交流干擾影響下的最小陰極保護(hù)電位

楊 濤，曹 備，吳蔭順，和宏偉，楊 江

（1.北京科技大學(xué) 腐蝕與防護(hù)中心，北京100083；2.北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司，北京100011）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，大型電氣化鐵路、輸電線等交流供電線路的大規(guī)模建立。根據(jù)路權(quán)擇優(yōu)的原則，交流供電線路與埋地管線通常并行或者交叉布置。這就導(dǎo)致交流電流輸送過程中產(chǎn)生的交流雜散電流對(duì)埋地管線產(chǎn)生交流干擾和誘發(fā)交流腐蝕。根據(jù)研究表明，在交流干擾的影響下，傳統(tǒng)的陰極保護(hù)準(zhǔn)則-850mV陰極保護(hù)電位不再適用［1］。本工作針對(duì)交流干擾影響破壞陰極保護(hù)系統(tǒng)，探究新的適用于交流干擾下的陰極保護(hù)準(zhǔn)則［2］。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)裝置見圖1。試驗(yàn)裝置由兩條回路組成，一條是由信號(hào)發(fā)生器、1 000Ω電流密度的標(biāo)準(zhǔn)電阻、碳棒以及試樣組成的干擾回路，負(fù)責(zé)對(duì)試樣施加交流干擾；電流密度用來確定流過試樣表面的干擾。另一條是測(cè)量回路，由ps-268A測(cè)試儀、試樣和碳棒組成的，負(fù)責(zé)對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)量以及提供陰極保護(hù)。此外，在測(cè)量回路中的碳棒一端加入5μF的電容并在干擾回路中的碳棒一端加入10H的電感線圈，使干擾和測(cè)量?jī)蓷l回路避免互相干擾。

圖1 試驗(yàn)裝置圖

試驗(yàn)材料為Q235鋼，試驗(yàn)介質(zhì)為北京地區(qū)土壤模擬溶液，成分配比：0.25%NaCl＋0.1%NaNO3＋0.1%Na2SO4＋0.05%Na2CO3（純化學(xué)試劑配制）。首先利用ps-268電化學(xué)工作站分別進(jìn)行0，30，50，70，100A·m-2交流干擾下-0.035mA·cm-2恒電流極化試驗(yàn)。然后利用交流信號(hào)發(fā)生器將流過浸泡于模擬溶液中的試樣表面交流電流密度分別確定為0，30，50，70，100A·m-2，同時(shí)利用pS-268電化學(xué)工作站進(jìn)行不同電位的恒電位極化試驗(yàn)。本工作保護(hù)電位值均相對(duì)于飽和硫酸銅參比電極（CSE）。交流干擾信號(hào)為50Hz方波。試驗(yàn)過程中，試樣浸入模擬溶液中后延遲10min雙電層穩(wěn)定后進(jìn)行極化，極化時(shí)間均為200min。

2 結(jié)果與討論

2.1 恒電流極化試驗(yàn)

圖2為不同交流電流密度干擾下-0.035mA·cm-2恒電流下保護(hù)電位隨時(shí)間的變化圖。由圖2可見，在無交流干擾情況下-0.035mA·cm-2恒電流極化下得到的保護(hù)電位基本穩(wěn)定在-900mV左右，當(dāng)交流干擾存在時(shí)，保護(hù)電位曲線出現(xiàn)波動(dòng)。當(dāng)存在交流干擾時(shí)，保護(hù)電位波動(dòng)范圍內(nèi)的電位值較無干擾情況下向正向移動(dòng)，并且隨著干擾增大，整個(gè)波動(dòng)范圍有整體向正向移動(dòng)的趨勢(shì)。這說明交流干擾有陽極極化的作用，與陰極極化有相反的趨勢(shì)。

圖2 不同交流電流密度干擾下-0.035mA·cm2恒電流極化圖

無交流干擾存在情況下，保護(hù)電流密度用于金屬表面上陰極保護(hù)膜的建立與維持，在過度保護(hù)的情況下（達(dá)到析氫過電位）提供析氫反應(yīng)電流密度，即提供溶液中去極化作用需要的電荷。當(dāng)交流干擾存在時(shí)，保護(hù)電流密度又要提供交流干擾帶來的陽極極化作用所消耗的電荷。由此，傳統(tǒng)的陰極保護(hù)準(zhǔn)則不再適用。

2.2 交流雜散電流密度干擾下保護(hù)電流密度趨勢(shì)曲線試驗(yàn)

按照試驗(yàn)裝置圖連接好試驗(yàn)電路，測(cè)量各個(gè)干擾下保護(hù)電流密度隨時(shí)間的變化曲線，通過線性擬合后得到的斜率判斷曲線的趨勢(shì)，改變極化電位尋找最小陰極保護(hù)電位。

圖3 無交流干擾情況下恒電位極化圖

圖3 為無干擾下的各個(gè)恒電位極化圖。由圖3可見，當(dāng)極化電位為-800mV時(shí)，保護(hù)電流密度曲線呈現(xiàn)水平趨勢(shì)。

