钢铁的表面腐蚀概述及防蚀方法

钢铁的表面腐蚀概述及防蚀方法
1 前言
钢铁制品如建筑物、铁塔、输送管道和桥梁等由于长期暴露在空气或溶液中易与氧气以及电解质溶液等发生相互作用被腐蚀，严重影响美观以及产品的使用寿命，给国民经济建设带来很大的损失。

在我国，据中国工业和自然环境腐蚀调查项目组2008年调查结果显示，由腐蚀造成的直接经济损失约为2300亿元，间接经济损失为5000-6000亿元，相当于当年我国国民生产总值的5％。

钢铁腐蚀后的影响，除了直接损耗以外，还影响钢结构受力与继续使用。

日本统计过这样的资料，在受力情况下钢结构被腐蚀后，若腐蚀1％，其强度下降10~15％。

若双面腐蚀各达5％，其结构将报废。

就世界范围来说，虽然防腐技术措施在不断发展，使腐蚀问题得到了一些缓解，但总的来说，钢铁产品的腐蚀仍十分严重。

本文结合有关式样的检测分析来阐释常见的环境中中钢铁的腐蚀机理，并提出相应的腐蚀防护机理。

2 钢铁腐蚀分类及原理简介
总的来说，钢铁的腐蚀按原理可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类，而各类又有很多种情况。

当然在一般情况下钢铁的腐蚀大多为电化学腐蚀，这里仅仅就原理上来叙述。

2.1 化学腐蚀
金属材料与干燥气体或非电解质直接发生化学反应而引起的破坏称化学腐蚀。

钢铁材料在高温气体环境中发生的腐蚀，通常属化学腐蚀，在实际生产过程中（冶炼轧制）常遇到以下类型的化学腐蚀：
a. 钢铁的高温氧化：钢铁材料在空气中加热时，铁与空气中的O2发生化学反应,在570℃以下反应如下：
3Fe + 2O2 → Fe3O4
生成的Fe3O4是一层蓝黑色或棕褐色的致密薄膜，阻止了O2与Fe的继续反应，起了保护膜的作用，而在Fe3O4外面往往有一层Fe2O3包裹在外面。

570℃以上生成以FeO 为主要成分的氧化皮渣，生成的FeO是一种既疏松又极易龟裂的物质，在高温下O2可以继续与Fe反应，而使腐蚀向深层发展，得到FeO。

图1 攀钢轨梁厂加热炉内垫子氧化铁皮截面SEM图片
上图是攀钢轨梁厂加热炉内垫子氧化铁皮截面SEM形貌图，能谱检测结果表明白色部分是Fe2O3，浅褐色是Fe3O4固溶体。

从上图可以看出金属铁的高温氧化过程：金属铁-FeO-Fe X O[FeO-Fe3O4固溶体]- Fe3O4- Fe2O3。

这个过程伴随着体积膨胀，产生微裂纹，气体沿着裂隙浸入，使得氧化铁进一步氧化膨胀而碎裂。

不仅空气中的氧气会造成钢铁的高温氧化，高温环境中的CO2，水蒸气也会造成钢铁的高温氧化，温度对钢铁高温氧化影响极大，温度升高，腐蚀速率显著增加。

因此，钢铁材料在高温氧化性介质(O2，CO2，H2O等)中加热时，会造成严重的氧化腐蚀。

b. 钢的脱碳：钢中含碳量的多少与钢的性能密切相关。

钢在高温氧化性介质中加热时，表面的C或Fe3C极易与介质中O2、CO2、H2O和H2等发生反应，反应式分别如下：
Fe3C(C) + 1/2O2 → Fe + CO
Fe3C(C) + CO2 → 3Fe + 2CO
Fe3C(C) + H2O → 3Fe + CO + H2
Fe3C(C) + 2H2 → 3Fe + CH4
上述反应使钢铁工件表面含碳量降底，这种现象称为"钢的脱碳"。

