隨著中國經(jīng)濟的不斷發(fā)展 , 埋入土壤中的金屬構(gòu)件如輸氣 （ 油 ） 管線、電纜等日益增多。金屬的土壤腐蝕是環(huán)境腐蝕中不可忽視的一個方面。由于土壤腐蝕 , 報廢大量金屬材料，造成巨大的經(jīng)濟損失，引起原料和產(chǎn)品的流失，導致資源的耗損；還會污染環(huán)境，引起爆炸和火災造成人身事故。因此，了解土壤中金屬腐蝕的主要形態(tài)，研究埋地金屬的腐蝕規(guī)律 , 選用合理的防護措施 , 節(jié)材防腐等具有一定意義。

    中國科學院南京土壤研究所成立已有 63 個年頭，從這里走出了三代從事土壤科學研究的工作者。張道明老師是中科院南京土壤研究所的第二代從事土壤科學研究的工作者，他從上世紀七十年底開始從事研究不同性質(zhì)、不同環(huán)境的土壤對埋設在地下金屬構(gòu)件的腐蝕情況，直到退休前，還一直從事土壤腐蝕檢測研究工作，是一名捍衛(wèi)土壤腐蝕的“戰(zhàn)士”。

    采訪中，張老師說：“我們所從事的土壤腐蝕研究是南京土壤所里的小眾，雖然小，但是很先進，我們不僅參與了全國土壤腐蝕研究的系列大型項目，而且探索研究出了土壤腐蝕研究的原位動態(tài)檢測方法，引領(lǐng)了檢測方法的發(fā)展。”

    致力于土壤腐蝕的科學研究

    土壤是人類賴以生存和發(fā)展的最基本的自然環(huán)境，土壤腐蝕是指土壤對地下設施和構(gòu)筑物等因受土壤中的水分、溶鹽、氧和微生物等的侵蝕而發(fā)生的腐蝕破壞現(xiàn)象。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，特別是能源工業(yè)的發(fā)展以及西部大開發(fā)的推進和東北老工業(yè)基地的振興，有大量的地下管道、鋼樁、套管、儲罐和電纜等地下設施投入建設和使用。這些地下構(gòu)筑物常因遭受土壤腐蝕而給國民經(jīng)濟的建設造成巨大的損失，建立、完善和發(fā)展土壤腐蝕的研究方法具有重要的科學意義和經(jīng)濟價值。

    張老師介紹，土壤是一個非均質(zhì)、多相、多孔的體系。在土壤體系中，土壤膠體帶有電荷，并吸附一定數(shù)量的“-”離子，當土壤中存在少量水時，土壤即成為一個由帶電膠體與離子組成的導體，因此土壤可認為是一個腐蝕性多相電解質(zhì)。當金屬與不同性質(zhì)的土壤接觸時，金屬與土壤界面之間會產(chǎn)生不同的界面電位，使金屬不同部位存在電位差，它通過土壤形成回路，構(gòu)成腐蝕電池。土壤中金屬的腐蝕過程主要是電化學過程。土壤的腐蝕與土壤的各種物理、化學性質(zhì)以及環(huán)境因素有關(guān)，因此土壤腐蝕比其它腐蝕更要復雜。其中與土壤腐蝕相關(guān)的理化性質(zhì)有10種，它們分別為：含水量、土壤結(jié)構(gòu)、含氧量、CO ₂ 含量、含鹽量、硫酸鹽含量、pH、氧化還原電位和土壤電阻率。

