时间：2022-10-01 04:27:36
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇金属腐蚀与防护论文，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
【关键词】天然气；管道运输；防腐措施
中图分类号：U473文献标识码： A
一、天然气管道腐蚀的因素
（1）土壤腐蚀因素。土壤是具有固、液、气三相的多孔性的胶质体，土壤的空隙被气和水充满，水中含有一定的盐使土壤具有离子导电性。由于管道所埋土壤各处的物化性质不同、管道各部分的金相结构不同，如晶格缺陷、杂质、内部应力、表面粗糙程度等原因，一部分金属易电离，带正电的金属离子进入土壤中，从而该段电子过剩电位变负；而另一部分金属不容易电离，电位变正，从而在两段间发生电子流动即发生氧化还原反应。失去电子的管道段成为阳极区，得到电子管道段则成为阴极区，并和土壤一起组成回路，形成了电化学电流即腐蚀电流，从而产生了土壤腐蚀。
（2）管道腐蚀因素。长输埋地管道表面大都包裹有防腐层，将钢管和腐蚀介质隔离，切断电化学腐蚀电池的电路。 土壤腐蚀性介质从而浸入管体外壁，引起管道外腐蚀，再加上阴极保护不善，杂散电流的影响等均会使管道遭受腐蚀。
（3）金属材料因素。金属化学稳定性、合金成分、金属表面状态等都会影响金属材料的腐蚀性 。
（4）大气腐蚀。大气中含有水蒸气会在金属表面冷凝形成水膜，这种水膜由于溶解了空气中的气体及其它杂质，可起到电解液的作用，使金属表面发生电化学腐蚀。影响大气腐蚀的自然因素除污染物外还有气候条件。在非潮湿环境中，很多污染物几乎没有腐蚀效应。假如相对湿度超过80% ，腐蚀速度会迅速上升。因此，敷设在地沟中的管道或潮湿环境的架空管道表面极易锈蚀。
（5）细菌腐蚀 。细菌腐蚀也称微生物腐蚀，参与管道土壤腐蚀过程的细菌通常有硫酸盐还原菌、氧化菌 、铁细菌 、硝酸盐还原菌等。其中厌氧性硫酸盐还原菌最具代表性。它在pH6～ 8 碱性和透气性差的土壤中繁殖，广泛地分布在海、 河 、湖泊水田、 沼泽的淤泥中， 它利用自身的生息，将硫酸盐离子还原，同时促进阴极反应，生成硫化铁等腐蚀产物，覆于管道表面，形成二次的局部腐蚀（孔蚀），所以在硫酸盐还原菌腐蚀的现场，土壤颜色发黑，有硫化氢臭味。
（6）杂散电流腐蚀 。流散于大地中的电流对管道产生的腐蚀，又名干扰腐蚀，是一种外界因素引起的电化学腐蚀 。管道腐蚀部位由外部电流的极性和大小决定，其作用类似电解杂散电流从原油管道受电气化铁路的杂散电流腐蚀。在建成后约4个月即遭电流腐蚀穿孔交流电引起的腐蚀是在管道沿高压输电线敷设时，因电磁耦合在管道上感应的交流电所造成的，对人体和设备均有危害。
二、管道腐蚀防治措施
针对以上腐蚀原因提出相应防腐措施如下：
（1）涂层防护。涂层防护是管道防护最基本的方法。它的主要原理在于采用一些特殊材料涂抹到管道外侧，起到隔离金属管道的作用，腐蚀性物质无法与金属直接接触，因而起到防腐的作用。值得注意的是，有些管道在架设过程汇总不可避免的经过一些环境比较恶劣的地区，因此这就对涂膜材料的选择提出了要求。一般来说，涂膜材料应该满足以下几个要求：材料自身性能稳定，不会与周围腐蚀性物质发生反应，水的渗透率低，防止水与管道的接触，耐微生物腐蚀能力强，出现问题时方便修复，成本低，可以大规模使用，满足防腐要求的前提下满足工程要求。
（2）改善金属的本质。根据不同的用途选择不同的材料组成耐腐蚀合金，或在金属中添加合金元素，提高其耐蚀性，可以防止或减缓金属的腐蚀。例如，在钢中加入镍制成不锈钢可以增强钢的防腐蚀能力。
（3）电化学保护法。将被保护金属极化成阴极来防止金属腐蚀的方法。1928年第一次用于管道是将金属腐蚀电池中阴极不受腐蚀而阳极受腐蚀的原理应用于金属防腐技术上，利用外施电流迫使电解液中被保护金属表面全部阴极极化，则腐蚀就不会发生。判定管道是否达到阴极保护的指标有两项：一是最小保护电位，它是金属在电解液中阴极极化到腐蚀过程停止时的电位，其值与环境等因素有关，常用的数值为-850毫伏 （相对于铜-硫酸铜参比电极测定）；二是最大保护电位，即被保护金属表面容许达到的最高电位值。
（4）改善环境。改善环境对减少和防止金属腐蚀有重要作用。例如，减少腐蚀介质的浓度，除去介质中的氧，控制环境温度、湿度等，都可以减少和防止金属腐蚀；也可以采用在腐蚀介质中添加能降低腐蚀速率的物质（缓蚀剂）来减少和防止金属腐蚀。
（5）电蚀防止法。一是在杂散电流源有关设施上采取措施，使漏泄电流减小到最低限度；二是在敷设管道时尽量避开杂散电流地区，或提高扰管段绝缘防腐层质量，采用屏蔽、加装绝缘法兰等措施；三是对干扰管道作排流保护，即将杂散电流从扰管道排回产生漏泄电流的电网中，以消除杂散电流对管道的腐蚀。
三、天然气管道腐蚀防治改进措施探讨
当前，相对国外管道防腐较为先进的技术而言，我国对城市天然气管道腐蚀防治的研究还存在着一些问题急需解决，管道防腐技术还有待改进。
3.1 积极开发管道防腐材料
