随着中国经济的不断发展 , 埋入土壤中的金属构件如输气 （ 油 ） 管线、电缆等日益增多。金属的土壤腐蚀是环境腐蚀中不可忽视的一个方面。由于土壤腐蚀 , 报废大量金属材料，造成巨大的经济损失，引起原料和产品的流失，导致资源的耗损；还会污染环境，引起爆炸和火灾造成人身事故。因此，了解土壤中金属腐蚀的主要形态，研究埋地金属的腐蚀规律 , 选用合理的防护措施 , 节材防腐等具有一定意义。

  中国科学院南京土壤研究所成立已有 63 个年头，从这里走出了三代从事土壤科学研究的工作者。张道明老师是中科院南京土壤研究所的第二代从事土壤科学研究的工作者，他从上世纪七十年底开始从事研究不同性质、不同环境的土壤对埋设在地下金属构件的腐蚀情况，直到退休前，还一直从事土壤腐蚀检测研究工作，是一名捍卫土壤腐蚀的“战士”。

  采访中，张老师说：“我们所从事的土壤腐蚀研究是南京土壤所里的小众，虽然小，但是很先进，我们不仅参与了全国土壤腐蚀研究的系列大型项目，而且探索研究出了土壤腐蚀研究的原位动态检测方法，引领了检测方法的发展。”

  致力于土壤腐蚀的科学研究

  土壤是人类赖以生存和发展的最基本的自然环境，土壤腐蚀是指土壤对地下设施和构筑物等因受土壤中的水分、溶盐、氧和微生物等的侵蚀而发生的腐蚀破坏现象。随着国民经济的发展，特别是能源工业的发展以及西部大开发的推进和东北老工业基地的振兴，有大量的地下管道、钢桩、套管、储罐和电缆等地下设施投入建设和使用。这些地下构筑物常因遭受土壤腐蚀而给国民经济的建设造成巨大的损失，建立、完善和发展土壤腐蚀的研究方法具有重要的科学意义和经济价值。

  张老师介绍，土壤是一个非均质、多相、多孔的体系。在土壤体系中，土壤胶体带有电荷，并吸附一定数量的“-”离子，当土壤中存在少量水时，土壤即成为一个由带电胶体与离子组成的导体，因此土壤可认为是一个腐蚀性多相电解质。当金属与不同性质的土壤接触时，金属与土壤界面之间会产生不同的界面电位，使金属不同部位存在电位差，它通过土壤形成回路，构成腐蚀电池。土壤中金属的腐蚀过程主要是电化学过程。土壤的腐蚀与土壤的各种物理、化学性质以及环境因素有关，因此土壤腐蚀比其它腐蚀更要复杂。其中与土壤腐蚀相关的理化性质有10种，它们分别为：含水量、土壤结构、含氧量、CO ₂ 含量、含盐量、硫酸盐含量、pH、氧化还原电位和土壤电阻率。

1989年沧州到临邑输油管线调查合影

试件排列状况，1992年全国土壤网成都站埋试前电缆金属

  金属管道能在一年内被腐蚀穿孔，也可以几十年没有明显的变化。钢铁在理化性质一致的土壤中平均腐蚀率是很小的，美国国家标准局长期土壤埋件的试验结果表明，在较均一的土壤中金属平均腐蚀率为 0.02mm/a，最大为0.064mm/a, 最小为 0.036mm/a。也就是说，在性质一致的土壤中，2mm 厚的钢铁小试件需要 30 ～ 50 年才可能腐蚀穿孔，如果将同样试件埋设在环境差异较大的土壤中，腐蚀情况大不相同。假设埋 12 年后，所腐蚀的最深孔高到5mm, 平均每年腐蚀 0.46mm。也就是说 2mm 厚的试件只需 4 ～ 5 年就腐蚀穿孔。

  土壤是一个由固、液、气三相组成的多相体系。而且大多数土壤是不均一的。金属构件表面与不均一的土壤接触，就可能使不同部位的金属产生一定的电位差，根据调查，有一定差异的土壤剖面中钢铁的自然电位差一般为数十毫伏，差异很大的土壤可高达数百毫伏，这样就有可能形成土壤腐蚀中危害很大的宏电池腐蚀。