钢铁工件表面脱碳后硬度和强度显著下降，直接影响零件的使用寿命，情况严重时，零件报废，给生产造成很大的损失。

c. 氢脆：含氢化合物在钢材表面发生化学反应，如：
酸洗反应：FeO + 2HCl → FeCl2 + H2O；Fe + 2HCl → FeCl2 +2 H
硫化氢反应：Fe + H2S → FeS + 2H
高温水蒸气氧化：Fe + H2O → FeO + 2H
这些反应中产生的氢，初期以原子态存在，原子氢体积小，极易沿晶界向钢材的内部扩散，使钢的晶格变形,产生强大的应力，降低了韧性,引起钢材的脆性。

这种破坏过程称为“氢脆”。

合成氨、合成甲醇和石油加氢等含氢化合物参与的工艺中，钢铁设备都存在着氢脆的危害，特别对高强度钢铁构件的危害更应引起注意。

d. 高温硫化：钢铁材料在高温下与含硫介质(硫，硫化氢等)作用，生成硫化物而损坏的过程称“高温硫化”，反应如下：
Fe + S →FeS
Fe + H2S → FeS + H2
高温硫化反应一般在钢铁材料表面的晶界发生，逐步沿晶界向内部扩展，高温硫化后的构件，机械强度显著下降，以至整个构件报废。

在采油，炼油及高温化工生产中，常会发生高温硫化腐蚀，应该引起注意。

2.2 电化学腐蚀
在一般的使用环境下，钢铁的腐蚀属于电化学腐蚀。

电化学腐蚀则是金属与电解质作用所发生的腐蚀，它的特点是在在腐蚀过程中伴随着电流的产生。

钢材、生铁、
熟铁都不是纯铁，是Fe和C的合金。

在有水和空气的条件下，Fe和C形成原电池，Fe 充当负极，C充当正极，吸收O2，Fe被氧化。

原电池反应要比单纯的化学腐蚀快很多，所以铁锈的生成过程主要是Fe-C原电池发生吸氧腐蚀的过程。

按照反应过程中氧元素是否有这电子得失，可将电化学腐蚀分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀两类。

a. 析氢腐蚀：水膜中H+在阴极得电子后放出H2，同时H2O不断电离，OH-浓度升高并向整个水膜扩散，使Fe2+与OH-相互结合形成Fe(OH)2沉淀，而Fe(OH)2还可继续氧化成Fe(OH)3：
阳极反应：Fe - 2e → Fe2+
阴极反应：2H+ + 2e → H2
4Fe(OH)2 + 2H2O + O2→ 4Fe(OH)3
Fe(OH)3可脱水形成nFe2O3.mH2O，nFe2O3.mH2O是铁锈的主要成分。

由于这种腐蚀有H2析出，故称为“析氢腐蚀”。

b. 吸氧腐蚀：水溶液中通常溶有O2，它比H+离子更容易得到电子，在阴极上进行反应。

阴极反应：O2 + 2H2O + 4e → 4OH-
阳极反应：Fe - 2e → Fe2+
阴极产生的OH-及阳极产生的Fe2+向溶液中扩散，生成Fe(OH)2，进一步氧化生成Fe(OH)3，并转化为铁锈.这种腐蚀称为吸氧腐蚀。

