埋地鋼質(zhì)管道交流雜散電流干擾研究現(xiàn)狀

李曉龍，王政驍，羅艷龍，李長春，何仁洋

(1. 中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100013；2. 中國石油大學(xué)(北京)機械與儲運學(xué)院，北京 102249)

0 前 言

油氣管道是國家重要能源基礎(chǔ)設(shè)施，被譽為“生命線工程”。輸電系統(tǒng)是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要支撐，被譽為電力能源輸送的“高速公路”。油氣管網(wǎng)、輸電線網(wǎng)以及高速鐵路網(wǎng)鋪設(shè)遍布全國。由于地理位置的限制，相關(guān)部門在設(shè)計和建設(shè)過程中都會采取“擇優(yōu)原則”，這不可避免地造成線路在“公共走廊”中小間距、長距離地并行或交叉，雜散電流干擾風(fēng)險日益嚴(yán)峻，嚴(yán)重威脅著管道、陰極保護(hù)設(shè)備以及工作人員的人身安全[1]。

長期以來，國內(nèi)外研究人員圍繞交流腐蝕問題進(jìn)行了大量的研究，但是交流腐蝕機理十分復(fù)雜，影響因素眾多，使得交流腐蝕的合理評價以及準(zhǔn)確排流變得十分困難。本文歸納整理了近年來交流腐蝕影響因素的研究進(jìn)展，總結(jié)了各類型評價準(zhǔn)則以及目前的排流防護(hù)現(xiàn)狀，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供借鑒。

1 交流雜散電流來源及腐蝕機理

1.1 交流干擾來源及腐蝕機理

圖1分類匯總了交流雜散電流產(chǎn)生的來源、干擾方式及干擾源特性。其中瞬間高壓干擾發(fā)生的幾率非常低，間歇干擾和持續(xù)干擾是產(chǎn)生交流雜散電流腐蝕的主要原因。3種電磁耦合干擾方式[2]中感性耦合與阻性耦合影響更為嚴(yán)重，不僅會在管道防腐層及管體上產(chǎn)生過高的交流感應(yīng)電壓和電流，造成埋地管道的嚴(yán)重電化學(xué)腐蝕，還會對陰極保護(hù)系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生干擾，甚至對管道安全運輸、附近配套設(shè)施、人身安全都會產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅。

交流腐蝕的本質(zhì)是電化學(xué)腐蝕的問題，雜散電流在管道防腐層破損處流入流出會導(dǎo)致管線金屬被腐蝕，其發(fā)生的基礎(chǔ)反應(yīng)如下：

(1)析氫腐蝕

(1)

(2)

(3)

(2)吸氧腐蝕

(4)

(5)

(6)

但是由于交流電流具有方向可改變的特點，又有頻率這一特性，作用機理十分復(fù)雜。早在20世紀(jì)60年代已經(jīng)開始雜散電流腐蝕機理的研究，并提出了一些假說模型。目前對于交流腐蝕機理的解釋有圖1中的5種典型模型。

“整流模型”中指出由于腐蝕的不可逆性，金屬陽極極化產(chǎn)生的電流大于陰極產(chǎn)生的電流，使得在交流電流正半周期產(chǎn)生的陽離子在交流電負(fù)半周期沒有全部沉淀，從而產(chǎn)生腐蝕[3]。該模型中假設(shè)了陰極過程只發(fā)生氧的還原，但實際并非如此，并且是基于無陰極保護(hù)條件下進(jìn)行的，對于現(xiàn)場工程機理解釋不夠有說服力。

Nielsen[4]針對陰極保護(hù)下的交流腐蝕機理研究提出了“堿化機理”，認(rèn)為管道防腐層破損處較高的pH值和交流雜散電流導(dǎo)致的電位波動共同導(dǎo)致了交流腐蝕的產(chǎn)生。在此基礎(chǔ)上又提出了“自催化機制”，指出有陰極保護(hù)下管道受到交流雜散電流腐蝕發(fā)生的3個必要條件：交流感應(yīng)電壓、小防腐層破損、過負(fù)的陰保極化電位。

Panossian[5]提出了“振蕩模型”，指出交流電壓在管道表面和土壤介質(zhì)的交界處振蕩，致使管道表面的鈍化膜被破損從而產(chǎn)生腐蝕。

此外，BS DD CEN/TS 15280-2006[6]提出了交流腐蝕機理模型，認(rèn)為交流腐蝕的本質(zhì)與流入流出管道防腐層表面的電流密度密切相關(guān)，在交流電流的正負(fù)半周期里會發(fā)生下列反應(yīng)式中的反應(yīng)，長時間作用下，管道將會受到嚴(yán)重的交流干擾腐蝕。

