雜散電流對(duì)X70鋼干擾影響的腐蝕試驗(yàn)

楊 燕，李自力，文 闖

（中國石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，青島266580）

早在1812年Davy［1］便發(fā)現(xiàn)了直流電對(duì)金屬的腐蝕作用。近年來，隨著高壓輸電線及電氣化鐵路的發(fā)展，雜散電流腐蝕問題更加突出［2-6］。當(dāng)埋地管線與周圍環(huán)境發(fā)生作用時(shí)，若有電流通過則會(huì)對(duì)管線產(chǎn)生強(qiáng)烈的腐蝕作用，這個(gè)過程稱為雜散電流腐蝕。雜散電流分為兩種，即交流和直流雜散電流。很長一段時(shí)間人們關(guān)注于直流腐蝕，而忽視交流腐蝕的破壞作用，因?yàn)榻涣鞲g強(qiáng)度與等量直流腐蝕相比要低很多。Hayden發(fā)現(xiàn)鉛的交流腐蝕率為相同條件下直流腐蝕的0.5%。McCollum推測交流腐蝕量是同等情況下直流腐蝕量的一個(gè)比例系數(shù)，且在60Hz交流電流密度為5A·m-2的情況下進(jìn)行多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該系數(shù)不超過1%。Bertocci［7］通過展示大多數(shù)正弦交流電和較高頻率的諧波被雙電層電容分流而“沒有造成電極界面物質(zhì)的擴(kuò)散穿越”，來解釋相對(duì)于直流，交流電的腐蝕效率相對(duì)較低的原因。但有學(xué)者發(fā)現(xiàn)盡管交流電誘導(dǎo)腐蝕強(qiáng)度要比直流腐蝕強(qiáng)度低得多，但在外界強(qiáng)電場作用下，交流電的集中腐蝕比直流電更加明顯，危害也更大［8-9］。目前，針對(duì)交流腐蝕的研究尚處于起步階段，許多問題仍有待澄清，大量基礎(chǔ)試驗(yàn)需要開展。本工作以室內(nèi)模擬試驗(yàn)為平臺(tái)，研究埋地管道雜散電流腐蝕的產(chǎn)生方式和腐蝕特征；明確雜散電流密度對(duì)管線鋼腐蝕速率的影響規(guī)律，對(duì)比交、直流及交直流混流對(duì)埋地管道的不同作用，為雜散電流腐蝕的科學(xué)探索及現(xiàn)場防護(hù)工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及溶液

試驗(yàn)采用X70鋼，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）：C 0.061，Si 0.24，Mn 1.53，P 0.011，S 0.000 9和Fe余量。試樣尺寸為20mm×12.5mm×2.5mm。試驗(yàn)前將試片進(jìn)行冷鑲嵌，留有一面為工作面，背面焊接導(dǎo)線，其余面用環(huán)氧樹脂＋固化劑封裝，暴露面積為250mm2。將試樣用水磨砂紙逐級(jí)打磨至1 200＃，然后用丙酮脫脂，去離子水清洗，無水乙醇脫水后放入干燥器中備用。試驗(yàn)溶液配比為0.2g·L-1NaHCO3，0.35g·L-1NaCl，0.45g·L-1Na2SO4，以模擬青島某地區(qū)土壤。試驗(yàn)池采用容積為2L的低型燒杯，交流電流通過JJ98DD053A型變頻電源輸出，直流電流通過DH1718E型直流電源輸送，室內(nèi)通風(fēng)良好，平均溫度為20℃左右。

1.2 試驗(yàn)裝置及方法

試驗(yàn)裝置連接如圖1所示。開關(guān)S1／S2分別用來控制交／直流電路的切換；電容器及電感器在交直流混流試驗(yàn)中用以隔離直交流電路，使電流在各自回路中流動(dòng)。試驗(yàn)采用相同處理的試樣分別進(jìn)行交、直流電流密度為0～200A·m-2；交流電頻率為50Hz下的浸泡試驗(yàn)，周期為7d，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取其平均失重量。交流電流從試片1的工作面流出，流經(jīng)土壤模擬溶液和碳棒，再從試片2的工作面流入，測定在同一試驗(yàn)條件下，交流電流密度及流動(dòng)方向?qū)芫€鋼的影響。

圖1 雜散電流腐蝕試驗(yàn)裝置

交直流混流試驗(yàn)時(shí)，輔助電極改為30cm2的鈦網(wǎng)電極，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取其平均失重量。浸泡試驗(yàn)結(jié)束后，將試片取出直接放入干燥箱中干燥，然后用清水＋軟刷去除表面腐蝕產(chǎn)物后將其放入配有鹽酸緩蝕劑的除銹液中10min，清除附著在試樣表面的致密腐蝕銹層，去離子水清洗，酒精棉球脫水，干燥后用電子天平稱量，腐蝕速率按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：vcorr為腐蝕速率，mm·a-1；K為單位常數(shù)，8.76×104；S為試樣面積，cm2；T為試樣腐蝕時(shí)間，h；D為試樣密度，g·cm-3；ΔW為實(shí)際失重量，g。