我国当前所使用的管道防腐材料虽然基本已经实现了国产化，但是由于技术上的缺陷，所生产出来防腐材料难免会出现一些问题。因此，我们要加大对管道防腐材料的研究力度，通过借鉴国外先进的技术，结合国内的实情，运用到生产实践当中去，生产出高质量的材料来更好的进行管道腐蚀的防护。
3.2 积极提升腐蚀管道的定位技术
进行天然气管道腐蚀程度的测量需要我们拥有一个完善的防腐数据库管理系统，我们要不断的加强腐蚀管道的定位能力，使得腐蚀管道的定位快速而准确，这样才能够有效的找出天然气管道的安全问题，排除安全隐患。当前我国在这一方面的技术和先进国家相比还存在着很大的差距，对管道防腐检测技术投入足够的精力，才能够缩小和国外技术上的差距，增强我国管道腐蚀检测的实力。
3.3 确保阴极的准确到位
在对管道进行电化学反应保护时我们要确保阴极的准确到位，才能够保障腐蚀的是充当阳极的其他金属，而不是消耗阴极的管道金属。要确保阴极的准确到位，我们必须要关注阴极保护的关键参数。保护电流和保护电位是对阴极进行保护的关键参数，保护电位是金属完全停止腐蚀时所需要的电位，保护电流则是被保护的结构单位面积中所需要的保护电流。只有准确的把握了阴极保护的关键参数，才能够确保阴极保护的准确到位，对管道的保护才能够得到保障。
四、结语
管道的防腐不仅关系到资源的有效利用，还关系到城市的正常运转。保证管道不被腐蚀才能保证社会的平稳运行，因此管道的防腐问题应该引起足够的重视，在开发新技术新材料的同时，注意对于现有工艺的改善，完善管道施工中的管理，避免人为因素对管道造成腐蚀，从多个方面综合治理管道的腐蚀问题，才能将损失降到最低。
参考文献：
[1]刘佳 天然气管道的腐蚀原因及防治措施 2012年第6期 内江科技
[2]冯士明，胡延新.油气管道腐蚀现状及修复技术对策.99中国国际腐蚀控制大会论文集，1999
[3]王刚，李会影，刘振兴.油气管道的腐蚀与防护[J] 黑龙江科技信息，2010
关键词：外输管线；防腐技术； 阴极保护
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
0、引言：金属材料在使用过程中易受环境作用随时间的延长而逐渐受到损坏或性能下降,根据发达国家的调查统计,全世界每年因腐蚀损失高于7000亿美元。由此可见,金属腐蚀问题十分严重和普遍。
1、概述
1.1管线的腐蚀原理分析
传统的腐蚀理论认为金属腐蚀是金属材料及其制件在周围介质的作用下逐渐产生损坏或变质现象。输油管道按其腐蚀作用机理主要分为化学腐蚀、流速腐蚀、电化学腐蚀。这三种腐蚀都会给管线造成不同程度的损坏。
化学腐蚀是金属直接和介质起作用，在腐蚀过程中没有电流伴随。确定被输送介质的质量，从腐蚀观点分析，如下成分将极大影响腐蚀速度：各种盐、有机酸、水、氧、二氧化碳、硫化氢、细菌、生成的硫化物等。这些物质和管道内壁发生化学反应，一方面造成管道内部腐蚀，另一方面产物在管内的积累，会引起管内结垢。
流速大能减少腐蚀，所以水管内的流速建议不小于0.9m／s，水管内间时流速不应小于0.3m／s，设计时应给出使腐蚀最小的流速控制范围。流速的下限应使杂质保持悬浮在介质中的速度，从而使管线中的腐蚀物质的积存量小；流速的上限应使磨蚀、腐蚀、气蚀或冲击作用最小。
电化学腐蚀是金属和电解质组成原电池而使金属腐蚀的过程。金属在腐蚀的过程中有电流伴随。碳钢有主要成分(Fe)、少量的碳化铁(Fc3C)和碳(c)及其他合金元素，由于Fc，C具有不同的电位，C的电位局(惰性)是阴极，Fe的电位低(活泼)是阳极，Fc―C之间存在电位差，在导电介质中就产生腐蚀电流造成电位低的铁腐蚀，即铁转变成铁离子。在油田管线腐蚀过程中，电化学腐蚀起主导作用。
1.2油田阴极保护简介
外加电流阴极保护是通过外加直流电源以及辅助阳极，迫使电流从土壤中流向被保护金属，为其表面上进行的还原反应提供电子，使被保护金属结构电位低于周围环境，从而抑阻被保护体自身的腐蚀过程。该方式主要用于保护大型或处于高土壤电阻率土壤中的金属结构，如长输埋地管道。外加电流法阴极保护则是利用外部电源对被保护体施加阴极电流。
2、油田外输管线的保护措施
2.1联合保护的优越性
联合保护的优越性主要表现在以下三个方面：
一是延长防腐层的保护寿命，消除防腐层破损造成穿孔的隐患。单凭防腐层保护还存在腐蚀穿孔的隐患，有阴极电流保护使裸铁部位不再发生腐蚀。同时，钢管不生锈，不会造成锈层因体积膨胀而使防腐层鼓破、脱落，大大延长防腐层寿命。
二是可减少阴极保护电流的消耗。由于大面积防腐层，使保护电流只消耗在裸铁部位的小面积上，故所需电流大大减小，减少阳极消耗和设备的输出功率。
三是缩短阴极极化到保护电位的时间，使保护电位达到均匀分布、保护距离长，效果好。因此联合保扩是目前最经济最有效的防腐措施。
2.2油田外输管道外防腐保温层简介
油田外防腐保温层采用挤出聚乙烯泡沫夹克保温管简称夹克管，中国有的油田称作黄夹克，它是挤出聚乙烯覆盖层在防腐保温管中的具体应用。该防腐层是由聚氨酯及AB组合料等组成。通过聚氨酯发泡设备加温、加热、组合按比例注入钢管与保护层中间，使聚氨酯通过化学反应迅速膨胀发泡形成硬质泡沫体，在保护层与钢管中间对钢管起保温作用，保温层均匀厚度为40mm，外保护层是使用局密度聚乙烯通过加热制成，保护层厚度为3mm，外保护层具有抗拉、耐压、防潮、不易受损等优点，可延长管道使用寿命，可用于高温度65℃环境中，钢管除锈达St3级以上，按要求刷环氧煤沥青两遍。
