埋地金屬管道交流干擾腐蝕

許立寧，朱金陽(yáng)，徐 欣，余和初，路民旭

（1.北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院 腐蝕與防護(hù)中心，北京100083；2.北京聲迅電子股份有限公司，北京100085）

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源需求日益旺盛，輸送石油或天然氣的埋地管道也加速建設(shè)。埋地金屬管道如果與高壓交流輸電線路等電力設(shè)施并行建設(shè)，可能遭受交流干擾而發(fā)生嚴(yán)重腐蝕［1］，國(guó)內(nèi)外已發(fā)生多起管道泄漏事故。1991年，加拿大的Kitchener市發(fā)現(xiàn)輸氣埋地管道受間隔14m遠(yuǎn)的高壓線影響，交流干擾電壓達(dá)8V，運(yùn)行四年后出現(xiàn)腐蝕失效［2］。交流干擾腐蝕已成為腐蝕研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，每年有大量文獻(xiàn)報(bào)道。早期試驗(yàn)研究集中于交流電位或電流極化對(duì)金屬腐蝕速率的影響上，普遍認(rèn)為隨著交流峰值電壓的增大，腐蝕速率加快［3］。后來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，交流腐蝕速率并不直接受交流電壓的影響，起主要作用的是交流電頻率和交流電流密度［4］。Gummow［5］根據(jù)前人的研究和對(duì)交流腐蝕案例的調(diào)查得出，面積為1～3cm2的缺陷具有最高的交流腐蝕速率。Nielsen［6］根據(jù)案例調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，認(rèn)為埋地管道涂層缺陷處局部環(huán)境堿性化和交流電壓在金屬／介質(zhì)界面的振蕩作用誘發(fā)埋地管道發(fā)生交流腐蝕。目前，腐蝕產(chǎn)物特性對(duì)交流干擾腐蝕的影響仍然缺乏系統(tǒng)的研究，本工作搭建了交流干擾腐蝕模擬試驗(yàn)裝置，研究了腐蝕產(chǎn)物沉積隨交流電流密度的變化規(guī)律，并觀察了腐蝕產(chǎn)物微觀形貌，初步探討了交流干擾腐蝕規(guī)律。

1 試驗(yàn)

采用圖1所示的裝置來(lái)進(jìn)行交流干擾試驗(yàn)，利用交流電源，在試樣上施加交流電流，模擬管道上感應(yīng)的交流電。雖然埋地管道實(shí)際服役環(huán)境中，多是由于電感耦合而產(chǎn)生交流腐蝕，但是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬試驗(yàn)時(shí)，為了能夠準(zhǔn)確控制交流電流的加載，選用了電阻耦合方式來(lái)施加交流電，這種方法也能很好地反映交流干擾腐蝕規(guī)律。

圖1 模擬交流干擾腐蝕試驗(yàn)裝置示意圖

交流電源型號(hào)BP6005，蘇州沃森電設(shè)備有限公司生產(chǎn)。選用飽和甘汞電極作為參比電極，使用碳棒作為輔助電極。工作電極為X70管線鋼，加工成φ3mm×15mm的圓柱形試樣，如圖2所示。試樣工作面為圓柱的底面，試驗(yàn)前將試樣表面逐級(jí)打磨至1 500＃砂紙，去離子水清洗，丙酮除油，冷風(fēng)吹干后對(duì)試樣進(jìn)行標(biāo)號(hào)，稱量見(jiàn)圖1。連接導(dǎo)線后，除工作面外用硅膠封涂，保證其余部分不發(fā)生腐蝕。腐蝕介質(zhì)為模擬土壤溶液，成分及含量見(jiàn)表1。