(1)氧化反應(yīng)：

(7)

(2)還原反應(yīng)：

(8)

(9)

Buchler等[7]也對此比較認(rèn)可。但是到目前為止研究學(xué)者們都是從不同角度去理解交流腐蝕的過程，并未得到統(tǒng)一。對于交流雜散電流對埋地鋼質(zhì)管道的腐蝕機理需更深入的研究探索。

1.2 交流腐蝕影響因素

單純研究交流腐蝕發(fā)生的機理較為復(fù)雜且影響因素眾多，因此，近年來研究學(xué)者們大都從交流雜散電流的各類影響因素入手，單獨探究其對交流腐蝕的干擾作用。

(1)交流電流密度 對于埋地鋼質(zhì)管道而言，防腐層破損表面處的交流電流密度大小是影響管道腐蝕速率的主要因素之一。目前研究中所提到的交流電流都是指交流電流有效值，其一般約等于交流電流最大值的0.707倍。

大部分學(xué)者試驗結(jié)果認(rèn)為腐蝕速率隨著交流電流密度的增加而增加[8]，并且隨著交流密度的增加，腐蝕電位逐漸負(fù)向偏移，腐蝕表面也由光滑變粗糙、由均勻腐蝕變?yōu)榫植扛g、點蝕[9]。但是不同的學(xué)者得到腐蝕速率并不是一直隨電流密度的增加而增加。Williams[8]認(rèn)為電流密度超過一定范圍后腐蝕速率基本保持穩(wěn)定；Wang[10]在實驗室內(nèi)模擬格爾木土壤溶液，酸堿度為8.4，利用電化學(xué)工作站對管道鋼受交流雜散電流干擾時的極化曲線等進(jìn)行了測量，得到在0～100 A/m2交流干擾下，腐蝕速率隨著密度的增加而迅速增加，在100～300 A/m2交流電流密度干擾下，腐蝕速率變化不明顯，平緩增加；Xu等[11]在模擬勝利油田土壤溶液，酸堿度為8.95，當(dāng)交流電流密度從600 A/m2升高到800 A/m2時，腐蝕速率反而降低。Kuang等[12]通過在高酸堿度和中性酸堿度溶液中的電化學(xué)試驗，得到了不同pH值模擬溶液下誘發(fā)鈍化膜孔蝕的交流密度限值不同，在高pH值溶液中，臨界交流電流密度約為300 A/m2，在中性酸堿度溶液中，臨界交流電流密度約為200 A/m2。Wen等[13]總結(jié)出坑數(shù)或坑面積與交流電流密度之間的關(guān)系遵循功率函數(shù)y=aib。

針對交流電流密度對腐蝕速率的影響已有不少研究，對于不同范圍的電流密度對腐蝕速率的影響規(guī)律并不統(tǒng)一，沒有建立定量模型，很難定量預(yù)測不同的交流電流密度引起的金屬腐蝕量的大小，并且實驗室不同土壤模擬溶液會對電流密度限值研究結(jié)果產(chǎn)生不同的影響，無法進(jìn)一步證明限值是否有效；長時間腐蝕速率試驗中會受到其他各種因素的影響，如何避免需要進(jìn)一步研究。

(2)交流電流頻率 目前大部分研究結(jié)論中均發(fā)現(xiàn)隨著交流電流頻率的提高，腐蝕速率降低。Bertocci[14]從交流電流頻率對金屬/溶液介質(zhì)界面雙電層電容大小的影響方面解釋原因，認(rèn)為交流頻率的提高使得導(dǎo)致離子交換的法拉第電流減少，腐蝕速率降低；另有學(xué)者從交流干擾周期長短的影響方面解釋，Radeka等[15]認(rèn)為頻率的提高使得正負(fù)半周期時間縮短，成為陽極的腐蝕量與陰極時的沉積量差值減少，腐蝕在一定程度上被抑制。Guo等[16]發(fā)現(xiàn)隨著交流頻率提高，參與電極反應(yīng)的交流電流逐漸減小，導(dǎo)致腐蝕速率降低。