(1)底漆作用，一则为增强聚氨酯与钢管的粘结性，二则以防聚氨酯遇水后对钢材的腐蚀。
(2)硬质聚氨酯泡沫塑料的导热系数很低，比重轻，强度适宜，化学稳定性好，是一种较理想的保温材料。需要注意的是在发泡时密度的控制，泡沫推荐密度为60kg／m3。
(3)塑料夹克管：对埋地管道而言，目前多数国家认为聚乙烯覆盖层是外防腐保温管的理想保护材料。为保证聚氨酯泡沫与夹克管的牢固粘接，聚乙烯管内壁要进行电火花极化处理。
(4)防水帽：泡沫管接头密封的好坏对于整个管的保温效果以及使用寿命起着重要作用。接头密封不仅在防止储存、运输和施工过程中的水分从端部渗入，还在于管道埋设后，―旦发生外防腐层局部损坏使水分渗入时，防水帽还起到阻隔作用。
热烤缠带是沥青类防腐层的专用补口材料，其特点是技术成熟、施工简捷，关键性工艺参数是管体、缠带表面的烘烤温度及缠绕方式，对操作人员要求较严格。如果操作得当，缠带与防腐层相容性较好，会获得满意的补口结果。但在现场实际工作中受环境、温度、人员技术水平的影响和限制，各工序间的工艺参数不易始终如一达到标准的要求，易造成补口质量的不稳定。如烘烤温度的控制，烘烤过度，引起沥青流淌，使厚度达不到要求，基带产生焦化；烘烤湿度不足或不均匀，沥青未达到熔融状态，导致补口区粘结不良，这些影响因素都会成为日后管道腐蚀的隐患。
2.3外输管线阴极保护效果及经济效益
外输管线自2006年7月阴极保护系统投入运行以来，运行效果良好，达到了方案设计保护效果。主要表现在以下几个方面：一是现场应用效果。管线腐蚀速度明显降低，腐蚀穿孔次数明显减少，降低了维修工作量；通过检测发现和修复防腐保温层97处，避免了因腐蚀穿孔造成的不安全生产因素，为生产顺利平稳运行创造了条件。
二是经济效益。阴极保护运行后管线腐蚀穿孔次数的明显减少，节约了维修费用和人力、物力的投入，为整个油田降耗增效做出了贡献，同时延缓了外输管线的腐蚀。
三是环境保护方面。同时避免了因管线腐蚀穿孔造成的跑油对当地环境造成的污染，为公司的环保工作做出巨大贡献。四是更重要的是由于阴保系统刚刚投入运行，随着时间的推移，阴极保护效果将越来越明显。
3、结语
总之，通过上述了解，我们知道了阴极保护是一种公认的防腐蚀技术,其应用领域广,涉及到地下、水中及化工介质中的管道、容器、港口码头、船舶及化工设备等各个方面,其防腐蚀效果和其它防腐技术相比具有无可替代的作用。本文简单介绍了油田外输管线的保护措施油及输管线阴极保护效果和其经济效益，对阴极保护方法进行了探讨，论文对油田外输管线具有一定的实用价值和指导意义。
参考文献
[1]黎洪珍,徐立,庞宇来,蒋晓蓉.集输管道阴保效果分析及措施研究[J].天然气与石油.2007(02)
论文摘要：腐蚀是现代工业中一种重要的破坏因素，是三大失效形式之一，在目前的油田生产过程中，腐蚀所造成的损失也十分巨大。油田开采过程中存在的腐蚀有很多种，其中CO2腐蚀是世界石油工业中一种常见的腐蚀类型，也是困扰油气工业发展的一个极为突出的问题。本文针对油气井钻采过程中的CO2腐蚀问题及其相应井下防腐工艺和措施展开深入的调研和分析，分析了CO2在不同环境条件下对油气井管柱的腐蚀机理，进行了CO2腐蚀的影响因素和影响规律的讨论。
二氧化碳（CO2）常作为天然气或石油伴生气的组分存在于油气中。CO2溶入水后对钢铁及水泥环都有极强的腐蚀性。在井下适宜的湿度及压力环境条件下，CO2会对水泥和油套管产生严重的腐蚀，使得管道和设备发生早期腐蚀失效，甚至造成生产油、套管的腐蚀断裂。从而缩短油气井的生产寿命，造成巨大的经济损失。
本文针对油气井钻采过程中的CO2腐蚀问题展开深入的调研和分析，分析了不同环境条件下对油气井管柱的腐蚀机理，进行了CO2腐蚀的影响因素和影响规律的讨论。
1 油气井井下油套管
1.1 CO2基本特性
二氧化碳是无色、无臭的气体，分子式为CO2，分子量为44，比重约为空气的1.5倍。二氧化碳在不同温度和压力条件下分别以气、液、固三种状态存在。当温度高于临界温度（31.1℃）时，纯CO2为气相；当温度与压力低于临界温度与临界压力（7.383MPa）时，CO2为液相或汽相；当温度低于-56.6℃、压力低于0.535MPa时，CO2呈现固态，固体二氧化碳也叫干冰，其密度可达1512.4kg/m3，随着外界温度的升高，固态（干冰）又升华转变为汽相。
二氧化碳的化学性质不活泼，既不可燃，也不助燃。二氧化碳可在水中溶解，其水溶液显弱酸性，可使石蕊试纸变红。由此可知，二氧化碳在水中有一部分变为碳酸。碳酸可以看作二氧化碳的一水化合物，或直接写成H2CO3。碳酸在水中可离解为离子：
H2CO3 H+ + HCO3-
HCO3- H+ + CO32-
二氧化碳的临界状态是纯物质的一种特殊状态，在临界状态时，气相和液相的性质非常接近，两相之间不存在分界面。临界点的参数叫做临界常数，包括临界温度、临界压力、临界体积等。其临界温度和临界压力为气液两相共存的最高温度和压力。在临界温度以上，不管施加多大压力，都不能使气体液化[2]。