圖4為在30A·m-2交流電流密度干擾下的各個(gè)趨勢(shì)曲線圖。

圖4 30A·m-2交流干擾下恒電位極化圖

圖4中曲線在交流干擾影響下出現(xiàn)了小范圍密集的波動(dòng)，這是由于交流干擾破壞了雙電層并且阻礙了雙電層的穩(wěn)定存在，所以為了保持恒定的電位，保護(hù)電流密度必將上下波動(dòng)以抵抗交流干擾的影響。由圖4還可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)極化電位為-850mV時(shí)，曲線呈現(xiàn)出水平趨勢(shì)。

50A·m-2交流干擾下曲線也出現(xiàn)了波動(dòng)（見圖5），由曲線的趨勢(shì)判斷-915mV為此干擾下的出現(xiàn)水平趨勢(shì)的電位。

圖5 50A·m-2交流干擾下恒電位極化圖

圖6 與圖7所示分別為70A·m-2與100A·m-2交流干擾下的趨勢(shì)曲線圖，出現(xiàn)水平趨勢(shì)的極化電位分別為-955mV和-990mV。

由以上趨勢(shì)曲線可以發(fā)現(xiàn)，在不同的極化電位下，保護(hù)電流密度隨時(shí)間的變化曲線出現(xiàn)了上升、水平以及下降三種情況。這是由于陰極極化是抵抗去極作用和交流干擾陽極極化作用的過程，當(dāng)極化電位恰好可以提供合適驅(qū)動(dòng)力的時(shí)候，曲線趨于水平，驅(qū)動(dòng)力過高時(shí)曲線上升而過低時(shí)曲線下降。

圖8為最小陰極保護(hù)電位確定因素圖。結(jié)合以上的分析以及保護(hù)電流密度的作用得出結(jié)論：當(dāng)曲線為上升趨勢(shì)的時(shí)候，對(duì)試樣的保護(hù)處于過保護(hù)狀態(tài)；當(dāng)曲線為下降趨勢(shì)的時(shí)候，對(duì)試樣的保護(hù)為欠保護(hù)狀態(tài)；而當(dāng)曲線為水平趨勢(shì)的時(shí)候就是希望得到的最小（最正值）陰極保護(hù)電位。

圖8 交流干擾下極化驅(qū)動(dòng)力分析圖

圖9為通過對(duì)以交流電流密度為橫坐標(biāo)以最小陰極保護(hù)電位為縱坐標(biāo)的各個(gè)點(diǎn)進(jìn)行擬合可以得到最小陰極保護(hù)電位曲線。

由圖9中曲線可以得出最小陰極保護(hù)電位的限值公式。在0～100A·m-2交流電流密度干擾范圍內(nèi)，最小陰極保護(hù)電位限值公式為：

圖9 最小陰極保護(hù)電位擬合曲線圖

式中：Ep為確定交流電流密度干擾下的相應(yīng)最小陰極保護(hù)電位，mV；JAC為交流干擾電流密度，A·m-2。

利用公式可以在已知交流干擾電流密度的情況下計(jì)算出在該干擾下應(yīng)提供陰極保護(hù)電位的最正值，對(duì)埋地管線施加有效保護(hù)進(jìn)行指導(dǎo)幫助或者評(píng)估已有保護(hù)是否達(dá)到保護(hù)要求；在已知埋地管線陰保電位的情況下，可以計(jì)算得到此電位可抵抗的最大交流干擾電流密度，作為相應(yīng)陰保下埋地管線腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則?？偠灾?，當(dāng)保護(hù)電位負(fù)于或等于一定交流干擾電流密度下的最小陰極保護(hù)電位，保護(hù)為有效保護(hù)；在一定陰極保護(hù)電位保護(hù)下，干擾電流密度大于此保護(hù)電位可抵抗的最大交流干擾，埋地管線存在腐蝕危險(xiǎn)。

3 結(jié)論

（1）交流干擾可以破壞陰極保護(hù)系統(tǒng)，其對(duì)于溶液中的試樣具有陽極極化作用，原有陰保準(zhǔn)則只考慮溶液反應(yīng)帶來的去極化作用而忽略了陽極極化驅(qū)動(dòng)力導(dǎo)致經(jīng)典的陰極保護(hù)電位準(zhǔn)則失效。

（2）通過保護(hù)電流密度隨時(shí)間的變化曲線趨勢(shì)可以得到交流干擾下的最小陰極保護(hù)電位：當(dāng)曲線為上升趨勢(shì)的時(shí)候，對(duì)試樣的保護(hù)處于過保護(hù)狀態(tài)；當(dāng)曲線為下降趨勢(shì)的時(shí)候，對(duì)試樣的保護(hù)為欠保護(hù)狀態(tài)；而使曲線為水平趨勢(shì)的電位為最小陰極保護(hù)電位。

（3）在0～100A·m-2交流干擾電流密度范圍內(nèi)的最小陰極保護(hù)電位限值公式為Ep＝-1 030＋230／［1＋（JAC／52）×2.4］。

［1］杜晨陽，曹備，吳蔭順.交流電干擾下-850mV（CSE）陰極保護(hù)電位準(zhǔn)則的適用性研究［J］.腐蝕與防護(hù)，2009，30（6）：655-659.

［2］杜晨陽，曹備，吳蔭順.交流干擾下新的保護(hù)電位準(zhǔn)則的探討［J］.腐蝕與防護(hù)，2010，31（8）：847-850.