菌，能把土壤中的硝酸盐还原为亚硝酸盐和氨。
它的生长温度为27℃，pH为
5.5－8.5。
如今发现，由微生物引起的腐蚀广泛地存在于地下管道、矿井、海港、水坝以及循环冷却系统的金属构件和设备中，给冶金、电力、航海、石油及化工等行业带来极大的损失.因此,近十多年来,对如何控制微生物腐蚀的研究日益引起有关部门的高度重视，越来越多的人从事这方面的考察与研究，已取得了可喜的进展。
三、杂散电流引起的腐蚀
由于某种原因，一部分电流离开了指定的导体，而在原来不该有电流的导体内流动，这一部分电流，称为杂散电流。
它主要来自于电气火车、直流电焊、地下铁道及电解槽等电源的漏电。
由杂散电流引起的腐蚀，如在金属制作的电解槽中进行电解时，正常情况下电流应从正极通过电解液流向负极。
但也有可能有部分电流先从正极流向靠近正极的金属槽壁，然后从靠近负极的电解壁流出，并通过溶液回到负极.这样，电流在从金属电解槽壁流出之处便成为阳极而遭到腐蚀.又如电气火车顶上有根架空线，其作用是接受从电站正极输入的直流电，经过车厢后从地面铁轨回到电站的负极。
如果各段铁轨间连接良好,则大部分电流能通过路轨回到电站.要是路面不平,路轨间连接又不好,而地面又潮湿,这时将有部分电流流入地下，通过埋在路轨下的金属管道或其他金属设施，最后返回路轨到电站的负极。
这时，路轨下出现两个串联的大电解池。
根据电流的流动方向，一个电解池的阳极是铁轨，阴极是地下管线；另一电解池的阳极是地下管线，阴极是路轨。
前者腐蚀的是路轨，暴露在地面上，易被发现，维修也方便；后者腐蚀的是地下管线，不易被发现，且维修也不便，问题更为严重。
此外，杂散电流也能引起钢筋混凝土结构的腐蚀，尤其冬季施工,为了防冻而在混凝土中加入氯化物(如NaCl、CaC12），其腐蚀就更为严重。
可见，土壤腐蚀同样既广泛又严重，研究并了解各类土壤的腐蚀规律，其目的在于防腐。