1.2 金属腐蚀机理
1.2.1 化学腐蚀
化学腐蚀是指金属表面与非电解质直接发生化学作用而引起的破坏。其反应历程的特点是在一定的条件下，金属表面的原子与非电解质中的氧化剂直接发生氧化还原反应，形成腐蚀产物。腐蚀过程中，电子的传递是在金属与氧化剂之间直接进行的，因而没有电流产生。
1.2.2 电化学腐蚀
电化学腐蚀是指金属表面与离子导电的介质发生电化学作用而产生的破坏。任何以电化学机理进行的腐蚀反应至少包含一个阳极反应和一个阴极反应，并以流过金属内部的电子流和介质中的离子流形成回路。阳极反应是金属离子从金属转移到介质中并放出电子，即阳极氧化过程；阴极反应是介质中的氧化剂组分吸收来自阳极的电子的还原过程，例如，碳钢在酸溶液中腐蚀时，在阳极区铁被氧化为Fe2+离子，所放出的电子由阳极铁（Fe）流至钢中的阴极（Fe3C）上，被扩散离子吸收而还原成氢气。
1.3 金属腐蚀形态
1.3.1 均匀腐蚀
腐蚀分布在整个或大部分金属表面上（包括较均匀的和不均匀的）。在全面腐蚀过程中，进行金属阳极溶解反应和物质还原反应的区域都很小（甚至是超显微的），阴阳极区域的位置不固定，在腐蚀过程中随机变化，结果使腐蚀分布非常均匀，危害也相对小些。
1.3.2 局部腐蚀
金属表面只有一部分遭受腐蚀而其它部分基本上不腐蚀的称为局部腐蚀。局部腐蚀又可分为：点蚀，缝隙腐蚀，晶间腐蚀，丝状腐蚀，电偶腐蚀，选择性腐蚀，磨耗腐蚀，应力腐蚀，氢损伤[3]。
1.4 CO2对油套管腐蚀破坏形态
CO2对钢铁设备的腐蚀的形态可分为全面腐蚀（也称均匀腐蚀）和局部腐蚀两大类。形成全面腐蚀时，金属的全部或大部分表面积上均匀地受到破坏。形成局部腐蚀时，钢铁表面某些局部发生严重的腐蚀而其它部分没有腐蚀或只发生轻微的腐蚀。点蚀属局部腐蚀，点蚀出现凹孔并且四周光滑；台地侵蚀属均匀腐蚀，会出现较大面积的凹台，底部平整，周边垂直凹底；但在流动条件下，流动会诱使台地侵蚀出现局部腐蚀形成凹沟，形状呈平行于物流方向的刀线槽沟[4]。
a 内壁
b 外壁
图2-1 华北油田馏58井N80油管使用18个月后的腐蚀形貌
图2-2 CO2对四通的局部腐蚀
以华北油田馏58井的N-80油管为例，该井油管使用18个月后的腐蚀形貌如图2-1所示。整个油管腐蚀得千窗百孔，形同筛网。从内侧表面可明显看出有平行于油流方向的槽沟和凹孔，充分表明了存在严重的流动诱使局部腐蚀和点蚀的现象，说明了油管在发生全面腐蚀的同时，又产生了严重的局部腐蚀。此外，该井四通及阀门等在生产过程中接触CO2介质的工作部件，表面上存在大量的凹孔或凹台，表明了也存在点蚀和台地侵蚀的现象（如图2-2）。
1.5 CO2腐蚀机理
干燥的CO2气体本身是没有腐蚀性的。CO2较易溶解在水中，而在碳氢化合物（如原油）中的溶解度则更高，气体CO2与碳氢化合物的体积比可达3比1。当CO2溶解在水中时，会促进钢铁发生电化学腐蚀。并在不同的温度等条件下产生不同形式的腐蚀破坏。因此，根据腐蚀破坏形态，可以提出不同的腐蚀机理[4]。
下面以碳钢和含铬钢的CO2腐蚀为例来进一步阐述钢铁在CO2介质中发生腐蚀的基本原理。前述分析说明，从大体上来说，CO2腐蚀可以分为全面腐蚀和局部腐蚀两大类，且随着温度、金属材质等不同有不同的腐蚀形态。根据金属表面产生的腐蚀破坏形态，可以按介质温度范围将腐蚀分为三类（如图2-3、2-4、2-5）。
图2-5 高温时碳钢和含铬钢腐蚀类型（类型3）
在温度较低时，主要发生金属的活性溶解，为全面腐蚀，而对于含铬钢可以形成腐蚀产物膜（图2-4）。在中温区，两种金属由于腐蚀产物在金属表面的不均匀分布，主要发生局部腐蚀，如点蚀等（图2-5）。在高温时，无论碳钢还是含铬钢，腐蚀产物可较好地沉积在金属表面，从而抑制金属的腐蚀。
在没有电解质存在的条件下，CO2本身并不腐蚀金属，这说明CO2腐蚀主要表现为电化学腐蚀，即由于天然气中的CO2溶于水生成碳酸后引起的电化学腐蚀，CO2电化学腐蚀原理及其总体基本化学反应可描述为[4]：
CO2 + H2O + Fe FeCO3 + H2
事实上，CO2腐蚀常常表现为全面腐蚀与典型沉积物下方的局部腐蚀共存。然而，对于局部腐蚀机理的研究目前尚不够深入和详尽。大体上来说，在含有CO2介质中，腐蚀产物FeCO3及结垢物CaCO3或不同的生成物膜在钢铁表面不同区域的覆盖度不同，不同覆盖度的区域之间形成了具有很强自催化特性的腐蚀电偶，CO2的局部腐蚀正是这种腐蚀电偶作用的结果[4]。
1.6 油套管CO2腐蚀影响因素
CO2的腐蚀过程是一种错综复杂的电化学过程，影响腐蚀的因素很多，概括起来主要可划分为环境因素和油套管材料组成两大类。环境因素主要包括介质温度（T）、CO2分压（PCO2）、水介质矿化度、pH值、水溶液中Cl-、HCO3-、Ca2+、Mg2+、微量H2S和O2、细菌含量、油气混合介质中的蜡含量、介质载荷、流速及流动状态等。材料组成及种类因素主要包括材料中合金元素等的含量、材料表面膜等[4]。
2 油气井井下水泥环CO2腐蚀机理
