交流干擾對(duì)埋地管線陰極保護(hù)的影響

張玉星，杜艷霞，姜子濤

（北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院，北京100083）

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長，尤其是高壓、特高壓交流輸電工程及交流電氣化鐵路的建設(shè)，埋地管道與高壓交流輸電線、電氣化鐵路等交流電力設(shè)施接近或交叉的情況不可避免，由此產(chǎn)生的交流干擾問題越來越突出。陰極保護(hù)作為防止埋地金屬結(jié)構(gòu)腐蝕的有效方法已經(jīng)廣泛使用，并取得顯著效果。但是，在交流干擾下國內(nèi)外很多案例表明傳統(tǒng)的陰極保護(hù)判據(jù)已無法抑制交流腐蝕的發(fā)生。1986年在德國發(fā)生的兩起交流干擾腐蝕案例，在隨后的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，交流干擾是由于管道與15kV電氣化鐵路并行引起的，現(xiàn)場監(jiān)測陰極保護(hù)斷電電位負(fù)于－1.0V（CSE）[1]。在日本，Kajiyama等[2]在與66kV交流傳輸線并行的管道旁邊埋設(shè)試片，發(fā)現(xiàn)即使斷電電位在負(fù)于－1.0V（CSE）仍會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的交流腐蝕。法國[3]也發(fā)現(xiàn)類似案例，陰極保護(hù)電位維持在－2.0－2.5V（CSE），但是仍然發(fā)生交流腐蝕，同樣的案例也在瑞士以及南美發(fā)生。隨著世界各地有關(guān)交流干擾引起的埋地管道泄漏的案例越來越多，埋地管道的交流腐蝕問題是益受到重視。由于交流腐蝕的嚴(yán)重性以及腐蝕機(jī)理的復(fù)雜性，已經(jīng)成為當(dāng)前腐蝕研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)及難點(diǎn)，對(duì)此國內(nèi)外的許多學(xué)者也對(duì)此做了一系列的嘗試，取得了一定的成果。

1 交流干擾下陰極保護(hù)有效性探討

1.1 交流干擾下有效陰保電位的研究

既然傳統(tǒng)的陰極保護(hù)判據(jù)無法抑制交流腐蝕，那么在交流干擾下如何選擇合適的陰保電位成為研究的關(guān)鍵，圍繞此問題，國內(nèi)外開展了一系列研究。

Kim等[4－5]研究了中碳鋼在NaCl溶液中的腐蝕情況后，指出交流干擾的加入使得原來陰極保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)－780－1 100mV（vs.SCE）不再適用。當(dāng)陰極保護(hù)電位為－1 100mV（vs.SCE）時(shí)，交流電流密度為20A·m－2時(shí)，交流腐蝕很小。當(dāng)交流電流密度為100A·m－2時(shí)，交流腐蝕較大。

Panossian等[6]研究了不同交流電壓時(shí)的交流腐蝕情況，認(rèn)為交流腐蝕的評(píng)價(jià)要考慮交流和直流的耦合作用，并且指出當(dāng)測得管道交流電壓與消除IR降斷電電位的疊加峰值Epeak＜－0.85V（CSE）時(shí)，不存在交流腐蝕。這是由于在一個(gè)周期內(nèi)各個(gè)時(shí)刻管地電位均處于布拜圖的免蝕區(qū)內(nèi)，不存在腐蝕情況。當(dāng)此疊加峰值Epeak＞－0.85V（CSE）時(shí)，存在交流腐蝕。這是由于管道在交流電流的正半周時(shí)可能處在布拜圖的腐蝕區(qū)域，從而產(chǎn)生交流腐蝕。

Yunovich等[7]的研究結(jié)果表明，當(dāng)交流電流密度為20A·m－2時(shí)，100150mV的陰極極化能將點(diǎn)蝕速率降低到自然腐蝕速率以下，見圖1。但圖1僅適用于交流電流密度不是很大的情況。