  地下金属附件的腐蚀大多为电化学腐蚀，电腐蚀是电化学腐蚀的一种特殊形式。土壤是复杂的三相体系，因为土壤腐蚀比溶液介质中的腐蚀要复杂得多。因此，金属在土壤中的腐蚀有它的特点，在防腐措施中，一定要保持绝缘层的质量，并采用电化学保护，防止杂散电流侵袭，使靠近埋地构件金属表面的土壤具有一定的均匀性，减少宏电池腐蚀的形成。

  三峡坝区土壤对钢铁的腐蚀性研究

  长江三峡工程是当今世界上最大的水利工程，具有防洪、发电、航运等巨大的综合效益。金属材料的土壤腐蚀是该工程建设中不可忽视的地方，要保证其长期、安全地运行，就必须对工程中的埋地金属构件进行有效的腐蚀防护，而构件使用寿命的预测及防护方法的筛选又赖于该地区土壤的腐蚀性强弱。因此，三峡地区对钢铁腐蚀性的研究具有非常重要的意义。

  早在 1959 年，全国土壤腐蚀网站为了配合三峡工程建设，在三斗坪建设了土壤腐蚀试验站，埋设了大量的钢铁试件。1993 年对埋设了 33 年的钢铁试件进行了挖掘和现场测试。然后按工业分工，对试件进行了分析。

  张老师回忆：“我国在 50 年代末在国家科委的组织下建立了国家土壤腐蚀试验网，在全国 29 个点埋设了常用的钢管、钢板、混凝土、电缆护层与塑料等四大类材料 4993 个试件。其中三峡站是其中的一个试点。1993 年，我参与了由武汉材料保护所三峡站埋置 33年的试件进行全面挖掘和现场测试，并对全部试件进行了各项分析检验和试验研究。三峡土壤腐蚀试验站位于长江西陵峡中段南岸三斗坪镇下坝村，距江岸约 300 米，距中保岛约 1000 米。这里的土壤为黄棕壤，是花岗岩的半风化物。挖掘出来的裸钢管和裸钢板试件均受到土壤介质腐蚀。试件表面呈现全面的不均匀腐蚀形貌，出现有坑蚀、孔蚀 、焊缝腐蚀等，严重者导致穿孔。我们以三峡坝址土壤的腐蚀性调查与研究为重点，探讨了三峡地区土壤的腐蚀性及其主要影响因子。”

  张老师介绍，影响土壤腐蚀性的因素很多，而且相互关系与作用十分复杂，目前国内外尚无公认的统一说法，一般而言，土类与土质、土壤中可溶性盐总量，土壤电阻率，含水含气率、p H 值、土壤微生物、气候因素、污染因素等影响均较大。针对三峡站土壤对钢铁与硅酸盐混凝土试件的腐蚀状况，土壤腐蚀性较强的主要因素是 :（ １） 土壤不均匀性，对钢铁容易造成宏电池腐蚀，当土壤中的砾石和半风化颗粒与金属试件接触时，由于氧的浓差极化使钢铁试件表面形成阳极区易发生坑蚀穿孔等局部腐蚀。

1989年土壤腐蚀培训班与学员交流

1984年全国土壤大庆站开挖现场土壤电阻率测试

  （2） 通过土壤微生物菌量分布的测定结果表明，三峡站腐蚀微生物腐蚀特征十分明显，是典型的受 SRB 菌促进腐蚀的结果。

  （3） 三峡站土壤含水率较高 , 有一定的氧含量，pH 值中性偏酸 , 这也是促进钢铁及水泥制品腐蚀的因素之一 , 尤其在硫酸盐还原菌的作用下 , 试件周围土的 pH 值下降至 5.7 ～ 6.0, 加速了腐蚀过程 , 特别对于硅酸盐混凝土容易引起类似酸性溶液的溶解性腐蚀。

  （4） 三峡地区为亚热带气候，温暖潮湿，年降雨量大，季节差大，雨量集中，在夏季约占 52.4%，春秋季分别为24.1% 和 17.1%，冬季仅为 6%。由于三峡地区土壤排水性较好且有一定保水性能，因此长期埋设在土壤中的试件经常处于干湿交替的状态下，增强了土壤的腐蚀性。