2 結(jié)果與討論

通入交流電后，用肉眼觀察試樣的腐蝕變化。兩燒杯中的試片表面均有小氣泡冒出，光亮的表面逐漸被一層青黑色產(chǎn)物所覆蓋，而后表面漸漸生長有青綠色絮狀物，又逐漸被棕紅色腐蝕產(chǎn)物所覆蓋。當(dāng)試片表面被腐蝕產(chǎn)物完全覆蓋時(shí)氣泡冒出量逐漸減少，同時(shí)電流表顯示的數(shù)值亦有下降。這是由于試樣表面形成的腐蝕產(chǎn)物在一定程度上阻滯了腐蝕的發(fā)生，使得腐蝕程度有所減緩。但隨著交流電流密度的增加，氣泡的冒出數(shù)量增多，棕紅色腐蝕產(chǎn)物層增厚，顏色加深。通入直流電后，裝置中的試片1表面，同交流腐蝕的現(xiàn)象一致的，不同的是程度較前者更加劇烈，具體反映在氣泡數(shù)量更多，體積更大；腐蝕產(chǎn)物的形成時(shí)間更快而且產(chǎn)物層也更厚，顏色更深。而試片2表面，在試驗(yàn)過程中沒有發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物，但表面有小氣泡連續(xù)產(chǎn)生，且電流密度越大，氣泡的數(shù)量和產(chǎn)生速率也越大且隨著電流密度的增高，試片表面開始出現(xiàn)少量圓形白色坑點(diǎn)。沒有施加任何電流干擾的試片僅發(fā)生微弱的腐蝕。

采用失重法計(jì)算出不同交、直流電流密度干擾下，雜散電流流出處（試片1）及流入處（試片2）的平均腐蝕速率，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1及圖2所示。

表1 交／直流腐蝕的平均腐蝕速率

圖2 雜散電流密度對(duì)X70鋼腐蝕速率的影響

由圖2可見，遭受雜散電流干擾的X70鋼試樣相比無干擾試樣的腐蝕速率有大幅度提高，隨著電流密度的提高，腐蝕速率近似線性規(guī)律增長。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，交流電和直流電對(duì)金屬的作用方式及影響有著很大的不同。首先，對(duì)于直流電來說，電流的流動(dòng)方向是一直不變的，外界的直流電通過由金屬、介質(zhì)等組成的腐蝕電池時(shí)，若金屬與電源陽極相接，金屬溶解，若與陰極相接，則金屬處于被保護(hù)狀態(tài)。但交流電的流動(dòng)方向不斷變化，外界交流電對(duì)金屬腐蝕中的電化學(xué)反應(yīng)、腐蝕產(chǎn)物生長與破壞均產(chǎn)生不可忽視的作用。由于其方向是不斷變化的，因此只要有交流電流流過的地方都會(huì)發(fā)生腐蝕。其次，在相同情況下交流腐蝕的強(qiáng)度比直流腐蝕要低。直流腐蝕速率要高于交流腐蝕速率，且電流密度值越大，差別也就越明顯。但平均腐蝕速率的差別并不能代表交流腐蝕的危害可以輕視。因?yàn)殡m然交流腐蝕的腐蝕量同直流腐蝕相比較小，但通過對(duì)腐蝕后的試片進(jìn)行圖像表征后可以發(fā)現(xiàn)，交流腐蝕的集中腐蝕性更明顯。因此，單憑測量腐蝕速率和計(jì)算平均腐蝕失重量是不能準(zhǔn)確反映交流腐蝕特性的。

試驗(yàn)證實(shí)當(dāng)金屬遭受交流腐蝕時(shí)，裝置中試片1，2表面均有氣泡冒出，產(chǎn)生的大量氣泡會(huì)加速實(shí)際管線外涂層的剝離、老化。當(dāng)交流電流密度較高時(shí)，會(huì)促使大量的氫在金屬表面聚集，容易造成高強(qiáng)度鋼的氫脆斷裂。同時(shí)，交流腐蝕產(chǎn)生的局部腐蝕問題更加不容忽視，除去腐蝕產(chǎn)物后，利用采用EOS550D數(shù)碼相機(jī)及日立S4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡拍攝X70鋼試片的形貌圖像，如圖3，4所示。由圖4可見，當(dāng)交流電流密度低于100A·m-2時(shí)，試片表面的蝕坑形成率不高，腐蝕形式主要以均勻腐蝕為主，但在高電流密度下試片表面出現(xiàn)大量圓形或近圓形的蝕坑，且隨著電流密度的增高，蝕坑直徑變大，深度增大，密度增高。直流腐蝕與交流腐蝕形貌類似，即低電流密度時(shí)以均勻腐蝕為主，高電流密度下試片表面也有凹坑產(chǎn)生，但局部腐蝕特征不如交流腐蝕明顯。圖4顯示，當(dāng)電流密度達(dá)到200A·m-2時(shí)，交、直流的試片表面均變得非常粗糙，不同的是交流腐蝕表面蝕坑縱向深度發(fā)展，直流腐蝕則是許多小淺坑連成線，沒有較大圓形蝕坑出現(xiàn)。由此可以判斷，雖然交流腐蝕的腐蝕量同直流腐蝕相比要小，但通過對(duì)腐蝕后的試片進(jìn)行圖像表征后可以發(fā)現(xiàn)，交流腐蝕的集中腐蝕性更強(qiáng)，容易誘發(fā)局部腐蝕從而造成管道穿孔。因此，單憑測量腐蝕速率和計(jì)算平均腐蝕失重量是不能準(zhǔn)確反映交流腐蝕特性的。研究交流電引起的局部腐蝕問題，更具有實(shí)際意義。