在较强酸性介质中，由于H+浓度大，钢铁以析氢腐蚀为主；在弱酸性或中性介质中，发生的腐蚀是吸氧腐蚀。

影响钢铁电化学腐蚀的因素很多，首先是金属所含的杂质元素。

如果杂质元素比金属活泼，则形成的微电池，以金属为阴极便不易被腐蚀；如果杂质比金属不活泼，则金属成为微电池的阳极而被腐蚀。

其次，为保护钢铁基体而涂覆的保护层如使用不当也会促使材料的腐蚀。

例如，某一铁制容器以镀锡保护，表层的锡被擦伤后造成Sn-Fe原电池的破坏，其中(Fe2+/Fe3+)较低，在构成的原电池中铁为阳极而受到损坏。

钢铁的腐蚀中除了大部分的化学腐蚀外，还有少部分的物理腐蚀，比如应力腐蚀。

它指的是当金属中内应力或外在固定外应力促使腐蚀进行的过程。

应力的存在使晶格发生畸变，原子处于不稳定状态，能量升高，电极电势下降，在腐蚀电池中成为阳极而首先受到破坏。

3 不同环境中钢铁的腐蚀
目前，钢铁材料广泛分布于各类环境中，在国民经济建设中也发挥着越来越重要的作用。

但是Fe元素的化学活泼型较强，即便在在常温常压下便能与空气中的O2、H2O 等发生交互作用而使钢铁材料被腐蚀。

环境因素对钢铁制品的腐蚀条件影响非常大，环境不同，其腐蚀机理也不尽相同，因此有必要就具体的使用环境具体阐释其腐蚀机制与影响因素。

3.1大气环境中钢铁的腐蚀
大气腐蚀是最古老的腐蚀形式之一，由于金属在自然环境尤其大气环境中使用非常普遍，大气腐蚀一直是金属材料遭到破坏的一个重要原因。

全世界在大气中使用的钢材一般超过其每年生产总量的60％，大气腐蚀损失的钢材约占总损失量的50％以上。

我国大气污染比较严重，据调查，每年因大气腐蚀而损耗的钢铁就达500多万t，因酸雨和二氧化硫污染造成的损失每年达1100多亿元人民币。

因此，研究钢铁的大气腐蚀是一项十分重要的课题，而有关钢铁腐蚀机理的研究也一直备受关注。

我国是幅员辽阔的国家，气候类型和条件复杂，在不同的大气气氛中，钢铁腐蚀速率不一样，其机理也不尽一致，因此有必要对不同的大气气氛做分门别类，研究其腐蚀机制，并对其影响因素作细致探讨。

以大气环境中钢铁的腐蚀来进行阐述以A3钢为例，在我国的各主要地区的相对腐蚀率统计如下：
地区地点相对腐
蚀率
北方干燥风沙地区
中部农村大气北方城郊大气北方冶金工业大气
北方海洋大气西南潮湿地区南方海洋大气化工气氛(氯、碱)
包头
湖北
北京
鞍钢
青岛、
天津
成都
湛江
葛店
1.0
1.8
2.0
2.6
4.5
6.0
8.0
15~18
3.1.1 大气中钢铁的腐蚀机理
钢铁的大气腐蚀速度与其所处的大气环境密切相关，主要表现为锈蚀。

典型的大气腐蚀环境有三种类型：乡村大气、工业大气和海洋大气。

在乡村大气中，影响大气腐蚀的主要因素是湿度和温度；在工业大气中，影响大气腐蚀的主要因素是SO2；而海洋大气中，影响大气腐蚀的主要因素是Cl-。

在本节里我们只讨论乡村大气和工业大气，海洋大气在下一节里有论述。

1) 乡村大气
钢铁在乡村大气下腐蚀的主要产物α-FeOOH、γ-FeOOH和Fe3O4。

其中外部锈层为γ-FeOOH，内部锈层为α-FeOOH和Fe3O4。

大气腐蚀的影响因素很多，而这些因素都会直接影响到大气的腐蚀机理。

碳钢在乡村环境下的腐蚀机理可用图2表示，在潮湿环境下，由于电化学腐蚀的作用，铁单质会被逐渐腐蚀，溶解，生成Fe2+而且Fe2+在钢铁腐
蚀过程中起着自动催化的作用，加速了钢铁的腐蚀。

图2 乡村大气下碳钢的腐蚀示意图
其中，(1)反应表明Fe被电化学腐蚀后溶解生成的Fe2+主要以FeOH+、Fe(OH)2和Fe2+的形式存在。

(2)、(3)和(4)的反应是Fe2+在空气的氧化作用下，可经Fe(OH)2生成绿锈，绿锈接着氧化，生成Ferrihydrite。

而反应(5) (6)则与反应体系的pH值有关，当pH值为近中性时，主要生成γ-FeOOH，并且相转化时间最短。

Ferrihydrite在酸性条件下可形成α-FeOOH，但其反应速度明显小于(5)。

(8)和(9)的反应是Fe3O4的生成过程，其中(9)反应的是在γ-FeOOH形成之后内层发生缺氧腐蚀过程，生成了Fe3O4，因此也主要分布在内层。

(8)反应的是γ-FeOOH相转化为Fe3O4的过程，而其中Fe2+对γ-FeOOH相转化为Fe3O4有促进作用。

(7)表明Fe3O4与γ-FeOOH转化过程。

这一步也经历了复杂的相转化，Fe3O4转化为γ-FeOOH则发生在由湿变干的初期。

综上所述，在碳钢的乡村大气腐蚀过程中，随着α-FeOOH、γ-FeOOH的生成，Fe2+起着自动催化作用，而Fe3O4的生成也与Fe2+的自动催化有关，所以可以认为在碳钢的腐蚀过程中，Fe2+起着自动催化的作用，加快了碳钢的腐蚀。

