高壓直流干擾下管線鋼在西南土壤中的腐蝕規(guī)律研究*

熊娟 張文艷 杜艷霞 許振昌 秦潤之

1中國石油西南油氣田公司輸氣管理處

2北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院

高壓直流（HVDC）輸電系統(tǒng)是一種用于遠(yuǎn)距離的高效率的輸電方式，具有損耗小、造價低、穩(wěn)定性高等優(yōu)點。由于我國能源主要分布在西部地區(qū)，而能源的主要消耗在東部沿海，高壓直流輸電為我國能源輸送提供了一種重要的方式。目前，我國已經(jīng)建成向家壩—上海、哈密南—鄭州、蒙西—湖北等高壓直流輸電線路，未來還有多條線路正在建設(shè)或規(guī)劃中[1-3]。

HVDC 輸電系統(tǒng)主要有單極運行和雙極運行兩種模式。系統(tǒng)正常運行模式為雙極運行模式，在此運行模式下產(chǎn)生的不平衡電流一般在額定電流的1%以內(nèi)，對埋地金屬管道的危害較小。而當(dāng)其中一極設(shè)備故障或者檢修時，會以單極模式運行，即以大地作為回路通道，此時數(shù)千安培的電流會通過接地極進入大地，并在金屬管道這種良導(dǎo)體上傳輸，最終在防腐層破損處流出。電流流出點管道發(fā)生腐蝕，除對埋地管道造成危害外，高壓直流干擾也會導(dǎo)致管地通電電位發(fā)生大幅度偏移，偏移量可高達(dá)上百伏，對陰極保護設(shè)備及地面工作人員造成嚴(yán)重危害[4-6]。

近年來，隨著高壓直流輸電系統(tǒng)的投運，多條埋地管道上檢測到了干擾。QIN[7]等在翁源接地極3 200 A 陰極放電時，距離接地極7 km 左右的檢測點（該位置為距離管道最近的測試點）處管道的管地通電電位達(dá)到304 V（CSE）；孫建桄[8]等測試翁源接地極1 200 A 放電時發(fā)現(xiàn)，距離接地極最近的管道位置通電電位正向偏移至100 V（CSE）左右；BI[9]等測試哈密南至鄭州±800 kV 特高壓直流輸電線路哈密南接電極放電時發(fā)現(xiàn)，距離接地極最近處管道（約35 km）極化電位正向偏移至0.5 V（CSE）左右。

現(xiàn)場大量案例表明，高壓直流輸電系統(tǒng)接地極單極運行會對埋地管道造成較大的危害，但是對這種危害的程度以及相關(guān)的機理缺乏清晰的認(rèn)識。部分學(xué)者開展了實驗室模擬研究，如秦潤之[10]研究了高壓直流干擾下X80 鋼在廣東土壤中的腐蝕行為，結(jié)果表明：在土壤含水率為21%的廣東紅褐色黏土中，當(dāng)直流干擾電位分別為50、100、200、300 V 時，對應(yīng)的X80鋼腐蝕速率分別為5.56、7.85、10.63、7.78 μm/h。上述案例說明，高壓直流的干擾程度大，對埋地管道的危害也較大，實驗結(jié)果也說明相比自然狀態(tài)下，高壓直流干擾引起腐蝕較為嚴(yán)重。

本實驗參考現(xiàn)場實際工程的干擾參數(shù)，在取自管道附近的原土中搭建室內(nèi)模擬實驗，對管線鋼在大幅值高壓直流干擾下的腐蝕規(guī)律開展研究。

1 實驗方法

實驗材料選取X80 管線鋼，從某長輸管道服役現(xiàn)場運回，其化學(xué)成分見表1。

表1 實驗材料X80 管線鋼的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of experimental material X80 pipeline steel 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

X80 管線鋼的金相組織為鐵素體和珠光體，珠光體彌散分布，且組織分布較為均勻。按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228—2002 測得其屈服強度和抗拉強度分別為605 MPa 和669 MPa。使用線切割將X80 鋼加工成指定形狀的試樣，用SiC 砂紙將其表面逐級打磨至800#，用乙醇超聲波水浴清洗10 min，然后將其表面的油脂清除干凈，用去離子水沖洗并用冷風(fēng)快速吹干備用。實驗時采用聚四氟乙烯制成的夾具將試樣非工作面密封，露出1 cm2的金屬為工作面。