CO2对水泥石的腐蚀作用机理与水泥石水化产物的关系十分密切，CO2的腐蚀作用机理主要体现在湿相CO2渗入到水泥石中与水泥石水化产物发生不同的化学反应，产生不同的化学物质，最终导致水泥石的成分发生变化，严重的破坏了油井水泥石的孔隙度、渗透率、强度。为此，以下在了解和分析不同养护条件下油井水泥水化产物组成特征的基础上，从腐蚀产物的形貌及微观结构、主要腐蚀作用形式和腐蚀作用过程等方面深入研究分析了CO2对油井水泥产生腐蚀作用机理[6]。
2.1 油井水泥石腐蚀机理
由油井水泥石的主要水化产物的物理化学性质可以得出，CO2对水泥石的腐蚀作用方式大致可分为：淋滤作用、溶蚀作用、碳化收缩作用、高矿化度地层水的协同作用等四种主要形式[6]。
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（1） 淋滤作用：CO2溶于水后渗入油井水泥石时，可以与水化产物发生系列化学反应： CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3-
Ca（OH）2 + H+ + HCO3- CaCO3 + 2H2O
CSH + H+ + HCO3- CaCO3 + SiO2（无定型）+ H2O
水泥石表面初始碳化后即生成CaCO3。碳化结果是水泥石的孔隙度降低、抗压强度增大。随着与富含CO2地层水的不断作用，会持续发生下列反应：
CO2 + H2O + CaCO3 Ca（HCO3）2
Ca（HCO3） + Ca（OH）2 2CaCO3 + H2O
从CO2腐蚀水泥环实验后的扫描电镜图中可以看出（见图3-1），油井水泥石的孔隙度和渗透性增大，水泥石的致密性明显降低，导致抗压强度降低。
（2） 溶蚀作用：当Ca（OH）2被消耗完之后，CO2又与CSH反应生成非胶结性的无定形SiO2，破坏水泥石的整体胶结状态，水泥石被CO2溶蚀后溶蚀孔随处可见（见图3-2），并造成水泥石体系pH值降低，为腐蚀性气体继续渗入水泥环提供了便利条件，造成水泥石的进一步腐蚀，最终导致水泥环失去对钢套管的保护作用。
（3） 碳化收缩作用：在水化温度低于80℃时，纯水泥水化时可生成膨胀性组分钙钒石（AFt），其反应式如下：
C3A + Ca（OH）2 + CaSO4·2H2O AFt
当CO2存在时，CO2与上述反应争夺Ca（OH）2，抑制了AFt的生成，因而造成水泥石体积收缩，从而可能诱发环空微间隙（见图3-3），为富含CO2的地层水打开通道，加剧了CO2对水泥石和套管的腐蚀。
图3-1 淋滤作用对水泥石的腐蚀形貌
（4） 地层水的协同作用：高矿化度的地层水使CaCO3的溶解度增大，淋滤作用增强。地层水中含有多种腐蚀性离子，如Mg2+、SO42-和Cl-，以及腐蚀性组分H2S，这些组分的协同作用也会加剧CO2对水泥环和套管的腐蚀（如图3-4）。
图3-2 溶蚀作用对水泥石的腐蚀形貌
图3-3 碳化收缩作用对水泥石的腐蚀形貌
图3-4 协同作用对水泥石的腐蚀形貌（150℃）
由上述几种CO2在低温下的腐蚀作用对水泥石腐蚀的机理和腐蚀形貌可以看出，地层水中的CO2侵入水泥环并与其水化产物产生多种作用，严重破坏了水泥环的强度、渗透率等，对水泥环保护油管的作用产生一系列的不良影响，从而会影响油井的正常生产和使用寿命。
2.2 水泥环CO2腐蚀影响因素
CO2对水泥石的腐蚀机理主要体现在CO2与水泥石不同水化产物的化学作用上，可见水泥石所处的地质环境对于CO2腐蚀水泥石起着至关重要的作用；当然水泥本身的材料组成也不容忽视；现场施工情况对与水泥环的性能也有很大影响。因此可以得出CO2对油井水泥环腐蚀的三大影响因素，虽然CO2对水泥石的腐蚀过程是一种错综复杂的物理、化学过程，影响其腐蚀过程的因素很多，但是，归纳起来，影响CO2腐蚀油井水泥环的因素可以大致分为：周围地质环境因素、施工因素和水泥材料等三大类[7]。
周围地质环境因素主要指水泥石周围介质的相对湿度、温度、压力及CO2分压、浓度对水泥石碳化的影响。环境介质的相对湿度直接影响水泥环的润湿状态和抗碳化性能。在环境的相对湿度比较大的情况下，水泥石的毛细管处于相对的饱和状态，使其气体渗透性大大降低，水泥石的碳化速度则大大降低，但是，当周围介质的相对湿度达到某个范围时，水泥石的碳化速度达到最快，这个范围值随不同的地质条件而各不相同。
至于施工因素对水泥石的影响主要指的是固井施工时对水泥的配制、搅拌和注入等条件的影响。显然，这些因素对油井水泥环的密实性的影响是很大的。所以，保证在固井施工时的规范操作是十分重要的。
水泥材料主要是指水泥石的品种，外加剂及外掺料的加入、现场水泥浆的配制等都对水泥石的碳化有一定的影响。因此明确这些影响因素对腐蚀产生的影响规律，对于合理制定腐蚀防护措施具有重要意义。
3 结论
本文针对油气井油套管、水泥环CO2腐蚀机理，及腐蚀影响因素进行分析研究，所取得的主要结论如下：
（1） 根据CO2和金属腐蚀特性，分析给出了油套管CO2腐蚀机理。机理分析表明，在电解质存在的条件下，CO2促使井下油套管发生电化学腐蚀，腐蚀主要与环境因素和油套管材料组成有关，其腐蚀破坏产生形式随所处条件不同而不同，主要表现为全面腐蚀与典型沉积物下方的局部腐蚀，但破坏主要由局部腐蚀造成。