圖1 極化偏移與交流電流密度關(guān)系圖（無陰影—達(dá)到保護(hù)；淺陰影—邊緣保護(hù)；黑色陰影—無明顯保護(hù)）

另外，Yunovich和 Thompson的研究[7]還表明，在很大的交流電流密度下，如大于500A·m－2，極化偏移量為100mV時(shí)能有效地抑制交流腐蝕，但是當(dāng)極化偏移量達(dá)到150300mV時(shí)，實(shí)際引起的交流腐蝕量更加嚴(yán)重，如圖2所示。

圖2 極化偏移與交流電流密度腐蝕關(guān)系圖（無陰影－達(dá)到保護(hù)；淺陰影－邊緣保護(hù)；黑色陰影－無明顯保護(hù)）

圖2 為交流電流密度（A·m－2，橫軸）、陰極保護(hù)極化偏移量（mV，縱軸）、試驗(yàn)樣品與自腐蝕狀態(tài)下腐蝕速率的比值（%）三者的輪廓圖。由圖2可見，在較高交流電流密度以及高的陰保極化偏移量情況下腐蝕是最嚴(yán)重的。在交流電流密度較大的情況下，陰極保護(hù)水平越高，發(fā)生交流腐蝕的傾向越大。

Gregoor和Pourbaix[8]根據(jù)大量的短期實(shí)驗(yàn)室測試指出，只有當(dāng)金屬的電位處于布拜圖中的“穩(wěn)定區(qū)”，金屬得到保護(hù)而且不受交流腐蝕。另外，根據(jù)布拜圖作者推斷如果土壤環(huán)境下受到陰極保護(hù)的金屬涂層缺陷處于高堿性環(huán)境中，則應(yīng)保持陰極保護(hù)電位負(fù)于提出的標(biāo)準(zhǔn)。

李自力等[9]通過對(duì)電化學(xué)阻抗譜曲線的分析最終確定在交流干擾電壓小于6V時(shí)X70鋼的最佳保護(hù)電位可選擇－900mV（CSE）左右，交流干擾電壓大于7V時(shí)可選擇－1000mV（CSE）左右，同時(shí)證明隨著交流干擾強(qiáng)度的增加，所需的保護(hù)電流密度逐漸增大。

杜晨陽等[10]通過試驗(yàn)研究證明，交流干擾會(huì)使陰極保護(hù)電流發(fā)生周期性的波動(dòng)，隨著交流干擾強(qiáng)度的增加，所需的保護(hù)電流密度增大，且陰極保護(hù)電流波動(dòng)的幅度增大。通過研究交流干擾下陰極保護(hù)電流密度和陰極保護(hù)電位變化，得出的經(jīng)典－0.85V（CSE）陰極保護(hù)判據(jù)在交流干擾存在時(shí)已不再適用。同時(shí)，杜晨陽等[11]通過實(shí)驗(yàn)室模擬裝置，研究了交流電壓在1V，3V，5V，7V下的最佳保護(hù)電位。結(jié)果表明，把陰保電位提高到－950mV（CSE）時(shí)，試樣在1V，3V交流電壓下可以達(dá)到保護(hù)要求；當(dāng)陰保電位提高到－1 000mV（CSE）時(shí)，試樣在1V，3V，5V，7V的交流電壓下可以達(dá)到保護(hù)要求；當(dāng)陰保電位達(dá)到較負(fù)值，如－1 200mV（CSE）時(shí)，陰保電流幾乎不會(huì)發(fā)生震蕩，即達(dá)到較好保護(hù)。在環(huán)境中存在交流干擾電場的作用時(shí)，可以通過提高陰極保護(hù)電位來達(dá)到抑制金屬腐蝕，實(shí)現(xiàn)保護(hù)的要求。

雖然有很多學(xué)者對(duì)如何選取適當(dāng)陰極保護(hù)電位來抑制交流腐蝕做了很多試驗(yàn)，但由于模擬試驗(yàn)裝置以及溶液成分的不同以及現(xiàn)場與模擬試驗(yàn)之間的差別，影響因素繁多，只是規(guī)律性研究。且目前已有研究結(jié)果存在很多分歧，不能達(dá)成一致，給實(shí)際應(yīng)用中陰極保護(hù)電位選取帶來一定困惑，因此需要進(jìn)一步研究。