  鉴于三峡地区土壤对于钢铁和硅酸混凝土试件的腐蚀性较强，张老师在报告中给出了系列建议，三峡工程的地下构筑物一定要采取防护措施，以确保工程的安全运行。地下工程构件要选用合适的能耐三峡地区土壤腐蚀的材料，适当考虑增大其腐蚀裕量，保证构件的焊接质量。硅酸盐类材料在三峡土壤中耐蚀性差 , 建议选用普通硅酸盐水泥及矿渣硅酸盐水泥配制混凝土构件，再加入一定量的渗合料及外加剂进行防护。石棉水泥管及聚乙烯塑料在三峡土壤中耐蚀性能良好，建议三峡工程能参考选用。

  采访中张老师介绍，土壤防腐蚀的研究为材料的使用和设计为三峡工程的建设提供了重要的参考依据，丰富了材料环境适应性研究的内容。更重要的是这些研究在国民经济建设中发挥了重要的指导作用。

  原位动态检测的应用与推广

  张老师和他们的研究团队从事土壤腐蚀环境的研究，在研究中，他们发现许多土壤腐蚀因素环境对土壤腐蚀性都有不同程度的影响，但是传统的对土壤腐蚀环境因素检测的方法是采用瞬态方法。但实际上，土壤的腐蚀环境随着月份、季节甚至是年度每时每刻都在发生变化。采用瞬态方法检测土壤腐蚀情况具有很大的局限性。于是张老师的研究团队发明了原位连续动态测试土壤腐蚀环境因素，并用这种方法完成了土壤电阻率、土壤电位梯度、土壤氧化 - 还原电位、土壤盐分浓度、土壤氯离子浓度、土壤温度和水分等土壤腐蚀环境因素的原位连续动态检测的研究和应用。

  张老师介绍：“通过这种方法，我们的研究团队能对土壤进行持续地观测和记录。比如说，对土壤温度进行原位持续测试，我们对一定深度的土壤温度进行定点连续测试，这样就可以积累深度土壤温度的季节性变化数据。再比如说，土壤电阻率的原位测试，关键技术是研制出一种可长期埋设在土壤中不受腐蚀而能正常工作的电导电极，我们选用有良好导电性能的纯石墨作为电极材料，精心研制出了石墨导电电极，安装时根据试件的埋设深度，设定两个测试深度，计算好各电极间的距离，埋设在表层土壤中。这种电极可长年埋设在表层土中进行原位连续测试。”

  针对土壤氧化还原电位的原位连续测试，张老师介绍，他们采用接头具有良好防水性能的长屏蔽导线的铂电极和特制的长效饱和甘汞电报，与具有高输入阻抗的 DMP-2 型数字式 mv ／ pH 计配合进行的原位测试，这种方法适用于稍微湿润的各种不同的土壤，特别是那些土壤腐蚀中心试验站及其他需要掌握深层土壤氧化还原电位动态变化情况的地方。

  关于土壤电位梯度的原位连续测试，张老师介绍，土壤电位梯度是衡量某一地区是否有地下杂散电流存在及其强弱程度的良好指标。除采用长效饱和硫酸铜参比电极在土壤中长期埋设外，其余的测试原理均与常规方法相同。另外，土壤盐分浓度的测试是用多通道数字式盐分测定仪和盐分传感器进行的。盐分传感器的主要部件是嵌在微孔素烧陶瓷片两边的铂丝网所构成的电导电报和进行温度补偿用的热敏电阻，测定所得的电导值通过查标准曲线即可换算成土壤溶液的盐分浓度。

  对于土壤氯离子浓度的原位连续测试和土壤水分的连续测试，张老师他们也有一系列的见解。对于土壤氯离子浓度的原位连续测试的方法是：土壤氯离子浓度的原位连续测试用氯离子选择电极，配以参比电极和 DMP-2 型数字式mV ／ pH 计进行测试的氯离子选择电极电位的高低与土壤溶液中氯离子的活性浓度成相关关系，因此根据氯离子选择电极对参比电极的电位通过查标准曲线，就可求出土壤溶液中氯离子的浓度。