除此之外，有研究發(fā)現(xiàn)金屬的腐蝕速率隨交流電流頻率的增加先減小后又慢慢增大，腐蝕速率隨頻率增加而減小的原因與上述分析類似，但腐蝕速率隨頻率的增加反而增大的現(xiàn)象大都沒有做具體的合理解釋，因此關(guān)于交流頻率對腐蝕影響還需要繼續(xù)深入研究。

(3)交流電波形 學(xué)者們對于正弦波、方波、三角波等交流電波形對腐蝕速率的影響已開展試驗研究但結(jié)論各有不同，部分學(xué)者試驗發(fā)現(xiàn)，三角波對金屬鈍性的破壞最大，腐蝕速率最高，其次是正弦波和方波，Chin等[17]認(rèn)為不同波形的交流電峰值電壓不同，其中三角波交流電的峰值電壓最高，對金屬管道腐蝕速率最快；而另有學(xué)者通過試驗發(fā)現(xiàn)腐蝕速率從大到小依次是方波、三角波和正弦波[18]，但對其原因并沒有給到明確的解釋。目前使用的交流電主要以正弦波為主，方波和三角波涉及較少，因此學(xué)者關(guān)于波形對埋地管道腐蝕干擾因素的研究較少，但是波形的影響在此問題上是否可以忽略仍然存有疑問，需要試驗驗證與理論分析。

(4)交流干擾與應(yīng)力耦合作用 埋地鋼質(zhì)管道由于土壤流失等外界環(huán)境因素會受到拉壓作用，從而產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，同時埋地管道又會受到雜散電流干擾腐蝕，因此學(xué)者們對交流雜散電流與應(yīng)力耦合對埋地鋼質(zhì)管道的腐蝕開展了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)與單一因素(應(yīng)力或雜散電流)對埋地管道的腐蝕程度相比，交流雜散電流與應(yīng)力耦合干擾下的腐蝕程度顯著提高，主要表現(xiàn)在試樣表面腐蝕坑密度與凹坑深度的增加[19]。另外Wang等[20]在室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)隨著拉伸應(yīng)力的增大，試片的極化曲線與腐蝕電位無論有沒有疊加交流雜散電流干擾，腐蝕電流密度都增加；并且在彈性變形區(qū)，腐蝕電位與應(yīng)力近似線性關(guān)系，而在塑性變形區(qū)腐蝕電位發(fā)生突變，應(yīng)力與腐蝕電位呈非線性關(guān)系。同樣Xu等[21]認(rèn)為彈性變形區(qū)的影響有限，塑性變形區(qū)對陰陽極反應(yīng)的促進(jìn)作用更顯著；提出塑性變形時應(yīng)力和變形的不均勻性可能是引發(fā)優(yōu)先局部腐蝕甚至形成裂紋的原因。除此之外，交流雜散電流同時催化陽極溶解量的增加和析氫反應(yīng)，造成了應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的增加[22]。Zhu等[23]得到了交流電流密度對應(yīng)力腐蝕的影響限值，Wan等[24]采用慢應(yīng)變速率拉伸試驗(SSRT)、表面分析技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)和電化學(xué)測試方法，研究了交流電流密度對管線鋼在近中性溶液中應(yīng)力腐蝕開裂行為，將電流密度限值進(jìn)一步細(xì)化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)交流電流密度低于10 A/m2時，由于振蕩作用，腐蝕加劇；當(dāng)交流電流密度不小于30 A/m2時析氫反應(yīng)使應(yīng)力腐蝕開裂敏感性增強。

目前研究對于宏觀理解交流雜散電流與應(yīng)力耦合對埋地管道腐蝕干擾具有一定意義，但是彈性、塑性變形區(qū)內(nèi)與腐蝕電位的關(guān)系還沒有建立一個定量模型描述，工程上無法定量判定腐蝕程度，密度限值的獲得僅局限于實驗室內(nèi)的數(shù)據(jù)，干擾因素不可避免。

(5)其他因素 埋地管道受雜散電流干擾程度還與交流輸電線與管道垂直距離、管段平行長度、輸電線相線的布置關(guān)系、輸電線的負(fù)載交流電流及其頻率、電力系統(tǒng)的供電方式以及管道防腐層的電阻率、管道縱向電阻、管道走向、管道所在地區(qū)的土壤電阻率等因素相關(guān)。研究顯示：管道交流感應(yīng)電壓與輸電線間的垂直距離呈反比[25]，并且管道與輸電線平行時比垂直時受到的干擾更大[26]。