實驗選擇四川土壤作為環(huán)境介質(zhì)，土壤取自宜賓市，為紅褐色黏土，土壤含水率約為17.5%，土壤電阻率為27.7 Ω·m，pH 值約為6.5，土壤離子質(zhì)量濃度（5 g 土壤溶于30 mL 去離子水后測得質(zhì)量濃度）為：SO42-12.2 mg/L，Cl-1.87 mg/L，NO3-33.4 mg/L，Na+1.4 mg/L，K+0.91 mg/L，Ca2+12.1 mg/L，Mg2+1.2 mg/L。

實驗裝置為自行搭建的高壓直流干擾土壤腐蝕模擬裝置。裝置原理及實物圖如圖1 所示。該裝置由土壤實驗箱、高壓直流電源、電位記錄儀、萬用表、開關(guān)等設(shè)備構(gòu)成，土壤實驗箱尺寸為20 cm×10 cm×8 cm，采用三電極體系，管道鋼材質(zhì)試樣為工作電極（WE），紫銅板為對電極（CE），飽和甘汞電極為參比電極（RE）。將三電極完全埋入土壤中，參比電極距離工作電極表面1 cm，并在工作電極附近放置溫度計以記錄干擾過程中溫度變化，干擾電壓由HSPY 400-01 型高壓直流電源提供，并在回路中串聯(lián)100 Ω分流電阻，電流測量通過Corrlog-1C 電位記錄儀記錄電阻兩端的電位，用FLUKE 289C 型萬用表采集工作電極與參比電極間的電位，用Reference 3000 型電化學(xué)工作站連接三電極體系測量干擾前后的電化學(xué)參數(shù)。

圖1 高壓直流干擾裝置原理圖（左）及實物圖（右）Fig.1 Principle diagram(left)and real product diagram(right)of HVDC interference device

實驗裝置搭建完成后靜置半小時，用電化學(xué)工作站測試其開路電位至穩(wěn)定，并測試試樣附近的環(huán)境電阻Rsoil[10]，Rsoil可以體現(xiàn)試樣表面電阻率變化，Rsoil的測量通過電化學(xué)工作站施加輕微的交流擾動實現(xiàn)，擾動交流電流密度為0.000 1 A/cm2（均方根值），交流頻率50 Hz。完成后即用高壓直流干擾電源施加干擾1 h，干擾電壓分別為5、10、20、50、100、150、200、250、300 V，同時記錄溫度計的數(shù)值變化。干擾結(jié)束后，用同樣的方法測試干擾后Rsoil的變化，并將試樣表面的小塊土壤取出，測試含水率變化。

測試試樣腐蝕失質(zhì)量，采用500 mL 去離子水+500 mL 濃鹽酸+3.5 g 六次甲基四胺配制的除銹液，在超聲波容器中清洗試樣，再用乙醇超聲處理，吹干后用精度為0.1 mg 的電子天平秤量腐蝕失質(zhì)量。利用以下公式計算實驗周期內(nèi)腐蝕速率：

式中：v為腐蝕速率，μm/h；Wb為干擾前試樣質(zhì)量，g；Wa為干擾后試樣質(zhì)量，g；ΔW為除銹過程中空白樣失質(zhì)量，g；t為實驗周期，h；ρ為試樣密度，g/cm3；A為試樣暴露的面積，cm2。

2 實驗結(jié)果

2.1 不同干擾電壓下電流密度測試結(jié)果

不同干擾電壓下的電流密度如圖2 所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在不同干擾電壓下的電流密度數(shù)值大小不同，但曲線變化有著相似的規(guī)律，均可將電流密度曲線劃分為三個階段，即：

階段一：剛施加直流干擾時，電流密度迅速升高達(dá)到峰值，持續(xù)時間為10 s 以內(nèi)。

圖2 X80 鋼在5～300 V 直流干擾電位下電流密度隨時間變化曲線（左）及峰值放大圖（右）Fig.2 Current density time-varying curve(left)and peak values enlargement（right）of X80 steel under 5～300 V DC interference potential