  土壤水分的原位连续测试土壤水分状况的原位连续测试是采用负压计法和水分传感器法进行的负压计法是利用土壤对水的吸力，在仪器内部产生一个负压，并通过真空表指出来土壤含水量低，土壤吸力就大，负压值也大；土壤含水量高，土壤吸力小，负压值就小。

  张老师解释道，其实土壤腐蚀环境因素的原位连续检测整套测试技术的关键在于各种传感器的选择改进或研制。一方面要保持传感器的灵敏度和稳定性，还要保持它们的长效性。这项技术在大庆油田设计院的密切合作和大力支持下，在大庆中心站应用，后来又在大港、新疆、沈阳和成都中心站推广应用，不仅达到了研制的目的，而且受到好评。

  立足当下研究 再接再厉

  采访中，张老师感慨地说：“在南京土壤研究所，我们的研究团队属于小众，但毋庸置疑的是，土壤的腐蚀试验与研究工作对于工业的发展具有非常重要的作用。在工业发达的国家都十分重视材料的土壤腐蚀试验和研究工作，早在上世纪初，美国就在全国建设了 128个试验站，埋设了 333 种材料，3.6 万个试件，历时45年进行了土壤腐蚀研究，于 1954 年出版的《地下腐蚀》专著中，所取得的试验研究成果为美国的地下工程的防腐设计、选材、制定防腐规范和标准提供了科学依据。幸运的是，我国的土壤腐蚀与防护工作经过几十年的发展已经有声有色，特别是在国家科委和国家自然科学基金委的共同组织与领导下，国家材料土壤环境腐蚀试验站按照全国土壤类型进行了划分，这些试验站从南到北，从西到东，横跨 8 个省市自治区，包含酸性土、滨海盐土、内陆盐渍土等腐蚀性较强的土壤环境，实现了覆盖国家重点建设地区。经过 40 多年几代科研人员的辛勤工作，国家材料土壤环境腐蚀试验站己经积累黑色金属、有色金属、合成材料和保护层、建材等共 38 种材料在我国典型土壤环境中腐蚀数据和环境数据 40 多万个 , 并建立了相应的材料土壤腐蚀数据库 ; 获得了典型材料在不同土壤环境中和不同材料在同—土壤环境中的耐蚀性差异 ; 形成了数据分析软件、土壤腐蚀性评价方法，并绘制了全国多个地区的区域性土壤腐蚀性分级图。”

  历数过往成就，张老师感慨地希望现在的科研人员，不要忘记土壤腐蚀这块科研阵地，在这块阵地上再接再厉，再创辉煌！

  后记：

  不积跬步，无以至千里。在科研的道路上只要坚持不懈，最终也能在平凡中实现自我价值。张老师衷心地祝愿每位年轻的科研工作者在平常的科研工作，守住一份信念，锲而不舍地向着自己的梦想前进！

  人物简介

  张道明，副研究员，享受政府特殊津贴。1963 年毕业于南京农学院，毕业后在中国科学院南京土壤研究所工作。擅长埋地金属腐蚀原因的诊断和参比电极的研制。并在土壤腐蚀性研究和土壤腐蚀测试新方法方面有较深的研究。“六五”参加国家科委资助项目，历任国家自然基金“七五”“八五”重大项目课题“土壤腐蚀性研究”“我国自然环境材料腐蚀数据积累及规范性研究”课题负责人之一。参加“九五”项目部分工作，参加材料在三峡地区土壤腐蚀行为的研究工作。

  多次参加地下管线腐蚀穿孔原因的诊断和管道沿线的土壤腐蚀环境的勘测，在全国腐蚀网、上海、江苏石化、宝山钢铁厂，上海浦东煤气管线、秦山核电站、南京空军油库、光滑机场等数个机场和石油部的腐蚀调查和应用。1987 年土壤腐蚀研究及电化学方法在地下金属管道工程中的应用获得中科院三等奖；1992 年土壤腐蚀性研究获得科学院科技进步二等奖；1992 年材料土壤腐蚀数据积累及腐蚀与防护研究获科学院科技进步二等奖；获得国家专利三项。