對防腐層而言，電阻率的提高能夠抑制腐蝕速率，防腐層破損面積越大，腐蝕速率反而越小[27]，但并不是缺陷面積越小腐蝕越嚴(yán)重，Heim等[28]通過實驗室浸泡腐蝕試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)缺陷面積為0.01 cm2時不會發(fā)生腐蝕，破損面積為0.03 cm2時腐蝕現(xiàn)象不明顯，缺陷面積在1.00 cm2左右腐蝕速率比較大。仿真研究發(fā)現(xiàn)缺陷處的電流密度分布并不均勻，較小的涂層缺陷會產(chǎn)生較嚴(yán)重的涂層分層現(xiàn)象[29]，因此在工程檢測上需要著重關(guān)注較小的涂層缺陷情況，及時采取措施修補防護(hù)[30]。

針對土壤模擬溶液，電阻率越低，腐蝕越容易發(fā)生，陳振華[31]建立了交流電流密度與交流電壓、土壤電阻率之間的函數(shù)關(guān)系式，但模型是在忽略防腐涂層和極化電阻的情況下建立的。

2 交流雜散電流評價標(biāo)準(zhǔn)

交流雜散電流評價標(biāo)準(zhǔn)主要從交流電流密度、交直流電流比值以及感應(yīng)交流電壓幾方面來評估埋地管道受交流雜散電流干擾程度，表1匯總了近年來國內(nèi)外關(guān)于各評價指標(biāo)的常用標(biāo)準(zhǔn)。

表1 交流雜散電流評價標(biāo)準(zhǔn)

目前工程上普遍采用的評判標(biāo)準(zhǔn)還是通過交流電流密度來進(jìn)行評價，指標(biāo)如表2所示，但是對于發(fā)生交流腐蝕的電流密度限值指標(biāo)有所不同。此前德國曾給出發(fā)生交流腐蝕的電流密度為20 A/m2[32]，但目前大部分國家的標(biāo)準(zhǔn)還是按照30 A/m2來評判。表3為交直流電流密度之比，表4為感應(yīng)交流電流與直流電流之比，兩者本質(zhì)上是相同的，但不同的標(biāo)準(zhǔn)在發(fā)生交流腐蝕的限值上仍然不同，因此目前重點開展關(guān)于雜散電流干擾評價標(biāo)準(zhǔn)的補充修訂工作，改善標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的問題，提升評價標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性及可靠性。表5、表6為不同土壤環(huán)境下的感應(yīng)電壓評價指標(biāo)，其評價帶有一定的局限性，首先感應(yīng)電壓不便測量，其次若感應(yīng)電壓較大同時防腐層破損面積較大，其上流出點的電流密度較小，產(chǎn)生的干擾腐蝕不會太大。雖然對腐蝕的評價并不十分準(zhǔn)確，但是對其他設(shè)施以及人身安全需要感應(yīng)電壓指標(biāo)來評判。

表2 交流雜散電流密度評價指標(biāo)

表3 EN 12954中的電流密度比值指標(biāo)

表4 BS DD CEN/TS 15280-2006中感應(yīng)交流電流與直流電流比值指標(biāo)

表5 基于土壤酸堿度的交流感應(yīng)電壓限值

表6 基于土壤電阻率的交流感應(yīng)電壓限值及腐蝕情況

3 交流雜散電流檢測及防護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀

3.1 交流雜散電流檢測技術(shù)

圖2匯總了目前工程上進(jìn)行雜散電流干擾程度評價檢測參數(shù)、檢測方法及監(jiān)測設(shè)備。其中傳統(tǒng)的雜散電流檢測方法包括管地電位測量法、地電位梯度測量法、密間隔電位法(CIPS)、探針測試法以及腐蝕試片測量等[33]。隨著現(xiàn)場埋地管道受雜散電流干擾情況愈加復(fù)雜，對雜散電流檢測的智能化、精細(xì)化提出了更高層次的要求，近年來隨著現(xiàn)代檢測技術(shù)的發(fā)展，雜散電流智能測試儀(Stray Current Mapper，SCM)、集成+分布監(jiān)測系統(tǒng)等被應(yīng)用到現(xiàn)場檢測中[34，35]。

參照SY/T 0087、GB/T 21246、GB/T 50698、GB/T 19285等雜散電流干擾評價標(biāo)準(zhǔn)，可以采用包括電壓和電流檢查、密間隔管地電位測試、地電位測量等初步確定雜散電流干擾的位置、干擾情況、干擾距離等，然后采用SCM雜散電流檢測儀、分布式檢測系統(tǒng)以及探針電流測量法確定嚴(yán)重管段的雜散電流干擾類別、干擾程度和雜散電流流入流出點[36]。但是各種檢測方法有自身優(yōu)點同時又有一定的局限性，如表7所示。