（2） 油气井井下水泥石CO2腐蚀机理分析表明，CO2对水泥石的腐蚀与水泥石水化产物有关，其机理为湿相CO2渗入到水泥石中与水泥石水化产物发生不同的化学反应，产生不同的化学物质，最终导致水泥石的成分发生变化，严重的破坏了油井水泥石的孔隙度、渗透率、强度由于国内各油气田的油气组分、开采年限、腐蚀介质、地质状况、土壤成分等都不尽相同，所以在选择油气管的防腐措施时，要综合考虑各种实际情况，针对不同油气井的实际情况，应采用最经济最简单的防腐技术。
参考文献
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关键词：混凝土；腐蚀；预防措施
中图分类号：TU37文献标识码： A
1 引言
在建筑工程中，钢筋混凝土因具有成本低廉、坚固耐用且材料来源广泛等优点而被土木工程的各个领域普遍采用。钢筋混凝土既保持了混凝土抗压强度高的特性、又保持了钢筋很好的抗拉强度，同时钢筋与混凝土之间有着很好的黏结力和相近的热膨胀系数，混凝土又能对钢筋起到很好的保护作用，从而使混凝土结构物更好的工作，提高了混凝土的耐久性。所以钢筋混凝土已成为现代建筑中材料的重要组成部分。
钢筋混凝土结构的腐蚀类型
2.1 混凝土碳化混凝土碳化是由于混凝土中的氢氧化钙与空气中的二氧化碳和水发生反应降低了混凝土孔隙水溶液的ph值，由于混凝土中的水泥石水化物只能存在于高碱性溶液(ph值>12.5)中，当碳化反应发生后，水泥石水化物稳定存在的条件遭到破坏，水解形成的氢氧化硅、氢氧化铁和氢氧化钙等碱性氧化物都变成碳酸盐，使混凝土的孔隙率和渗透性发生改变，减少了水气的吸附。同时，ph值的降低导致钢筋发生钝化的碱性条件遭到破坏，钢筋处于活化状态，在水和氧的作用易发生锈蚀。混凝土碳化是大气环境混凝土腐蚀的一种最常见形式。由于碳化作用离不开水的作用，因此干燥环境下碳化作用较为缓慢，此外合理设置保护层厚度是避免混凝土碳化作用引起钢筋锈蚀的有效方法。
2.2 氯离子侵蚀氯离子是极强的去钝化剂。当钢筋混凝土结构处于氯盐环境下，氯离子会通过液相扩散或毛细管结构深入混凝土中，游离的cl-与水形成盐酸，并与混凝土中的氢氧化钙发生反应，使水泥石水化产物发生分解，降低混凝土的密实性。当氯离子渗透至钢筋表面时，会对钢筋表面的钝化膜产生完全或部分的破坏，造成预埋钢筋的严重腐蚀和开裂。钢筋锈蚀的氧化物体积会膨胀4倍，会在混凝土内部产生内应力，导致混凝土进一步开裂，使钢筋与混凝土的握裹力降低，而影响混凝土结构的承载力和使用寿命。海洋环境与除冰盐环境下的钢筋混凝土结构腐蚀多为这种情况。在有氯离子的情况下，混凝土的碳化作用远小于氯离子对钢筋的腐蚀速度，在多种腐蚀情况同时存在的情况下，氯离子对结构的危害最大。
2.3 冻融循环区别于以上两种腐蚀类型，混凝土的冻融循环属于物理现象，混凝土冻融循环的发生主要原因是混凝土中存在孔隙和外界环境温度的循环变化。位于北方地区的海洋浪溅区和水位变动区的桥梁墩台表面的混凝土经常会发生这种腐蚀。在北方海洋环境下的秋冬季节，昼夜温差可达到10~20度左右。白天海水中的水汽通过毛细孔和微裂缝渗入混凝土并留在孔隙里，晚上留在混凝土孔隙中的水汽遇冷结冰，在毛细孔壁周围形成拉应力，此外由孔隙冰与过冷水的饱和蒸汽压差和盐分浓度差会引起的过冷水在混凝土毛细孔中的迁移而形成的渗透压力，膨胀压力和渗透压力都会损伤混凝土的内部微观结构，在冻融循环的反复作用下，混凝土内部的损伤逐步累积扩大，最终在疲劳作用下，造成了结构的破坏。
2.4 碱-集料反应碱-集料反应是指混凝土原材料中的水泥、外加剂和水中的碱性物与集料中的活性成分发生反应，在混凝土浇筑成型后若干年逐渐反应，反应生成物吸水膨胀使混凝土产生内部应力，膨胀开裂，导致混凝土失去使用功能。为了避免碱-集料反应的发生，降低混凝土拌合物水泥中的碱性成分是解决碱-集料反应最直接有效的措施。
由于钢筋混凝土组成材料之间的特性差异，导致混凝土产生腐蚀的原因较多，通常在某种环境下的混凝土腐蚀影响因素并不是单一的。例如在北方海洋性环境下，钢筋混凝土结构同时面临着冻融循环、碳化、碱-集料反应和氯离子侵蚀等危害，它们之间相互作用、相互影响加剧了钢筋混凝土的破坏。因此深刻理解混凝土各种类型的腐蚀机理，针对环境作出准确判断是做好腐蚀防护措施的第一步。
3.钢筋锈蚀的影响因素
3.1氯化物的影响
氯化物是钢筋锈蚀的最重要原因，氯离子能加速钢筋锈蚀。但并非混凝土孔隙中氯离子都会引起钢筋锈蚀破坏，只有自由氯离子才能对钢筋起到破坏作用。氯离子主要是通过扩散进入混凝土达钢筋表面，其扩散过程与周围介质中氯离子浓度，混凝土的渗透性也有关系，同时受到混凝土的毛细孔结构及孔膜被水饱和程度等因素的影响。研究表明，产生混凝土中钢筋锈蚀的氯离子临界值与pH值间存在一定的关系，Hausmann发现当[Cl-]/[OH-]＞0.6时，钢筋开始发生腐蚀破坏。Couda认为Cl-临界浓度与OH-临界浓度之间的关系为pH=0.83logCl-+KC(K为常数)，关于混凝土结构被破坏时的临界Cl-浓度问题，已被很多学者研究。