2) 工业大气
在SO2环境下，碳钢的大气腐蚀的主要产物是α-FeOOH，γ-FeOOH、β-FeOOH和Fe3O4含量较少，与在乡村大气的腐蚀产物类似。

碳钢在SO2环境下的大气腐蚀反应方程式可表示如下：
Fe-2e-→ Fe2+
SO2+O2+2e-→ SO42-
Fe2++ SO42-→ FeSO4
4 FeSO4+6H2O+O2→ 4 FeOOH+4H2SO4
与乡村大气腐蚀不同的是，在SO2存在的情况下，碳钢服饰城铁黄的同时还有着H2SO4的生成，而这些H2SO4则会继续与铁基反应，进一步腐蚀碳钢，形成一个酸的循环生成机制。

碳钢在工业大气环境下的腐蚀机理可用图3表示：
图3 工业大气下碳钢的腐蚀示意图
由于SO2在水中的溶解度比O2大得多，它溶于水后，经进一步空气氧化会生成硫酸，使得金属表面液层的pH值很快降低，所以Fe2+的生成一部分来源于单质铁与酸的反应，另一部分来自于电化学腐蚀其中，反应（1）指的是Fe被电化学腐蚀后生成的产物以FeOH+、Fe2+和Fe(OH)2为主，当pH值较小的时候，以Fe2+为主。

反应（2）与乡村大气中反应基本相同，由于大气中SO2的存在，经氧化溶于水后会有SO42+的生成，在SO42+的存在下，Fe(OH)2进一步氧化生成GR(II)。

(4)、(5)和(6)的反应是Fe(OH)2经Ferrihydrite形成α-FeOOH和γ-FeOOH的过程，近中性pH值时转化为
γ-FeOOH且所需时间最短，而酸性环境有利于α-FeOOH的形成。

(7)反应是γ-FeOOH向α-FeOOH转变的过程。

而在含有Fe2+、SO42+的条件下，能加速γ-FeOOH的相转化过程，这也是后期很难发现有γ-FeOOH的原因。

(8)反应的是β-FeOOH的生成过程，β-FeOOH内部及表面吸附S04玉可增加锈层的致密度，减慢腐蚀速度。

(9)反应是形成Fe3O4的过程。

这些产物应该是腐蚀后期在缺氧的内层形成的。

综上所述，在碳钢的工业大气腐蚀中，由于SO2的原因，生成了特有的GR(II)。

在生成的的腐蚀产物γ-FeOOH或α-FeOOH过程中，Fe2+起着催化作用，加速了它们的形成。

本文认为碳钢的腐蚀过程中，Fe2+起着自动催化的作用，加快了碳钢的腐蚀。

3.1.2 大气中的腐蚀影响因素
从前面所描述的钢铁在不同大气环境中的腐蚀行为的研究来看，影响其腐蚀因素主要有含氧量、湿度、温度、电解质和pH值等因素，在这里我们假设常态下大气中的含氧量基本恒定，不予讨论，而就其他方面将详细叙述。

湿度的影响：钢铁在潮湿的空气中，表面会形成一层薄水膜，这层水膜的存在，导致钢铁表面产生电化学腐蚀。

钢铁腐蚀的产物，是疏松的铁的氧化物的水合物，它不能隔绝钢铁与氧和水的继续接触，因此在潮湿空气中，腐蚀将不断地继续发展。

钢铁表面形成引起腐蚀的水膜与空气的相对湿度有关。

当空气的相对湿度达到100％，或者钢铁表面温度低于露点时，潮气就会在钢铁表面结露。

但当钢铁表面存在疏松的铁锈或有易吸湿的固体粒子时，即使不能满足上述条件，只要空气的相对湿度超过某一临界值，钢铁的腐蚀也会得到加速。

在大气环境中，当空气中相对湿度超过60％以上时，钢铁的腐蚀速率呈指数曲线上升，而相对湿度低于50％，腐蚀速率极低(见图4)。

图 4 空气相对湿度与钢铁腐蚀速率的相关曲线
温度的影响：温度与湿度相互间的协同效应，影响钢铁的腐蚀速率，在高温高湿环境下，金属的电化学反应加速，使钢铁的腐蚀加快。

