第一节　土壤性质及腐蚀评价

土壤性质包括物理性质和化学性质。物理性质虽然不直接参与腐蚀反应，但为腐蚀提供了条件，例如，土壤的孔隙率直接影响土壤中氧气的溶解和扩散，土壤的含水量使土壤中化学介质浓度变化。而化学性质包括pH值、离子浓度等，这些性质可能直接参与腐蚀反应。因此，根据土壤的性质可以判断它对地下管道腐蚀的强弱。

一、土壤的物理、化学性质

1.土壤的物理性质

土壤的物理性质主要包括土壤的胶体性质、土壤温度、土壤含水量、土壤容重、土壤孔隙率、土壤空气容量和土壤的颗粒等。

土壤含水量是决定金属在土壤中腐蚀行为的重要因素之一，它使金属在土壤中腐蚀行为更加复杂：一方面，水分使土壤成为电解质，为腐蚀电池形成提供条件；另一方面，含水量变化显著影响土壤的透气性等理化性质，进而影响金属的土壤腐蚀行为。

土壤中较大的孔隙率有利于氧渗透和水分保存，而氧和水分都是腐蚀初始发生的促进因素。透气性好可能加速腐蚀过程，但有时也可能使金属在土壤中更易生成具有保护能力的致密腐蚀产物层，阻碍金属的阳极溶解，又会减慢腐蚀速率。

2.土壤的化学性质

土壤的化学性质主要包括土壤酸碱度、可溶性盐总量以及碳酸根、氯离子、硫酸根、硝酸根等的含量。土壤的化学性质对金属腐蚀速率有较大影响。

土壤中氢离子的活度和总含量首先会影响金属的电极电位。在强酸性土壤中，它通过氢离子的去极化过程直接影响阴极极化。随着土壤酸度增高，土壤腐蚀性增加，氢的阴极去极化过程已能顺利进行，强化了整个腐蚀过程。

土壤含盐量与土壤腐蚀性强弱有一定的对应关系，它不仅对腐蚀介质导电过程起作用，还参与电化学作用，直接影响土壤腐蚀过程，因此有人根据含盐量的多少来评价土壤的腐蚀性。然而，土壤中的盐分不仅种类多，而且变化范围大，使土壤腐蚀机理更加复杂。一般来讲，含盐量越高，电阻率越小，宏观腐蚀速率越大。不同盐分对土壤腐蚀的贡献也不同。

3.土壤的电化学性质

土壤的电化学性质主要包括土壤电阻率、金属腐蚀电位、土壤电位梯度以及土壤氧化还原电位等。其中土壤电阻率和土壤氧化还原电位是评价土壤腐蚀的指标。

土壤电阻率是影响地下管道腐蚀的综合性因素，也是最重要的影响因素。一般土壤电阻率越小，土壤腐蚀性越强，因此有人根据土壤电阻率的高低来评价土壤腐蚀性的强弱。然而由于土壤含水量和含盐量在一定程度上决定着土壤电阻率的高低，它们并不呈线性关系，而且不同的土壤其含水量和含盐量差别较大，因此单纯地采用电阻率作为评价指标常常出现误判。

4.土壤中的微生物

土壤中含有较多微生物时，对金属在土壤中的腐蚀具有明显的促进作用。这类微生物主要有厌氧的硫酸盐还原菌和好氧的硫杆菌、铁细菌等。土壤中微生物对地下碳钢管道的腐蚀是在微生物的生命活动参与下所发生的腐蚀过程，微生物自身对碳钢并不具有直接的腐蚀作用， 而是其生命活动的结果参与腐蚀的间接过程。这种间接过程主要表现为新陈代谢的腐蚀作用（微生物能产生一些具有腐蚀性的代谢产物，如硫酸、有机酸和硫化物等，增强环境的腐蚀性）；微生物的活动影响电极的动力学过程（如硫酸盐还原细菌的存在， 能促进腐蚀的阴极去极化过程）；改变金属周围环境的状况（如氧浓度、盐浓度及pH值等），形成局部腐蚀电池；破坏保护性覆盖层的稳定性。