1.2 交流干擾下交、直流電流密度的比值

在陰極保護(hù)的情況下為了合理有效地抑制交流腐蝕，許多學(xué)者除了通過適當(dāng)選取陰極保護(hù)電位外，還通過交流電流密度與陰極保護(hù)直流電流密度之比試圖找到合理的解決方法。

歐洲標(biāo)準(zhǔn) CEN／TS 15280－2006[12]中給出了使用交直流電流密度之比判斷交流干擾的標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)比值JAC／JDC＜5時(shí)，交流腐蝕概率較低；當(dāng)JAC／JDC為10時(shí)，可能存在交流腐蝕，需要進(jìn)行更詳盡的調(diào)查檢測；當(dāng)5＜JAC／JDC＜10時(shí)，交流腐蝕后果嚴(yán)重。

許多學(xué)者對(duì)交直流電流密度之比開展了一系列試驗(yàn)。Hosokawa等[13]指出可以用交流電流密度JAC和直流電流密度JDC兩個(gè)參數(shù)來綜合評(píng)價(jià)陰極保護(hù)的有效性和交、直流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上得出判斷的方法如圖3所示。當(dāng)0.1A·m－2≤JDC＜1.0A·m－2，JAC＜25JDC或1.0A·m－2≤JDC≤20A·m－2，JAC＜70A·m－2時(shí)埋地管道處于合理的保護(hù)范圍內(nèi)，而不存在交直流腐蝕或過保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)。Hosokawa之后又將門檻值20A·m－2改為40A·m－2[14－15]。

圖3 根據(jù)交直流電流密度判定管道交流腐蝕情況

Ormellese等[16－17]認(rèn)為在有陰極保護(hù)時(shí)交流電流密度不能有效地評(píng)估交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。評(píng)估交流腐蝕時(shí)需要考慮直流電流密度和管道斷電電位。作者認(rèn)為，JAC／JDC＜20，且不發(fā)生過保護(hù)，斷電電位保持在－1.0V－1.15V（CSE）時(shí)能有效地保護(hù)管道。

Funk等[18]研究發(fā)現(xiàn)，陰極保護(hù)電流密度從2A·m－2增加到5A·m－2，在交流電流密度是50A·m－2的情況下，交流腐蝕至少減半。Helm等[19]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)陰極保護(hù)電流密度增加到0.25A·m－2時(shí)，對(duì)于交流腐蝕造成的危害沒有任何緩解。但是當(dāng)陰極保護(hù)電流密度增大到4A·m－2會(huì)有顯而易見的效果。

Gummow[20]的文獻(xiàn)總結(jié)中表明，陰極保護(hù)可以將交流腐蝕降到可以忽略的程度。但是，陰極保護(hù)系統(tǒng)所提供的直流電流比沒有交流干擾時(shí)要大的多，約為0.420.53A·m－2。研究還發(fā)現(xiàn)隨著交流電流密度的增加（大于150A·m－2時(shí)），鎂陽極的電位向正向偏移。當(dāng)交流電流密度比較高時(shí)，鎂和鋼之間發(fā)生極性反轉(zhuǎn)。而且隨著交流電流密度的增加，管道陰極保護(hù)電位也向正向偏移。利用示波器對(duì)鎂陽極的界面波形研究的結(jié)果表明，鎂陽極電位的變化是由在陽極表面產(chǎn)物層對(duì)交流電流的整流效應(yīng)引起的。

Devay等[21]研究了1cm2鐵試樣在5%KCl溶液中的交流腐蝕情況。結(jié)果表明，增加直流電流密度可緩和交流腐蝕。犧牲陽極在交流電作用下，保護(hù)性要受到影響，其中鎂陽極受交流干擾影響最大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生極性逆轉(zhuǎn)，不但不能起到保護(hù)作用，反而會(huì)加速腐蝕。