另外，环境温度升高，使空气中饱和蒸气的含水率大大增加，一旦温度降低，马上形成冷凝水附着在锈蚀裂缝中或形成电解液加速电化学腐蚀或造成应力促进腐蚀的进行。

电解质的影响：如所处环境空气中含有较多的盐、碱类电解质污染物，就会提高冷凝露水的导电率，增大钢铁的腐蚀速度。

总之，电解质加上水和氧，就会促进电化学腐蚀反应的发生。

酸性气体的影响：在某些地理环境，受地质条件、工业污染等影响导致大气中酸性气体如SO2、CO2、NO等浓度较高，容易形成酸雨腐蚀，或使冷凝水的pH值偏酸性，容易将金属Fe或Fe(OH)2、Fe(OH)3溶解，增加反应单元数目使腐蚀加剧。

3.2海洋环境中钢铁的腐蚀
海水的成分极为复杂，还有大量的无机盐类，是含盐浓度极高的天然电解质溶液，金属结构部件在海水中的腐蚀情况，除一般电化学腐蚀外，还有其特殊性。

海洋环境下的腐蚀可分为海洋大气和冲击区的腐蚀，下面将分别叙述。

3.2.1 海洋中不同环境下的腐蚀
1) 海洋大气中的腐蚀
海洋大气中相对湿度较大，同时由于海水飞沫中含有氯化钠粒子，所以对于海洋钢结构来说，空气的相对湿度都高于它的临界值。

因此，海洋大气中的钢铁表面很容易形成有腐蚀性的水膜。

薄水膜对钢铁的作用而发生大气腐蚀的过程，符合电解质中电化学腐蚀的规律。

这个过程的特点是氧特别容易到达钢铁表面，钢铁腐蚀速度受到氧极化过程控制。

空气中所含杂质对大气腐蚀影响很大，海洋大气中富含大量的海盐粒子，这些盐粒子杂质溶于钢铁表面的水膜中，使这层水膜变为腐蚀性很强的电解质，加速了腐蚀的进行，与干净大气的冷凝水膜比，被海雾周期饱和的空气能使钢的腐蚀速度增加8倍。

下面是海洋大气环境下碳钢的腐蚀机理图。

图5 海洋大气下碳钢的腐蚀示意图
其中，反应(1)(2)与乡村大气中行为相似，但是在(3)中，由于有Cl-的存在，Fe(OH)2进一步被氧化成GR(Ⅰ)，这与前面两种气氛有所区别。

(9)和(11)反应过程较快，生成的绿锈可快速生成β-FeOOH和Fe3O4，由于β-FeOOH不稳定，很快便会转变成α-FeOOH。

当(12)反应腐蚀速度较快时，容易导致缺氧可形成Fe3O4。

(4)、(5)和(6)的反应是FeOH+和Fe(OH)2经GR(I)和Ferrihydrite形成γ-FeOOH和α-FeOOH的过程。

(7)和(8)反应是表明γ-FeOOH与Fe3O4之间的相互转化。

在强还原条件下，近铁表面的内层产生Fe3O4：
4γ-FeOOH+2{Fe OHOH) → 2 Fe3O4 +4H2O
Fe2++2γ-FeOOH → Fe3O4+2H+
在氧流动并干燥时(外层)继续发生氧的还原去极化：
3Fe3O4+3/4O2+9/H2O → 4γ-FeOOH
综上所述，在碳钢的海洋大气腐蚀中，由于Cl-的原因，生成了特有的GR(I)。