表7 雜散電流檢測方法優(yōu)缺點

綜上所述，目前檢測設(shè)備中進(jìn)口設(shè)備占比較大，價格較貴，對人員的技術(shù)依賴程度較高；國產(chǎn)化設(shè)備的抗干擾能力較差、可以評價的參數(shù)過于單一、現(xiàn)場應(yīng)用較少，其檢測的精度和可靠度還有待現(xiàn)場應(yīng)用驗證。高精度的檢測設(shè)備加上智能化、集成化監(jiān)測系統(tǒng)仍然是雜散電流檢測發(fā)展的趨勢，因此要加強國產(chǎn)化高精度、智能化檢測設(shè)備研發(fā)，推廣遠(yuǎn)程在線實時監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。

3.2 交流雜散電流防護(hù)技術(shù)

目前對于雜散電流腐蝕的防護(hù)措施一般采取“以防為主，以排為輔，防排結(jié)合，加強監(jiān)測”的綜合防護(hù)措施。一是干擾源頭側(cè)防止雜散電流的產(chǎn)生，干擾源頭包括電氣化軌道交通系統(tǒng)、高壓輸電線路等，除此之外管道方要采取預(yù)防措施避免雜散電流的干擾；二是對已經(jīng)產(chǎn)生雜散電流干擾的管道采取各種排流等防護(hù)措施。

預(yù)防措施包括在新建設(shè)管道之初就要考慮到避開電氣化軌道交通軌線、高壓輸電線路等，采用較耐腐蝕的管材并且管道表面選用高阻值防腐涂層，安裝絕緣接頭將管道分成電位基本接近的等勢體，提前安裝陰極保護(hù)設(shè)施等。除此之外在已產(chǎn)生交流雜散電流干擾的管道需采取針對性的排流方法，如表8中所示，各類排流方式都各有優(yōu)缺點?？偟膩碚f傳統(tǒng)排流方法較為老舊，有陰極保護(hù)等復(fù)雜情況下的排流效果并不理想，固態(tài)去耦合器等雖排流效果較好，但是由于國內(nèi)在產(chǎn)品選型、緩解設(shè)計、安裝中存在諸多技術(shù)空白與誤區(qū)，造成了固態(tài)去耦合器在一定程度上的濫用，并且缺少對于固態(tài)去耦合器產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格進(jìn)行規(guī)范指導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)[37]。

表8 交流雜散電流排流方法

4 結(jié) 論

綜上所述，交流腐蝕研究已經(jīng)有百年歷史，但是腐蝕機理仍有很大爭議。由于交流腐蝕作用機理較為復(fù)雜，因此近年來研究學(xué)者們大部分從交流腐蝕的各類影響因素入手來探究交流電流對埋地鋼質(zhì)管道的腐蝕干擾現(xiàn)象，已經(jīng)做了大量的研究，得出了各影響參數(shù)的研究結(jié)果。但是部分結(jié)論具有局限性，并且存有爭議。除此之外大部分研究只是定性描述產(chǎn)生的現(xiàn)象，缺少定量計算和數(shù)學(xué)模型的建立。隨著研究的深入進(jìn)行，利用計算機仿真軟件對交流腐蝕過程進(jìn)行連續(xù)的模擬，可以實現(xiàn)交流腐蝕的實時監(jiān)測、檢測，準(zhǔn)確預(yù)測交流腐蝕的發(fā)生及發(fā)展等是未來發(fā)展大趨勢。

由于交流腐蝕機理不清楚，對交流評價標(biāo)準(zhǔn)以及防護(hù)技術(shù)都帶來了一定的困難。目前已有的交流腐蝕評價和防護(hù)方法很多，但是在工程應(yīng)用中仍然有很多不足，評價標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。因此工程上怎樣對埋地鋼制管道的交流腐蝕風(fēng)險更精確的評價，以及采取更有針對性更行之有效的排流方式還需要更深入的研究。

目前雜散電流排流防護(hù)方式老舊、排流產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、技術(shù)要求不明確，復(fù)雜系統(tǒng)環(huán)境下的聯(lián)合防護(hù)技術(shù)指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)缺失問題嚴(yán)重，無法保障排流效果。理論成果應(yīng)該與工程應(yīng)用結(jié)合起來才能真正解決工程問題。