階段二：電流密度從峰值開始呈指數(shù)型迅速下降，直至接近穩(wěn)定值，持續(xù)時間200 s 以內(nèi)。

階段三：電流密度保持穩(wěn)定值，隨時間有少量波動，但變化不大，持續(xù)時間一直到實驗結(jié)束。

同時也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)直流干擾電壓大于50 V 時，峰值下落至穩(wěn)定值的幅度較為明顯；當(dāng)直流干擾電壓小于50 V 時，則未表現(xiàn)出明顯的下落幅度；且隨著干擾電壓的增大，峰值電流密度增大，但維持時間縮短。

峰值電流密度與干擾電壓的關(guān)系如圖3 所示?？梢钥闯觯S著干擾電壓的增大，峰值電流密度增大，近似呈線性關(guān)系。其中，當(dāng)干擾電壓為300 V時，峰值電流密度最大，達(dá)到610.5 A/m2；當(dāng)干擾電壓為5 V 時，峰值電流密度最小，為13.3 A/m2。同時也發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定電流密度均小于10 A/m2。

圖3 峰值電流密度隨干擾電壓變化規(guī)律Fig.3 Variation law of peak current density with interference voltage

2.2 不同電壓干擾后試樣附近環(huán)境參數(shù)變化

不同干擾電壓下試樣近表面溫度變化如圖4 所示。由圖可以發(fā)現(xiàn)，試樣近表面溫度變化與電流密度變化曲線類似，也呈現(xiàn)出先升高后降低并穩(wěn)定的規(guī)律，且干擾電壓大于100 V 時，溫度有明顯的升高，當(dāng)干擾電壓小于100 V 時，試樣近表面溫度變化不明顯。通過圖4（下）不同電壓下最高溫度的變化可以發(fā)現(xiàn)，試樣近表面最高溫度隨干擾電壓的變化曲線是先增加然后有一定下降，干擾電壓200 V 時，試樣近表面溫度最高，達(dá)到46 ℃，結(jié)合電流密度變化曲線來看，隨著干擾電壓的增大，電流密度峰值增大，但維持時間縮短，使得電流做功在某個電位下存在最大。需要加以說明的是，為了盡可能減小對試樣表面電流分布的影響，溫度計安插在裸露面?zhèn)让娴慕帲虼?，所測得的結(jié)果要低于試樣表面的實際溫度。

圖4 不同干擾電壓下試樣近表面溫度變化（上）及最高溫度（下）Fig.4 Sample surface temperature variation(above)and highest temperature(below)with different interference voltage

干擾結(jié)束后，試樣近表面小塊土壤的含水率變化如圖5 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著干擾電壓的增大，試樣近表面含水率呈現(xiàn)先減小然后又略有增加的變化，其中在200 V 干擾后，試樣近表面土壤含水率最低，約為11.4%。同時，將該小塊土壤按照質(zhì)量比土∶水=1∶5 加入去離子水?dāng)嚢桁o置，取上層清液測得pH 值變化，發(fā)現(xiàn)pH 值呈現(xiàn)酸性，但酸性程度變化較小，隨干擾電壓的增加，pH 值變化范圍在6～5 之間。

圖5 高壓直流干擾后試樣近表面土壤含水率變化曲線Fig.5 Variation curve of soil water contentnear in the surface of sample after HVDC interference

干擾前后Rsoil的變化如圖6 所示，發(fā)現(xiàn)干擾后Rsoil增大，且明顯大于干擾前。干擾后Rsoil隨著干擾電壓的增大呈增大趨勢，但在實際測試中發(fā)現(xiàn)，Rsoil在測試前期迅速衰減，實際測試又無法準(zhǔn)確測得斷電瞬間Rsoil的數(shù)值，因此，斷電至測試間的延遲時間越長，所測數(shù)據(jù)的偏差越大，使得該數(shù)據(jù)存在一定誤差。為此，利用Origin 軟件對Rsoil進行擬合，發(fā)現(xiàn)衰減呈現(xiàn)對數(shù)型關(guān)系，如圖7 所示，通過計算估測斷電瞬間Rsoil數(shù)值如圖6 右圖所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，干擾后Rsoil隨干擾電壓近似呈線性關(guān)系，隨著干擾電壓的增大，Rsoil增大，且相對干擾前，增大幅度明顯。除此之外，通過萬用表測量試樣與參比電極間的分壓，發(fā)現(xiàn)該分壓占到施加電壓的90%以上，這也與通電后Rsoil的大幅度增加有關(guān)。