二、土壤理化分析

1.土壤样本采集与保存

因为地下管道埋设深度一般为1m以上，所以土壤样本应采集与地下管道埋设深度相同的土壤。利用环刀法采集计算土壤含水量和孔隙率时所需要的自然土壤：将环刀托放在已知重量的环刀上，环刀内壁稍擦上凡士林，将环刀刃口向下垂直压入土中，直至环刀筒中充满土样为止。用修土刀切开环周围的土样，取出已充满土的环刀，细心削平环刀两端多余的土，并擦净环刀外面的土。同时，在同层取样用于测定土壤含水量，把装有土样的环刀两端立即加盖，以免水分蒸发。土壤采集的环刀法示意如图2-1所示。

2.土壤含水量的测定

用灵敏度为0.1g的电子天平称得土样的质量，记录土样的湿质量m_t，在105℃烘箱内将土样烘6～8h至恒重，置于干燥皿中冷却1h，然后测定烘干土样，记录土样的干质量m_s，根据式（2-1）计算土样含水量。

　　（2-1）

式中，θ_m为土样的质量含水量，即土壤含水量， %。

3.土壤孔隙率的测定

土壤孔隙率是通过土壤密度和土壤容重计算出来的。其中，土壤容重根据式（2-2）计算：

　　（2-2）

式中，M为环刀与湿土的质量，g；G为环刀质量，g；V为环刀体积，cm³；w为土壤含水量， %。

土壤孔隙率通过式（2-3）计算，其中土壤的密度一般多在2.6～2.8mg/m³范围内，有机质含量高的土壤密度较低，计算时通常采用平均密度值。

　　（2-3）

4.土壤pH值的测定

测定土壤pH的仪器为pHS-3C型酸度计。称取通过2mm孔径筛的风干土样，按土样与蒸馏水2.5∶1混合，搅拌后静置30min后测定。将电极插入试样悬液中，静置片刻，按下读数开关，待读数稳定后记下的pH值即为土壤的pH值。

5.土壤可溶性盐离子的测定

称取通过2mm孔径筛的风干土样，按土样与蒸馏水5∶1混合，并经过一定时间振荡后，将水土混合液进行过滤。滤液作为可溶性盐分测定的待测液，然后按照检测标准对溶液中的离子含量进行分析，最后换算成土壤可溶性盐离子的含量。

6.土壤电阻率的测量

采用四电极法测量土壤电阻率，所谓四电极法即取四个接地电极在现场按直线排列，根据极间距离及测试仪读数即可求得土壤电阻率。测量仪器为ZC-8型探测仪，其具体操作方法如图2-2所示。

在被测区沿直线埋入地下4根探棒，彼此相距为a，探棒的埋入深度b不应超过a的1/20。打开两个E的联结片，用4根导线连接到相应的探棒上，摇动测量仪手柄产生交流电后，在仪表上读取数值R，则土壤电阻率可按式（2-4）计算：

ρ=2πaR　　（2-4）

式中，ρ为土壤电阻率，Ω·m；a为探棒距离，m；R为仪表读数，Ω。

7.土壤氧化还原电位的测量

测量仪器为pHS-3C型酸度计。以铂电极为指示电极、饱和甘汞电极为参比电极，测定时将电极插入土中平衡10min，并注意两电极靠近，以减小两电极间的电阻。仪器开关打开后，当1min内电位变化不超过1mV读数时，取出铂电极，清洗干净，重复测定，如此6～8次，弃去其中过高或过低的读数，取平均值。为了便于统一进行比较，将现场实际测得的电位E₁按式（2-5）换算成pH=7的氢标氧化还原电位E。

E=E₁+E_SCE+0.059（pH-7）　　 （2-5）

式中，E为氢标氧化还原电位，mV；E₁为现场实际测得电位，mV；E_SCE为饱和甘汞电极相对于标准氢电极的电位，mV；pH为实测土壤pH值。

三、土壤腐蚀性评价方法

由于土壤成分、结构的复杂性，人们一般依据影响土壤腐蚀性强弱的土壤理化性质判断土壤腐蚀性。土壤理化性质一般由土壤电阻率、氧化还原电位、pH值、含水量、土壤容重、氯离子、硫酸根离子、碳酸根离子、土壤含盐总量等几个指标表示。

1.单项评价指标

单项评价指标是依据土壤理化性质中某一指标来评价土壤腐蚀性强弱。不同国家和地区的腐蚀工作者采取的方法不同。国内外经常采用的单项评价指标见表2-1和表2-2。

从表2-1和表2-2可以看出，土壤电阻率越小，含盐量越大，含水量越高（12%～25%）；pH值越小，土壤腐蚀性就越强。由于土壤电阻率直接受土壤颗粒大小、含水量、含盐量的影响，多数情况下土壤电阻率可以反映出土壤的腐蚀性；土壤中含氧量与土壤湿度和结构有密切关系；土壤pH值和土壤中微生物与土壤所处地域有关系。在所有土壤理化性质指标中，除了考虑土壤电阻率、土壤中含氧量、土壤pH值外，对于土壤细菌较多的场合，还应该考虑土壤中微生物的影响。