在生成的的腐蚀产物α-FeOOH或γ-FeOOH过程中，Fe2+起着催化作用，加速了它们的形成。

2) 潮差区和飞溅区的腐蚀
在海洋环境中，受潮汐和波浪作用而干湿交替的区域为飞溅区。

该区域是一个特殊的腐蚀环境，钢结构表面由于受到海水周期湿润、风浪冲击，所以经常处于干湿交替状态。

通常在海平面以上，8m以下的空间，大气中的盐雾浓度最高，氯离子浓度也高。

氯离子是一种穿透力极强的腐蚀介质，接触到钢铁表面，便迅速破坏钢铁表面的钝化层，先形成一个小阳极，金属铁溶解，形成一个腐蚀坑，亦称为点腐蚀。

盐雾浓度越高，冷凝后的电阻率越低，导电性增大，加速电化学腐蚀。

由于腐蚀介质厚度较小，以及在蒸发过程中加强了介质的混合，因此向钢铁表面供氧的速度大大加快，从而加速了钢铁表面的阴极腐蚀。

另外，在飞溅区的钢结构上形成的腐蚀产物二价铁，在海水薄膜下的空气中进行强烈氧化，变成三价铁。

这样，这个部位的腐蚀产物不仅不能抑制腐蚀程度，反而由于三价铁的还原导致阴极过程的去铁化，从而对腐蚀过程起了促进作用，这些原因致使钢结构在飞溅区腐蚀特别严重。

3.2.2 海洋环境下的腐蚀影响因素
海洋环境下的腐蚀因素除了常见的湿度、温度、含氧量和pH值外，还有含盐量(以
Cl-计)、海浪的冲击等，下面将重点叙述。

(1) Cl-浓度：Cl-是具有极强腐蚀活性的离子，以致使碳钢，铸铁，合金钢等材料的表面钝化失去作用，甚至对高镍铬不锈钢的表面钝化状态，也会造成严重腐蚀破坏；
(2)海浪的冲击作用对构件表面电解质溶液起了搅拌和更新作用，同时海浪的冲涮使已锈蚀的锈层脱落，加速了腐蚀的进度；
(3)海生生物的影响：金属结构部件表面海生生物的生长(如船舷的水下部分)能严重破坏原物体的保护层(如油漆)使构件受到腐蚀破坏，同时海生生物的代谢产物(含有硫化物)使金属构件的腐蚀环境进一步恶化，导致了腐蚀作用的加剧。

对于其他影响因素，总的来说，随着海水中含盐量的升高，海水的导电性增大，腐蚀加速；而溶氧量越大，铁锈生成越快、越多，加速了阳极的腐蚀。

特别是桥梁和海上钻井平台的飞溅区，海水的含氧量更高，腐蚀更严重；不同海域水质的pH值也有差异，pH值越低的海域，越有利于铁锈的溶解，这将加速电化学反应，腐蚀严重。

近年来，我国正在建造和准备建造的跨海大桥近10余座，海洋环境十分严酷，对大型桥梁主体结构的设计使用年限大都要求在100年以上。

因此，如何科学地合理地、正确地设计、选择长效型钢结构配套防腐涂料，需要经过慎重考虑和反复论证，才能作出决定。

3.3土壤环境中钢铁的腐蚀
土壤是一类具有毛细管的多孔性物质，空隙中充满了空气和水，土壤中含有的盐类溶解在水中，成为电解质溶液，因此，埋设在土壤中的各类管道及金属设备，具备了形成电化学腐蚀的条件而发生腐蚀损坏。

钢铁制品在土壤中主要受电化学腐蚀（吸氧腐蚀），受土壤中不同物理化学性质影响，分别产生阳极区和阴极区，经土壤介质形成通路，形成腐蚀电池并产生电流。

电化学反应式为阳极：Fe - 2e-→ Fe2+ ，阴极：1/2O2+H2O ＋2e- → 2OH-，金属铁变为Fe2+进入土壤介质中。

土壤腐蚀是一种情况比较复杂的腐蚀过程，土壤中各部分含氧量不同，不同区域土壤的不均匀性，金属零件或管材在土壤中埋没的深度不同，土壤的电导率、透气性、湿度、酸度、可溶盐含量和温度等均影响腐蚀电池的工作特性，甚至土壤中的微生物对金属腐蚀也有影响，下面将简要叙述各因素的具体影响机制。

（1）可溶盐含量：盐分溶解在土壤中的水分中，形成土壤电介质溶液，含氧量越高，土壤电阻率越小，土壤的腐蚀性就越大，并且盐分溶解时产生的NO3-、Cl-、SO42+离子（特别是Cl-）对钢管表面氧化膜以及其他保护膜有破坏作用，加速了钢管的腐蚀；
（2）透气性：氧农差是引起埋地金属管道腐蚀的主要原因，氧含量又与土壤透气性密切相关，土壤透气性好，氧含量高，吸氧腐蚀进行的越快。