張貴喜[22]通過室內(nèi)試驗(yàn)得出，當(dāng)JAC＞100A·m－2，即使陰極保護(hù)電流密度增大至0.8A·m－2時(shí)，試片腐蝕速率也無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。通過對(duì)不同陰極保護(hù)電流密度（0.010.8A·m－2）下平均腐蝕速率與交流電流密度的擬合曲線得出不同陰極保護(hù)電流密度下可承受的最大交流電流密度值，發(fā)現(xiàn)兩者之間呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系，可得當(dāng)0.01A·m－2＜JDC＜0.8A·m－2時(shí)，若JAC＜101JDC＋12≈100JDC＋10，試片腐蝕速率低于0.01mm·a－1。

可見，大部分觀點(diǎn)認(rèn)為交流干擾下陰極保護(hù)電流密度需求會(huì)增加。在一定范圍內(nèi)，直流電流密度可在一定程度上抑制交流腐蝕，但交流電流密度超過一定值后，不再具備保護(hù)作用。但是對(duì)于使用多大的陰極保護(hù)電流密度來抑制交流腐蝕仍然沒有明確統(tǒng)一的規(guī)定，是否僅僅通過交直流之比而不考慮陰極保護(hù)電位足以控制交流腐蝕仍需進(jìn)一步探究，也是當(dāng)前最需要解決的難題。

2 陰極保護(hù)下交流腐蝕機(jī)理研究

當(dāng)有陰極保護(hù)的管道受到交流干擾時(shí)，傳統(tǒng)的－850mV（CSE）不再適用。這是由于交流干擾自身具有的周期性和高頻性，使得交流腐蝕不同于直流腐蝕，這也增加了交流腐蝕的復(fù)雜性。目前，對(duì)于陰極保護(hù)與交流干擾之間如何相互影響存在很大爭議。腐蝕工作者們也提出了許多不同的機(jī)理。

2.1 陽極不可逆

Ibrahim等[23]研究了陰極保護(hù)下的交流腐蝕。結(jié)果表明，交流電流使陰極保護(hù)效果降低，這表現(xiàn)在兩方面：①交流電流的加入使得陰極保護(hù)電流減?。虎诮涣麟娏鞯募尤胧菇饘俚母g電位負(fù)向移動(dòng)。在交流電流的陽極半周發(fā)生的電化學(xué)過程不僅僅是鐵的溶解，還包括氫氣的還原反應(yīng)以及FeO轉(zhuǎn)化為Fe3O4或Fe2O3。而在交流電流的陰極半周，則發(fā)生電解質(zhì)的還原，F(xiàn)eO和Fe3O4還原成疏松的FeO的反應(yīng)。陰極保護(hù)下的金屬在一個(gè)交流周期內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)如圖4所示。對(duì)金屬施加交流電流，當(dāng)電位位于自腐蝕電位E0以上時(shí)（b過程），鐵發(fā)生反應(yīng)生成Fe3O4；當(dāng)電位降到陰極區(qū)域時(shí)（c過程），大部分的Fe3O4將變成Fe（OH）2；當(dāng)電位再次回到自腐蝕電位E0以上時(shí)（d過程），F(xiàn)e（OH）2會(huì)被氧化為Fe3O4，同時(shí)也會(huì)有Fe（OH）3生成，這時(shí)在電極表面生成了外層為Fe（OH）3內(nèi)層為Fe3O4的腐蝕產(chǎn)物膜。鐵周期的發(fā)生氧化還原反應(yīng)使得腐蝕得以進(jìn)行（e，f過程）。每個(gè)交流周期內(nèi)的由鐵變?yōu)镕e3O4，由Fe3O4變?yōu)镕e（OH）2，再由FeO變?yōu)镕e3O4和Fe（OH）3的過程構(gòu)成了交流腐蝕。

圖4 陰極保護(hù)下的金屬在一個(gè)交流信號(hào)周期內(nèi)的反應(yīng)