1989年滄州到臨邑輸油管線調(diào)查合影

試件排列狀況，1992年全國土壤網(wǎng)成都站埋試前電纜金屬

    金屬管道能在一年內(nèi)被腐蝕穿孔，也可以幾十年沒有明顯的變化。鋼鐵在理化性質(zhì)一致的土壤中平均腐蝕率是很小的，美國國家標準局長期土壤埋件的試驗結(jié)果表明，在較均一的土壤中金屬平均腐蝕率為 0.02mm/a，最大為0.064mm/a, 最小為 0.036mm/a。也就是說，在性質(zhì)一致的土壤中，2mm 厚的鋼鐵小試件需要 30 ～ 50 年才可能腐蝕穿孔，如果將同樣試件埋設在環(huán)境差異較大的土壤中，腐蝕情況大不相同。假設埋 12 年后，所腐蝕的最深孔高到5mm, 平均每年腐蝕 0.46mm。也就是說 2mm 厚的試件只需 4 ～ 5 年就腐蝕穿孔。

    土壤是一個由固、液、氣三相組成的多相體系。而且大多數(shù)土壤是不均一的。金屬構(gòu)件表面與不均一的土壤接觸，就可能使不同部位的金屬產(chǎn)生一定的電位差，根據(jù)調(diào)查，有一定差異的土壤剖面中鋼鐵的自然電位差一般為數(shù)十毫伏，差異很大的土壤可高達數(shù)百毫伏，這樣就有可能形成土壤腐蝕中危害很大的宏電池腐蝕。

    地下金屬附件的腐蝕大多為電化學腐蝕，電腐蝕是電化學腐蝕的一種特殊形式。土壤是復雜的三相體系，因為土壤腐蝕比溶液介質(zhì)中的腐蝕要復雜得多。因此，金屬在土壤中的腐蝕有它的特點，在防腐措施中，一定要保持絕緣層的質(zhì)量，并采用電化學保護，防止雜散電流侵襲，使靠近埋地構(gòu)件金屬表面的土壤具有一定的均勻性，減少宏電池腐蝕的形成。

    三峽壩區(qū)土壤對鋼鐵的腐蝕性研究

    長江三峽工程是當今世界上最大的水利工程，具有防洪、發(fā)電、航運等巨大的綜合效益。金屬材料的土壤腐蝕是該工程建設中不可忽視的地方，要保證其長期、安全地運行，就必須對工程中的埋地金屬構(gòu)件進行有效的腐蝕防護，而構(gòu)件使用壽命的預測及防護方法的篩選又賴于該地區(qū)土壤的腐蝕性強弱。因此，三峽地區(qū)對鋼鐵腐蝕性的研究具有非常重要的意義。

    早在 1959 年，全國土壤腐蝕網(wǎng)站為了配合三峽工程建設，在三斗坪建設了土壤腐蝕試驗站，埋設了大量的鋼鐵試件。1993 年對埋設了 33 年的鋼鐵試件進行了挖掘和現(xiàn)場測試。然后按工業(yè)分工，對試件進行了分析。

    張老師回憶：“我國在 50 年代末在國家科委的組織下建立了國家土壤腐蝕試驗網(wǎng)，在全國 29 個點埋設了常用的鋼管、鋼板、混凝土、電纜護層與塑料等四大類材料 4993 個試件。其中三峽站是其中的一個試點。1993 年，我參與了由武漢材料保護所三峽站埋置 33年的試件進行全面挖掘和現(xiàn)場測試，并對全部試件進行了各項分析檢驗和試驗研究。三峽土壤腐蝕試驗站位于長江西陵峽中段南岸三斗坪鎮(zhèn)下壩村，距江岸約 300 米，距中保島約 1000 米。這里的土壤為黃棕壤，是花崗巖的半風化物。挖掘出來的裸鋼管和裸鋼板試件均受到土壤介質(zhì)腐蝕。試件表面呈現(xiàn)全面的不均勻腐蝕形貌，出現(xiàn)有坑蝕、孔蝕 、焊縫腐蝕等，嚴重者導致穿孔。我們以三峽壩址土壤的腐蝕性調(diào)查與研究為重點，探討了三峽地區(qū)土壤的腐蝕性及其主要影響因子。”