圖2 模擬交流干擾腐蝕試驗(yàn)所用的試樣

表1 模擬土壤溶液成分 %

具體試驗(yàn)條件見(jiàn)表2。試驗(yàn)過(guò)程中每隔一定時(shí)間記錄試樣的交流電壓和交流電流值，試驗(yàn)周期為96h，每組試驗(yàn)采用3個(gè)平行樣。表2中給出的交流電流密度值是試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的加載值，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，由于腐蝕產(chǎn)物沉積等因素，電流或電流密度可能下降，在試驗(yàn)過(guò)程中，未對(duì)交流電源的輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)。

試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)試樣表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行體式顯微鏡觀察、拍照，然后利用SEM觀察腐蝕產(chǎn)物表面形貌。酸洗去除腐蝕產(chǎn)物后稱量，并利用SEM觀察試樣表面形貌。酸洗按照GB／T 16545進(jìn)行，酸洗液配比為HCl（500mL，ρ＝1.19g·mL-1）＋去離子水（500mL）＋六次甲基四胺（3.5g）。

表2 交流干擾腐蝕試驗(yàn)條件

2 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕失重

不同初始交流電流密度下腐蝕失重如圖3所示。當(dāng)初始電流密度為21×103A·m-2時(shí)，試樣的腐蝕失重是初始電流密度為14×103A·m-2試樣的20多倍，說(shuō)明加載于試樣上的交流電流密度增大后，腐蝕速率可能會(huì)顯著增大，與文獻(xiàn)［7］結(jié)論相符，交流電流密度是影響交流干擾腐蝕的主要因素之一。

圖3 未施加陰極保護(hù)電位下交流電流密度對(duì)腐蝕失重的影響

2.2 宏觀腐蝕形貌

圖4 為上述兩電流密度條件下去除腐蝕產(chǎn)物后表面宏觀形貌，電流密度為21×103A·m-2試樣除了腐蝕狀況更嚴(yán)重外，表面不同部位的腐蝕深度差別也較大，圓柱試樣中心發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕，形成深坑，可能是中心部位主要發(fā)生陽(yáng)極反應(yīng)所致。

圖4 交流腐蝕后試樣去除腐蝕產(chǎn)物表面形貌

此外，由圖3可知，初始電流密度為14×103A·m-2時(shí)（2＃試樣），試樣的腐蝕失重小于電流密度為7×103A·m-2的試樣（1＃試樣），為了找到初始腐蝕電流較高而腐蝕失重較低的原因，監(jiān)測(cè)了不同時(shí)間下1＃和2＃兩試樣的腐蝕電流，如圖5所示。2＃試樣的初始交流電流（100mA）是1＃試樣的一倍，但在腐蝕中、后期，交流電流急劇降低（至0.8mA）；而1＃試樣雖然腐蝕后期交流電流也下降，但試驗(yàn)結(jié)束時(shí)仍保持9.6mA，因而交流電流密度降低是導(dǎo)致2＃試樣比1＃試樣腐蝕輕微的主要原因。而交流電流的降低與表面沉積的腐蝕產(chǎn)物密切相關(guān)，因此對(duì)交流干擾產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行了深入分析。

圖5 3個(gè)試樣交流電流隨時(shí)間的變化規(guī)律

2.3 腐蝕產(chǎn)物分析

對(duì)交流腐蝕后試樣表面沉積的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行了體式顯微鏡觀察，結(jié)果如圖6所示。2＃試樣的腐蝕產(chǎn)物呈火山口狀堆積，而1＃試樣表面均勻覆蓋著較為致密腐蝕產(chǎn)物。在去除腐蝕產(chǎn)物過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)2＃試樣腐蝕產(chǎn)物的致密度高于1＃試樣，因此認(rèn)為電流密度為14×103A·m-2試樣（2＃）腐蝕失重下降的原因可能與腐蝕產(chǎn)物的保護(hù)性有關(guān)。