同時(shí)，Ibrahim等人[23]做出了在陰極保護(hù)和交流干擾同時(shí)存在的情況下，通電電位和斷電電位的波動(dòng)圖，如圖5所示。

2.2 熱力學(xué)機(jī)理

Panossian等[24]提出了用熱力學(xué)的方法來預(yù)測在有陰極保護(hù)和交流干擾情況下腐蝕是否發(fā)生，見圖6和圖7。預(yù)測表明如果實(shí)際測得的電位高于金屬反應(yīng)的平衡電位，則腐蝕可能發(fā)生：如果低于金屬

圖5 交流干擾下Uon和Uoff示意圖

反應(yīng)的平衡電位，則可以免于腐蝕。其中平衡電位的計(jì)算由室溫下的能斯特公式算得。

式中：EMen＋／Me表示反應(yīng) Me2＋＋2e－?Me的平衡電位，E0Men＋／Me表示該反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)平衡電位。

圖6 陰保下較低的交流干擾示意圖

圖7 陰保下較高的交流干擾示意圖

2.3 局部堿性化

Nielsen等[25－28]根據(jù)案例的調(diào)查和現(xiàn)場的試驗(yàn)，認(rèn)為在埋地管道涂層缺陷處由于與外界離子交換比較困難，使得缺陷處局部環(huán)境堿性化。局部環(huán)境的堿性化和交流電壓在金屬／介質(zhì)界面的振蕩作用共同誘發(fā)了埋地管道發(fā)生交流腐蝕。調(diào)查結(jié)果還顯示陰極保護(hù)下埋地管道表面的陰極反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的OH－，從而使涂層缺陷處局部環(huán)境的pH升高。在較高的pH條件下，交流電壓的循環(huán)振蕩破壞了金屬的氧化膜，從而促使交流腐蝕發(fā)生。

在運(yùn)營時(shí)候，常常會(huì)對(duì)管道施加陰極保護(hù)，以緩解管道腐蝕。交流干擾作為一種電信號(hào)會(huì)和陰極保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生相互影響。目前，對(duì)于有交流電干擾下的有效陰極保護(hù)的電位并不明確，陰極保護(hù)對(duì)交流腐蝕的作用也存在爭議，圍繞陰極保護(hù)和交流干擾的相互作用進(jìn)行大量研究仍然很有必要。

3 存在問題與展望

（1）傳統(tǒng)的陰極保護(hù)電位已經(jīng)不能有效抑制交流腐蝕，然而目前已有的研究結(jié)果存在分歧，不能達(dá)成一致，如何選取合適的陰極保護(hù)電位達(dá)到抑制交流腐蝕的目的仍需進(jìn)一步研究。

（2）目前的研究結(jié)果只表明在交流干擾下陰極保護(hù)電流需求增大，以及當(dāng)交流電流密度在一定范圍內(nèi)時(shí)，陰極保護(hù)電流密度可以有效緩解交流腐蝕。但是，直流電流密度大小以及交直流電流密度之比的選取沒有得到統(tǒng)一。

（3）陰極保護(hù)下的交流腐蝕機(jī)理仍然存分歧，陰極保護(hù)與交流干擾之間如何相互作用還未達(dá)成共識(shí)，有關(guān)兩者之間機(jī)理的研究仍然很有必要。

（4）由于埋地管道的交流腐蝕影響因素眾多，使得交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)以及機(jī)理的研究比較復(fù)雜，因此要從簡單的室內(nèi)交流腐蝕試驗(yàn)研究做起，以更好的研究埋地管道的交流腐蝕機(jī)理。通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)找出交流干擾與陰極保護(hù)之間的規(guī)律，得出更適合的評(píng)價(jià)因素，然后通過實(shí)際環(huán)境中關(guān)鍵參數(shù)的測量（如土壤電阻率、土壤含氧量等），結(jié)合室內(nèi)模擬試驗(yàn)建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，使得評(píng)價(jià)指標(biāo)更加準(zhǔn)確的適應(yīng)不同的環(huán)境。

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