    張老師介紹，影響土壤腐蝕性的因素很多，而且相互關(guān)系與作用十分復雜，目前國內(nèi)外尚無公認的統(tǒng)一說法，一般而言，土類與土質(zhì)、土壤中可溶性鹽總量，土壤電阻率，含水含氣率、p H 值、土壤微生物、氣候因素、污染因素等影響均較大。針對三峽站土壤對鋼鐵與硅酸鹽混凝土試件的腐蝕狀況，土壤腐蝕性較強的主要因素是 :（ １） 土壤不均勻性，對鋼鐵容易造成宏電池腐蝕，當土壤中的礫石和半風化顆粒與金屬試件接觸時，由于氧的濃差極化使鋼鐵試件表面形成陽極區(qū)易發(fā)生坑蝕穿孔等局部腐蝕。

1989年土壤腐蝕培訓班與學員交流

1984年全國土壤大慶站開挖現(xiàn)場土壤電阻率測試

    （2） 通過土壤微生物菌量分布的測定結(jié)果表明，三峽站腐蝕微生物腐蝕特征十分明顯，是典型的受 SRB 菌促進腐蝕的結(jié)果。

    （3） 三峽站土壤含水率較高 , 有一定的氧含量，pH 值中性偏酸 , 這也是促進鋼鐵及水泥制品腐蝕的因素之一 , 尤其在硫酸鹽還原菌的作用下 , 試件周圍土的 pH 值下降至 5.7 ～ 6.0, 加速了腐蝕過程 , 特別對于硅酸鹽混凝土容易引起類似酸性溶液的溶解性腐蝕。

    （4） 三峽地區(qū)為亞熱帶氣候，溫暖潮濕，年降雨量大，季節(jié)差大，雨量集中，在夏季約占 52.4%，春秋季分別為24.1% 和 17.1%，冬季僅為 6%。由于三峽地區(qū)土壤排水性較好且有一定保水性能，因此長期埋設在土壤中的試件經(jīng)常處于干濕交替的狀態(tài)下，增強了土壤的腐蝕性。

    鑒于三峽地區(qū)土壤對于鋼鐵和硅酸混凝土試件的腐蝕性較強，張老師在報告中給出了系列建議，三峽工程的地下構(gòu)筑物一定要采取防護措施，以確保工程的安全運行。地下工程構(gòu)件要選用合適的能耐三峽地區(qū)土壤腐蝕的材料，適當考慮增大其腐蝕裕量，保證構(gòu)件的焊接質(zhì)量。硅酸鹽類材料在三峽土壤中耐蝕性差 , 建議選用普通硅酸鹽水泥及礦渣硅酸鹽水泥配制混凝土構(gòu)件，再加入一定量的滲合料及外加劑進行防護。石棉水泥管及聚乙烯塑料在三峽土壤中耐蝕性能良好，建議三峽工程能參考選用。

    采訪中張老師介紹，土壤防腐蝕的研究為材料的使用和設計為三峽工程的建設提供了重要的參考依據(jù)，豐富了材料環(huán)境適應性研究的內(nèi)容。更重要的是這些研究在國民經(jīng)濟建設中發(fā)揮了重要的指導作用。

    原位動態(tài)檢測的應用與推廣

    張老師和他們的研究團隊從事土壤腐蝕環(huán)境的研究，在研究中，他們發(fā)現(xiàn)許多土壤腐蝕因素環(huán)境對土壤腐蝕性都有不同程度的影響，但是傳統(tǒng)的對土壤腐蝕環(huán)境因素檢測的方法是采用瞬態(tài)方法。但實際上，土壤的腐蝕環(huán)境隨著月份、季節(jié)甚至是年度每時每刻都在發(fā)生變化。采用瞬態(tài)方法檢測土壤腐蝕情況具有很大的局限性。于是張老師的研究團隊發(fā)明了原位連續(xù)動態(tài)測試土壤腐蝕環(huán)境因素，并用這種方法完成了土壤電阻率、土壤電位梯度、土壤氧化 - 還原電位、土壤鹽分濃度、土壤氯離子濃度、土壤溫度和水分等土壤腐蝕環(huán)境因素的原位連續(xù)動態(tài)檢測的研究和應用。