對(duì)比1＃和2＃試樣的腐蝕產(chǎn)物沉積過(guò)程可知，1＃試樣在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)沒(méi)有觀察到宏觀氣泡從表面逸出，腐蝕產(chǎn)物均勻堆積，逐漸變厚。而2＃試樣腐蝕初期表面有大量氣體生成，隨后氣體逸出量變??；腐蝕中期腐蝕產(chǎn)物形成中間有孔的火山狀堆積，之后表面不再有氣體生成，同時(shí)交流電流急劇降低接近零，說(shuō)明此時(shí)火山口處也被腐蝕產(chǎn)物堵塞，因而去除腐蝕產(chǎn)物后試樣中心腐蝕深度與周圍差別不大，見(jiàn)圖4（a）。圖7為1＃和2＃試樣腐蝕產(chǎn)物膜的微觀形貌。在1＃試樣表面沉積的腐蝕產(chǎn)物中，存在一定的孔洞和裂紋，而2＃試樣腐蝕產(chǎn)物連續(xù)完整，內(nèi)部缺陷較少。因此，交流干擾腐蝕的嚴(yán)重程度，除了與初始電流密度直接相關(guān)外，還與表面腐蝕產(chǎn)物的沉積有關(guān)。當(dāng)腐蝕產(chǎn)物沉積較為致密時(shí)，會(huì)使腐蝕電流下降，腐蝕速率有降低的傾向。

3＃試樣的試驗(yàn)結(jié)果也基本上體現(xiàn)了這一規(guī)律，試驗(yàn)完畢后，3＃試樣表面覆蓋的腐蝕產(chǎn)物宏觀形貌如圖8所示，腐蝕產(chǎn)物較為疏松。3＃試樣的電流隨腐蝕的進(jìn)行，逐漸增大（見(jiàn)圖5），最大時(shí)為247mA（初始電流為150mA），而1＃和2＃試樣的電流隨時(shí)間延長(zhǎng)而顯著降低。因而3＃試樣腐蝕失重明顯高于1＃和2＃試樣的原因是電流的升高，而電流的升高與腐蝕產(chǎn)物特性可能存在一定關(guān)聯(lián)，這將在后續(xù)試驗(yàn)中重點(diǎn)加以研究。

圖8 3＃試樣表面腐蝕產(chǎn)物宏觀形貌

本工作所采用的試驗(yàn)裝置較為簡(jiǎn)單，可能無(wú)法真實(shí)還原埋地管道所處的交流干擾環(huán)境，但試驗(yàn)結(jié)果中所反映出的規(guī)律，有助于深化對(duì)交流腐蝕的理解。交流干擾可能會(huì)使管道附近土壤中pH發(fā)生變化，此外，不同條件下生成的腐蝕產(chǎn)物，其成分也會(huì)變化，這些將在后續(xù)研究中重點(diǎn)進(jìn)行分析。

3 結(jié)論

（1）利用電阻耦合的方式施加交流干擾，腐蝕的嚴(yán)重程度與交流電流密度直接相關(guān)；

（2）如果不對(duì)交流電源的輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)，交流電流密度會(huì)隨著致密腐蝕產(chǎn)物的沉積而顯著降低。

［1］Martin B.A history of stray current corrosion［J］.Corrosion ＆Materials，2006，31（3）：12-14.

［2］Wakelin R G，R A Gummow，S M Segall.AC corrosion-case histories，test procedures and mitigation［C］／／Houston：NACE，1998，Paper No.565.

［3］李自力，楊燕.金屬管道交流腐蝕研究新進(jìn)展［J］.石油學(xué)報(bào)，2012，33（1）：164-171.

［4］胡士信，路民旭，杜艷霞.管道交流腐蝕的新觀點(diǎn)［J］.腐蝕與防護(hù)，2010，31（6）：419-424.

［5］Gummow R A，Wakelin R G，Segall S M.AC corrosion-a new challenge to pipeline integrity［C］／／Houston：：NACE，1998，Paper No.566.

［6］Nielsen L V，Galsgaard F.Sensor technology for online monitoring of AC-induced corrosion along pipelines［C］／／Houston：NACE，2005，Paper No.375.

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