除此之外，由于地下掩埋的特殊性，物件上部分的土壤透气性好于下半部分的透气性，又因为上部氧扩散途径比下部分远，这样氧容易扩散到钢管的上部分形成阴极区，而难以扩散到的钢管底部为阳极区，阳极和阴极之间产生氧浓度差电池，会引起管道阳极区腐蚀；
（3）湿度：湿度是决定金属土壤腐蚀行为的重要因素之一。

一方面水分使土壤成为电解质，为腐蚀电池的形成提供条件；另一方面湿度的变化显著影响土壤的理化性质，
进而影响金属的土壤腐蚀行为。

一般来说碳钢在不同湿度的土壤中有着如下的腐蚀规律：1在恒温、恒湿中性土壤中碳钢的腐蚀发展趋于一个稳定腐蚀状态；2土壤湿度决定着中性土壤中碳钢的腐蚀形态，高湿度条件下发生均匀腐蚀，而中、低湿度条件下发生局部腐蚀；3碳钢在中性土壤中的腐蚀速度随湿度的变化存在一个最大值，中等湿度土壤中腐蚀速度较大，高湿度和低湿度土壤中腐蚀速度较小，湿度对中性土壤中碳钢腐蚀过程的控制有显著影响．
（4）温度：温度的提高通常会加快金属的腐蚀速率。

其对腐蚀过程的影响主要是通过加快阴极扩散过程、阳极的离子化过程和改变微生物的生长活动以及体系的氧容量等起作用。

碳钢的腐蚀速率随着温度的升高而增大，但在正常含水率（21%WHC）土壤中，温度对碳钢腐蚀速率的影响明显大于高含水率时的，这一现象与氧容量和氧气的传输阻力的变化有关。

（5）微生物的影响：土壤中滋育了大量的微生物，凡是同土壤接触的金属或非金属结构的腐蚀除了受土壤理化性质的影响外，还与土壤中微生物的活动有关。

参与钢铁腐蚀的微生物主要有硫酸还原菌（SRB）和腐生菌（TGB），其中SRB可以促使土壤-钢铁界面产生H2S气体，总成腐蚀，而TGB则一促进土壤氧浓差腐蚀电池的形成，加快了产品的腐蚀速度。

其余的如pH值等与前面所描述的影响机理相似，这里不再赘述。

总的来说，土壤中的腐蚀与大气中的腐蚀最大的不同就是它处于土壤的包裹之中，这也使得这些因素如温度、氧含量、湿度等有着不同的影响机制。

4钢铁材料的腐蚀防护
从前面的原理分析可以看出，钢铁的腐蚀总的来说是Fe和环境中的腐蚀介质发生接触而被侵蚀，在这个过程中金属Fe在原电池中充当了阳极而被氧化。

对钢铁材料的腐蚀防护则可以分为表面处理即耐蚀材料表面喷涂和阴极保护两方面，至于结构成分改变，如在冶炼时添加耐蚀元素如Gr、Ni、Si等形成耐蚀钢的研究，不在讨论之列。

4.1耐蚀材料涂覆
目前国内外使用最多的钢铁结构件防腐方法是涂料涂装，具有适用面广、成本低、可操作性强等优点。

不同类型的涂料对金属的保护原理却不尽相同，按涂料对金属的保护作用，我们将涂料进行下面三个方面进行分类：
1．屏蔽类涂料：这类涂料通常是涂覆在在钢铁结构表面把金属表面和环境隔开了，相对来说环境的各类腐蚀因子如O2、H+等较难通过这层隔膜与基体发生作用，而这种保护作用可称为屏蔽作用。

但是必须指出，薄薄的一层涂料不可能起到绝对的屏蔽作用。

因为高聚物都具有一定的透气性，而水和氧分子直径通常只有几个埃，所以在涂层很薄时，它们是可以自由通过的。

有机涂料如环氧树脂类、氯磺化聚乙烯类、聚氨酯类、氯化橡胶类、不饱和聚酯类、聚氟橡胶类等与铁基有着较强的粘合力，同时有着良好的疏水性，可以有效地将集体与。