3.2混凝土碳化
正常状态下，混凝土空隙液呈强碱性，钢筋表面的混凝土形成钝化膜，对钢筋有保护作用。当大气中二氧化碳向混凝土内部渗透，并与混凝土中Ca(OH)2反应，生成CaCO3，使得混凝土碱性减低。当碳化层发展到钢筋表面，使钢筋表面的高碱环境(pH为12.513.5)的pH值下降。当pH值下降到11.5以下时，钝化膜开始不稳定。当pH降到9左右时，钢筋钝化膜就遭到破坏。
3.3硫酸盐的影响
硫酸盐能与混凝土发生中和作用，生成微溶的钙盐，此钙盐结晶时结合大量的水，使固相体积大大增大，导致混凝土发生结晶性腐蚀。另外，硫酸根离子是否对混凝土中钢筋直接产生破坏存在着不同的见解。Cornet和Schikor以及孙成的实验均表明，由于SO42-的去钝化作用只是混凝土中的钢筋发生强烈腐蚀。而刘晓敏等的实验发现，在Cl-存在时，硫酸根具有缓释作用，提高了钢筋表面钝化膜的抗腐蚀性能。
3.4水和氧气的影响
混凝土孔隙液中水和氧气的存在是钢筋锈蚀的必要条件，即使钝化膜受到破坏，如果氧气没有扩散到钢筋表面也不会发生钢筋锈蚀。
3.5环氧温度的影响
Mamdouh M Nassar的研究认为，随着温度的增加钢筋锈蚀增强。沈德健等的研究认为，在40℃以下时，随着温度增加，钢筋锈蚀率增加，在40℃以上时，钢筋锈蚀反而会延缓。
4 常见腐蚀控制措施
4.1 耐腐蚀材料的使用混凝土目前最常用的防腐蚀材料是高性能混凝土。从上述分析来看，混凝土腐蚀因素大部分都与混凝土的渗透有关。高性能混凝土中掺加的矿物质组分微硅粉能有效减小混凝土中的孔隙尺寸和阻断毛细孔，使氯离子在混凝土中的渗透率显著降低，并且显著减少冻融循环对混凝土的危害。
4.2 防腐涂料的使用 防腐涂料的作用是形成屏蔽阻隔层，隔绝离子通路，阻止腐蚀反应的发生，可分为混凝土外表面涂层和钢筋表面涂层。混凝土外表面涂层主要包括聚合物改性砂浆、渗透型涂层和表面涂料等。聚合物改性砂浆有着良好的密实、抗渗性，并兼有耐磨、粘结力强等优点。渗透型涂层在混凝土表面涂覆后，可以深入混凝土内部一定范围，与混凝土组分起化学反应并堵塞孔隙，或自行聚合形成连续性憎水膜，形成一个特殊的防护层。表面涂料通常具有抗氧化、防紫外线和红外线的能力，有时对抗磨、防冲击及耐适度化学物质侵蚀也有一定要求。钢筋表面涂层主要包括镀锌钢筋、包铜钢筋、合金钢钢筋、不锈钢钢筋及环氧树脂涂层钢筋等。环氧树脂涂层钢筋是最常用的钢筋防腐涂层。
4.3 阴极保护阴极保护法分为外加电流法和牺牲阳极法。外加电流法把要保护的钢铁设备作为阴极，另外用不溶性电极作为辅助阳极，两者都放在电解质溶液里，接上外加直流电源。通电后，大量电子被强制流向被保护的钢铁设备，使钢铁表面产生负电荷（电子）的积累，只要外加足够强的电压，金属腐蚀而产生的原电池电流就不能被输送，因而防止了钢铁的腐蚀。杭州湾跨海大桥是我国首个应用阴极防护技术的桥梁结构工程。
牺牲阳极法是将还原性较强的金属作为保护极，与被保护金属相连构成原电池，还原性较强的金属将作为负极发生氧化反应而消耗，被保护的金属作为正极就可以避免腐蚀。牺牲阳极法一般不适用于新建混凝土结构且阳极提供的电流有限，只能用于保护阳极附件较小范围的钢筋。
4.4 电化学除氯电化学除氯是指在无需破坏原混凝土结构保护层的条件下,通过外加电场使侵入混凝土保护层的氯盐有害组分直接排出,并且使已经活化开始锈蚀的钢筋表面重新钝化的一种新技术,可以对钢筋混凝土进行高效、快速、低成本且非破损型修复。电化学除氯技术在欧美应用比较广泛，我国在此方面研究起步较晚。
5结论
虽然钢筋锈蚀会给混凝土建筑物带来严重的危害，但在实际施工中，只要加强领导，严格管理，精心施工，并根据环境的特点和材料的性质，采取相应的措施，是完全能够防止和推迟混凝土中钢筋的锈蚀，从而提高混凝土的使用性和耐久性。
关键词：金属材料工程；实践教学；教学改革；人才培养
沈阳化工大学金属材料工程专业是应社会经济发展需求，尤其是化工行业建设的需求，在原金工教研室师资力量和实验设备条件的基础上，经过充分的论证、申请，于2006年国家教委批准，开始面向全国招生，同年获批材料学硕士学位授予权。在专业建设中，充分发挥化工大学化工行业特色优势及高素质专业教师队伍的优势，不断改革完善培养方案、培养模式，逐步形成了立足行业、与辽宁工业产业紧密衔接、全方位实践创新能力培养的专业特色，专业定位符合本校办学定位和发展方向，已纳入本校专业建设规划并进行重点建设，成效显著。在2013年辽宁省普通高等学校本科专业综合评价中，全省九所学校金属材料工程专业参评，沈阳化工大学的金属材料工程专业排名第二。实践教学是培养本科生理论联系实际，也是培养本科生创新意识和创新能力的主要途径[1]。但近年来，在市场经济的影响下，许多生产企业以影响生产和安全为由不愿接待本科生实习，同时，本科生实习的积极性也不高，导致实习效果不尽如人意。
1金属材料工程专业实践教学的现状