    張老師介紹：“通過這種方法，我們的研究團隊能對土壤進行持續(xù)地觀測和記錄。比如說，對土壤溫度進行原位持續(xù)測試，我們對一定深度的土壤溫度進行定點連續(xù)測試，這樣就可以積累深度土壤溫度的季節(jié)性變化數(shù)據(jù)。再比如說，土壤電阻率的原位測試，關(guān)鍵技術(shù)是研制出一種可長期埋設在土壤中不受腐蝕而能正常工作的電導電極，我們選用有良好導電性能的純石墨作為電極材料，精心研制出了石墨導電電極，安裝時根據(jù)試件的埋設深度，設定兩個測試深度，計算好各電極間的距離，埋設在表層土壤中。這種電極可長年埋設在表層土中進行原位連續(xù)測試。”

    針對土壤氧化還原電位的原位連續(xù)測試，張老師介紹，他們采用接頭具有良好防水性能的長屏蔽導線的鉑電極和特制的長效飽和甘汞電報，與具有高輸入阻抗的 DMP-2 型數(shù)字式 mv ／ pH 計配合進行的原位測試，這種方法適用于稍微濕潤的各種不同的土壤，特別是那些土壤腐蝕中心試驗站及其他需要掌握深層土壤氧化還原電位動態(tài)變化情況的地方。

    關(guān)于土壤電位梯度的原位連續(xù)測試，張老師介紹，土壤電位梯度是衡量某一地區(qū)是否有地下雜散電流存在及其強弱程度的良好指標。除采用長效飽和硫酸銅參比電極在土壤中長期埋設外，其余的測試原理均與常規(guī)方法相同。另外，土壤鹽分濃度的測試是用多通道數(shù)字式鹽分測定儀和鹽分傳感器進行的。鹽分傳感器的主要部件是嵌在微孔素燒陶瓷片兩邊的鉑絲網(wǎng)所構(gòu)成的電導電報和進行溫度補償用的熱敏電阻，測定所得的電導值通過查標準曲線即可換算成土壤溶液的鹽分濃度。

    對于土壤氯離子濃度的原位連續(xù)測試和土壤水分的連續(xù)測試，張老師他們也有一系列的見解。對于土壤氯離子濃度的原位連續(xù)測試的方法是：土壤氯離子濃度的原位連續(xù)測試用氯離子選擇電極，配以參比電極和 DMP-2 型數(shù)字式mV ／ pH 計進行測試的氯離子選擇電極電位的高低與土壤溶液中氯離子的活性濃度成相關(guān)關(guān)系，因此根據(jù)氯離子選擇電極對參比電極的電位通過查標準曲線，就可求出土壤溶液中氯離子的濃度。

    土壤水分的原位連續(xù)測試土壤水分狀況的原位連續(xù)測試是采用負壓計法和水分傳感器法進行的負壓計法是利用土壤對水的吸力，在儀器內(nèi)部產(chǎn)生一個負壓，并通過真空表指出來土壤含水量低，土壤吸力就大，負壓值也大；土壤含水量高，土壤吸力小，負壓值就小。

    張老師解釋道，其實土壤腐蝕環(huán)境因素的原位連續(xù)檢測整套測試技術(shù)的關(guān)鍵在于各種傳感器的選擇改進或研制。一方面要保持傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性，還要保持它們的長效性。這項技術(shù)在大慶油田設計院的密切合作和大力支持下，在大慶中心站應用，后來又在大港、新疆、沈陽和成都中心站推廣應用，不僅達到了研制的目的，而且受到好評。