2.3 腐蝕速率測試結(jié)果

不同電壓下干擾1 h 后，試樣表面均有不同程度的腐蝕，腐蝕形貌如圖8 所示。由圖可見，當(dāng)直流干擾電壓為50～300 V 時，試樣表面有不同程度的紅褐色腐蝕產(chǎn)物；當(dāng)直流干擾電壓為50 V 以下時，試樣腐蝕較輕，腐蝕產(chǎn)物較少。所有的腐蝕產(chǎn)物分布并不均勻，且質(zhì)地疏松，易脫落，導(dǎo)致試樣表面接觸的土壤難以清除干凈，會有些許殘留。

不同直流干擾實驗結(jié)束后，將試樣清理、酸洗，測得管線鋼試樣在高壓直流干擾過程中的失質(zhì)量及腐蝕速率，如圖9 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，試樣的腐蝕速率隨著干擾電壓的增大呈現(xiàn)先升高后降低的現(xiàn)象，當(dāng)干擾電壓為150 V 和200 V 時達(dá)到最高，腐蝕速率均為2.15 μm/h，這也與上述溫度和含水率等局部環(huán)境變化規(guī)律相對應(yīng)。

圖6 干擾前后Rsoil變化曲線（左圖為實測，右圖為擬合曲線）Fig.6 Variation curve of Rsoilbefore and after interference(the left one is actual measurement，and the right one is fitting curve)

圖7 150 V 干擾下Rsoil的擬合曲線Fig.7 Fitting curve of Rsoilunder 150 V interference

圖8 不同電壓下干擾1 h 后試樣表面腐蝕形貌Fig.8 Surface corrosion morphology of samples after 1 hour interference of different voltage

圖9 不同電壓干擾1 h 后X80 鋼腐蝕失質(zhì)量（上）及腐蝕速率（下）Fig.9 Corrosion mass loss(above)and corrosion rate(below)of X80 steel after 1-hoar interference of different voltage

根據(jù)法拉第電解定律，其理論失質(zhì)量計算公式為

式中：w為金屬腐蝕的質(zhì)量，g；k為該物質(zhì)的電化當(dāng)量，g/C；I為電流強度，A；t為通電時間，h；M為該物質(zhì)的摩爾質(zhì)量，g/mol；F為法拉第常數(shù)，取9.65×104C/mol；n為電化學(xué)反應(yīng)中消耗的電子數(shù)?？紤]到土壤環(huán)境里氧含量不足，試樣可能發(fā)生的反應(yīng)為：Fe→2e+Fe2+。

通過電流密度積分值即可計算理論的腐蝕失質(zhì)量，理論失質(zhì)量與實際所測失質(zhì)量如圖10 所示。通過對比二者關(guān)系，考慮誤差的因素，認(rèn)為高壓直流干擾的腐蝕失重符合法拉第定律，因此在實際操作中，可以通過檢測電流密度數(shù)據(jù)來預(yù)測干擾中的腐蝕速率。

圖10 實際失質(zhì)量與理論失質(zhì)量關(guān)系曲線Fig.10 Relationship curve of actural mass lose and theoretical mass lose

3 結(jié)論

（1）X80 鋼試樣在四川土壤中施加5～300 V 直流干擾電位，電流密度隨時間呈現(xiàn)典型的三階段變化特征：先在幾秒內(nèi)急劇上升到較高水平的峰值，然后在幾百秒內(nèi)下降到較低水平的穩(wěn)定值并保持較長時間。通過實驗過程中對試樣近表面環(huán)境參數(shù)的測試發(fā)現(xiàn)，電流干擾可以造成試樣溫度升高、含水率降低、Rsoil急劇增加，因此局部環(huán)境的變化是造成電流密度變化的主要原因。

（2）腐蝕速率隨干擾電壓的增大先增加后減小，并在干擾電壓達(dá)到150 V 和200 V 時，腐蝕速率最大，均為2.15 μm/h。

（3）高壓直流干擾實驗中，試樣的實際失重量與根據(jù)法拉第定律將電流密度進行積分所計算得到的理論腐蝕失重量相接近，因此在實際干擾中可以通過檢測電流密度的變化來預(yù)測腐蝕速率。