土壤电阻率由于其测定方法简便，因此比其他几种指标评价方便。虽然采用单项指标评价土壤腐蚀性有一定局限性，但作为一般性判断，还是有一定的参考价值，特别是在土壤腐蚀的主要因素相同、规律相近的情况下，利用主要因素进行评价是有积极意义的。

2.综合评价指标

综合评价指标，就是选择某些对金属腐蚀影响比较严重的土壤理化性质进行综合考虑，采用打分的方式评价。目前常用的有德国的DIN 50929和美国的ANSIA 21.5综合评价法。德国的DIN 50929打分法具体情况见表2-3～表2-5。

表2-4中，B₀=Z₁+Z₂+Z₃+Z₄+Z₅+Z₆+Z₇+Z₈+Z₉；B₁=B₀+Z₁₀+Z₁₁。根据表2-3和表2-4的经验数据可评估腐蚀可能性能，给出大致的平均值。一旦在外来阴极的作用下形成腐蚀电池，腐蚀的危险将非常高，并且主要与阴、阳极的面积比有关。形成外来阴极腐蚀电池的几种情况如下：

①管线与结构件存在持续的电性连接；

②外来阴极与构筑物构成电性接触，如埋地的混凝土结构件、铜接地极和相似的构件；

③结构/土壤的大于-0.5V；

④若电池回路断开，结构/土壤的电位向负方向变化。

表2-5中，B_E=Z₁+Z₂+Z₄+Z₅+Z₆+Z₇+Z₈+ Z₁₂。该公式主要由土壤样品的评价结果与腐蚀电池电位两项构成。

综上所述，正确合理地评价土壤腐蚀是一项重大的基础性工作。土壤是一种组成和性质十分复杂的体系，土壤的腐蚀性是各种因素协同作用的结果。

3.土壤性质与腐蚀评价实例

对陕西省不同区域的土壤进行调查，并对土壤进行理化分析，结果见表2-6。由表2-6可见，土壤各主要指标有如下特点。

榆林、延安、铜川大部分地区含水量较低，小于10%；宝鸡、渭南、商洛、汉中大部分地区的含水量在10%以上，全省土壤含水量有明显的地域特点，即陕北土壤的含水量较低，而关中、陕南较高。造成上述现象的原因主要与当地的地理位置、年降水量、蒸发量、地下水位、土壤的种类等有关。

榆林、延安、铜川、宝鸡、渭南、安康6个地区的pH值均大于7.0，商洛、汉中有4个地点的pH值小于7。

不同地区平均土壤电阻率由高到低的次序为：榆林地区最高，其次为延安地区，再次为铜川地区，其余地区除个别检测点外均较低，这一特性与当地土壤的总含盐量等有关。渭南和宝鸡的Cl^-含量较高。

陕西省土壤腐蚀性评价　单项指标判断虽然简单，但评价结果相差较大，容易引起错误。例如，安康地区的金州测试点，按照含水量判断其腐蚀性属于低级，然而按照土壤电阻率判断其腐蚀性又属于高级，出现明显的矛盾。

相比而言，综合评价指标法较为准确。按照德国的DIN 50929标准（表2-3）对陕西省土壤的腐蚀性进行打分，并对其腐蚀性进行评价，见表2-7。

从表2-7可以看出，以局部腐蚀为研究对象，低腐蚀等级有4个，占13.33%，并且全部分布在榆林地区；中等腐蚀程度仅有1个，占3.33%，分布在榆林地区；高腐蚀等级程度有10个，占33.33%，除榆林外，其余地区均有分布，并且铜川地区均为该等级；很高腐蚀等级的有15个，占到全部数量的50%。以全面腐蚀为研究对象时，很低腐蚀等级有5个，占16.67%；中等腐蚀等级有10个，占33.33%；加速腐蚀等级有15个，占50%。由以上讨论发现，陕西省独有的地理位置以及自然条件是导致陕西省土壤条件南北差异巨大、土壤性质迥异的原因。陕西省土壤的腐蚀性也因此出现较大差异。