    立足當下研究 再接再厲

    采訪中，張老師感慨地說：“在南京土壤研究所，我們的研究團隊屬于小眾，但毋庸置疑的是，土壤的腐蝕試驗與研究工作對于工業(yè)的發(fā)展具有非常重要的作用。在工業(yè)發(fā)達的國家都十分重視材料的土壤腐蝕試驗和研究工作，早在上世紀初，美國就在全國建設了 128個試驗站，埋設了 333 種材料，3.6 萬個試件，歷時45年進行了土壤腐蝕研究，于 1954 年出版的《地下腐蝕》專著中，所取得的試驗研究成果為美國的地下工程的防腐設計、選材、制定防腐規(guī)范和標準提供了科學依據(jù)。幸運的是，我國的土壤腐蝕與防護工作經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)有聲有色，特別是在國家科委和國家自然科學基金委的共同組織與領(lǐng)導下，國家材料土壤環(huán)境腐蝕試驗站按照全國土壤類型進行了劃分，這些試驗站從南到北，從西到東，橫跨 8 個省市自治區(qū)，包含酸性土、濱海鹽土、內(nèi)陸鹽漬土等腐蝕性較強的土壤環(huán)境，實現(xiàn)了覆蓋國家重點建設地區(qū)。經(jīng)過 40 多年幾代科研人員的辛勤工作，國家材料土壤環(huán)境腐蝕試驗站己經(jīng)積累黑色金屬、有色金屬、合成材料和保護層、建材等共 38 種材料在我國典型土壤環(huán)境中腐蝕數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù) 40 多萬個 , 并建立了相應的材料土壤腐蝕數(shù)據(jù)庫 ; 獲得了典型材料在不同土壤環(huán)境中和不同材料在同—土壤環(huán)境中的耐蝕性差異 ; 形成了數(shù)據(jù)分析軟件、土壤腐蝕性評價方法，并繪制了全國多個地區(qū)的區(qū)域性土壤腐蝕性分級圖。”

    歷數(shù)過往成就，張老師感慨地希望現(xiàn)在的科研人員，不要忘記土壤腐蝕這塊科研陣地，在這塊陣地上再接再厲，再創(chuàng)輝煌！

    后記：

    不積跬步，無以至千里。在科研的道路上只要堅持不懈，最終也能在平凡中實現(xiàn)自我價值。張老師衷心地祝愿每位年輕的科研工作者在平常的科研工作，守住一份信念，鍥而不舍地向著自己的夢想前進！

    人物簡介

    張道明，副研究員，享受政府特殊津貼。1963 年畢業(yè)于南京農(nóng)學院，畢業(yè)后在中國科學院南京土壤研究所工作。擅長埋地金屬腐蝕原因的診斷和參比電極的研制。并在土壤腐蝕性研究和土壤腐蝕測試新方法方面有較深的研究。“六五”參加國家科委資助項目，歷任國家自然基金“七五”“八五”重大項目課題“土壤腐蝕性研究”“我國自然環(huán)境材料腐蝕數(shù)據(jù)積累及規(guī)范性研究”課題負責人之一。參加“九五”項目部分工作，參加材料在三峽地區(qū)土壤腐蝕行為的研究工作。

    多次參加地下管線腐蝕穿孔原因的診斷和管道沿線的土壤腐蝕環(huán)境的勘測，在全國腐蝕網(wǎng)、上海、江蘇石化、寶山鋼鐵廠，上海浦東煤氣管線、秦山核電站、南京空軍油庫、光滑機場等數(shù)個機場和石油部的腐蝕調(diào)查和應用。1987 年土壤腐蝕研究及電化學方法在地下金屬管道工程中的應用獲得中科院三等獎；1992 年土壤腐蝕性研究獲得科學院科技進步二等獎；1992 年材料土壤腐蝕數(shù)據(jù)積累及腐蝕與防護研究獲科學院科技進步二等獎；獲得國家專利三項。