交直流混流試驗(yàn)采用固定交流電流密度，改變直流電流密度的方式考察在交流電作用下混入部分直流電后對(duì)管線鋼腐蝕的影響。計(jì)算后得到X70鋼的平均腐蝕速率，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 交直流混流對(duì)X70鋼腐蝕速率的影響

交直流混流時(shí)各自的電流密度不受疊加影響，在電流密度較小的時(shí)候，混流中的交流電成分將陽極溶解的部分金屬在反向沉積過程中還原，此時(shí)交直流疊加的腐蝕速率比直流時(shí)要小，由于增加了直流電成分，混流的腐蝕速率比交流電單獨(dú)作用下要高。隨著電流密度的增大，交直流疊加混流的腐蝕速率高于直流腐蝕速率，這是因?yàn)樵诟唠娏髅芏鹊闹绷麟娪绊懴抡蛉芙膺^程更加劇烈，而交流電的反向沉積過程受到陰極析出氫氣的影響，沉積速率大大減緩，且由于交流電的振蕩作用加強(qiáng)了金屬表面的活化過程，促使腐蝕速率高于直流腐蝕的情形。

交流電對(duì)金屬腐蝕的作用機(jī)理非常復(fù)雜，簡單理解可認(rèn)為，由于高強(qiáng)度鋼對(duì)外界影響的敏感性強(qiáng)，當(dāng)有交流電流流過時(shí)金屬會(huì)發(fā)生陽極溶解而腐蝕。隨著時(shí)間的推移，當(dāng)腐蝕產(chǎn)物將金屬表面覆蓋后，致密的產(chǎn)物膜將起到一定的保護(hù)作用，可抑制交流腐蝕失重量的增加。在交流電流強(qiáng)度較低時(shí)，不足以破壞腐蝕產(chǎn)物膜的保護(hù)性，金屬的腐蝕速率呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，宏觀上反應(yīng)為均勻腐蝕。但隨著電流密度的增加，氫氣大量逸出，致密的產(chǎn)物膜不易形成。但在正半波周期內(nèi)金屬成為陽極而腐蝕，產(chǎn)物膜遭受破壞，其阻擋腐蝕的能力被大大減弱，在產(chǎn)物膜破裂處便容易形成腐蝕坑點(diǎn)。隨著電流強(qiáng)度的增加，對(duì)產(chǎn)物膜的破壞力度加大，腐蝕加劇，小坑點(diǎn)逐漸融合形成較大的蝕坑。因此，從宏觀上看當(dāng)交流電流密度較低時(shí)容易發(fā)生均勻腐蝕，而當(dāng)電流密度增高時(shí)，更容易產(chǎn)生局部腐蝕。

3 結(jié)論

（1）交流電的流動(dòng)方向一直在變化中，外界交流電對(duì)金屬腐蝕中的電化學(xué)反應(yīng)、腐蝕產(chǎn)物生長與破壞均均產(chǎn)生不可忽視的作用。由于其方向是不斷變化的，因此只要有交流電流流過的地方都會(huì)發(fā)生腐蝕。

（2）遭受雜散電流干擾的X70鋼試樣相比無干擾試樣的腐蝕速率有大幅度提高。隨著電流密度的增大，腐蝕速率近似線性規(guī)律增長，遵循法拉第電解定律，即雜散電流密度越高，腐蝕速率越大。

（3）交流腐蝕的腐蝕量同直流腐蝕相比要小，但交流腐蝕的集中腐蝕性更強(qiáng)，更易誘發(fā)局部腐蝕。因此，單一采用平均腐蝕失重量不能準(zhǔn)確反映交流腐蝕特性。在相同條件下，直流雜散電流的平均腐蝕速率要高于交流雜散電流的平均腐蝕速率。交直流混流情況較為復(fù)雜，當(dāng)體系中混入直流電時(shí)金屬的腐蝕速率較單一的交流電作用下會(huì)大幅度提高。

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