当前我国普通院校本科生教育普遍存在的一个突出问题是本科生创新意识差和创新能力不足，动手能力较很弱，难以适应激烈的市场竞争和知识经济的快速发展的需要[2]。而实践教学是培养本科生综合素质，提高本科生解决实际问题的能力，以及促使本科生将所学的理论知识向实际技能转化的环节。通过实践教学可以巩固、加深本科生对所学的理论知识的理解，并能够培养本科生严肃认真的科学态度[3]。高等学校中的传统的金属材料工程专业实践教学通常具有如下特点：首先，本科生实验教学内容主要以演示性、验证性实验居多，综合性实验和设计性实验相对较少，实验教学多以模仿为主，创新内容涉及较少。其次，部分本科生的课程设计和毕业设计与实际生产相脱节，影响本科生的就业竞争力。最后，由于受到现实条件的限制，目前的本科生生产实习和毕业实习主要采取到相关企业生产现场进行观摩教学的方式，大多数本科生很难彻底认识企业生产的组织和实施过程。实践教学环节存在的这些问题制约着本科生创新能力的提高[4]，为培养二十一世纪合格的金属材料专业人才，沈阳化工大学金属材料工程专业近年来对金属材料工程专业实践教学体系进行了一系列改革，形成了稳定而有效的实践性教学体系。
2专业课程实验的优化
为培养二十一世纪化工行业合格的金属材料工程专业人才，自2006年以来，沈阳化工大学金属材料工程专业对实验教学内容统筹规划、整体安排。经过几年的改革和实践，建立了具有化工行业特点及金属材料工程专业特色、科学合理的实验教学内容，结合沈阳化工大学的化工特色，针对化工单元设备的主要加工方法，如压力加工、焊接、机械加工及化工单元设备的腐蚀问题。强化金属塑性加工原理、焊接冶金学、焊接工艺与设备、金属腐蚀与防护、金属热处理和材料无损检测等主要专业课程。这些主要专业课程均设置有实验内容，同时优化了验证性实验，增加了综合性和设计性实验的数量，使本科生动手能力得到提高。巩固科研教学资源化的成果，进一步完善校内实践实训基地的建设，创造学生动手操作的条件，培养学生的工程实践能力。此外，金属材料工程专业每年投入一定的资金对现有实验设备进行改造，更新部分专业实验，增加创新性实验硬件条件，增加开放实验室公用设备的种类及台套数。进一步开放实验室，一周至少两天全天开放实验室，保证本科生根据需要自主进行实验。
3加强校企合作，强化实习管理
原有认识实习、生产实习、毕业实习的企业很多设备比较陈旧，几乎没有先进的设备和技术，实习效果大打折扣，为此，近年来金属材料工程专业增加个性化实习，采用校企合作，结合学生的兴趣爱好、就业方向、教师的科研课题以及就业单位的培训等等，分别送学生到企业去学习实践，为方便学生到企业实习，金属材料工程专业先后建立了与沈阳铸锻工业有限公司、富奥辽宁汽车弹簧有限公司、抚顺机械设备制造有限公司等十余家企业的实习基地。通过实习基地，加强了与相关企事业单位的合作，利用其设备开展金属材料工程专业的实践教学，结合企业实际进行企业课程教学、现场教学和案例教学，这样也促使本科生了解金属材料及其相关材料最新的科技发展动态，使本科生具有分析和解决生产中的实际问题的能力。对于本科生毕业论文和设计结合企业实际项目或在实践教育基地、企业开展，校内校外指导教师共同指导，以强化学生综合运用所学知识进行独立分析问题和解决问题的能力。为保证实习效果，加强本科生对实习的重视，金属材料工程专业主任及全体实习指导教师参加实习动员，强调实习过程安全问题，明确每次实习的集合时间、地点、着装和注意事项等。在实习期间，每到一个车间，先请车间主任介绍该车间的典型设备和工艺流程，使本科生在参观前对参观内容有大概了解。实习成绩评定主要依据实习期间的出勤、纪律、实习笔记、实习报告等。通过各方的努力，大大增强了本科生实习的主动性。
4开展创新活动，推进实践教学
鼓励本科生积极开展多样化的科技创新活动[4-5]，例如参加教师的科研项目以及各类大学生竞赛等。通过组织各种类型、各种形式和不同层次的课外活动，将各类工程实践活动、创新实践训练、学科竞赛活动、学术前沿讲座、社会实践、公益活动等课外活动作为第二课堂课程模块纳入到课程体系中统一实施和管理。近年来，金属材料工程专业参赛学生项目获第三届全国机械创新设计大赛国家二等奖一项；“第十一届挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛国家三等奖一项；2011年、2013年分别获全国大学生英语竞赛三等奖、二等奖各一项；省级奖项几十多项。通过创新竞赛的开展，培养了学生的创新能力，同时也提高了教师指导学生创新的积极性，活跃了创新教育的氛围，为金属材料工程专业学生的个性发展提供平台，为学生毕业后从事科学研究活动奠定了一定的基础。
5结论
当今，素质教育快速发展[6-7]，金属材料在化工行业中占有举足轻重的地位，为培养二十一世纪化工行业合格的金属材料专业人才的需要，我们将继续优化实践课程建设，建设具有化工行业特点及金属材料工程专业特色、科学合理的实践教学内容，努力培养学生创新能力，使其毕业后能在化工企业、高等学校或科研院所从事金属材料及金属基复合材料的研究、成分-工艺及设备设计、组织和性能检验、生产制造、技术开发和经营管理等方面工作的高素质应用型人才。
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