高壓直流接地極入地電流對埋地金屬管道的腐蝕影響

(1. 中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司，廊坊 065000； 2. 中國電力科學(xué)研究院，北京100192； 3. 中國石油天然氣管道局工程有限公司 東南亞項(xiàng)目經(jīng)理部，廊坊 065000)

我國地域廣闊，能源主要分布在西部區(qū)域，而人口和工業(yè)則主要集中在東部地區(qū)，因此遠(yuǎn)距離、大容量的能源輸送發(fā)展戰(zhàn)略應(yīng)運(yùn)而生，長輸油氣管道和高壓直流工程也因此進(jìn)入建設(shè)高峰期[1-2]。

隨著西電東送，西氣東輸工程的建設(shè)，直流接地極與埋地油氣管道鄰近的情況已不可避免。而高壓直流輸電系統(tǒng)在運(yùn)行期間會有大量電流通過接地極入地，在接地極附近形成恒定的直流電流場[3]，并伴隨出現(xiàn)大地電位的升高。如果接地極附近存在金屬管道，由于金屬的電阻率遠(yuǎn)小于土壤電阻率，電流將會在管道防腐蝕層破損點(diǎn)處流入流出，不僅使金屬管道存在腐蝕和氫脆的風(fēng)險，還會給管道附屬設(shè)備以及人員的安全帶來危險[4-5]。

隨著我國特高壓直流輸電工程快速發(fā)展，接地極的額定入地電流也由3 kA增大至4 kA甚至5 kA，接地極入地電流對埋地油氣管道的影響問題日漸凸顯[6-9]，已引起石油天然氣和電力兩大行業(yè)的高度關(guān)注[10]。而關(guān)于直流接地極對金屬管道腐蝕的針對性研究并不多見[11-12]，并且對于大電流密度下法拉第電解定律的適用性也鮮有研究。本工作分別對不同管道材料、土壤pH、土壤電阻率、泄漏電流密度、持續(xù)時間等參數(shù)開展金屬腐蝕試驗(yàn)，以研究直流接地極入地電流對埋地油氣管道的腐蝕影響規(guī)律，同時驗(yàn)證法拉第電解定律在大電流密度下的適用性。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試樣材料為X65、X70、X80鋼，將試驗(yàn)材料制成尺寸分別為10 mm×10 mm×12 mm和50 mm×20 mm×12 mm的試樣，所有試樣在試驗(yàn)前均用水磨砂紙(至800號)打磨。試驗(yàn)所用試劑有氯化鈣、氯化鈉、無水硫酸鈉、無水硫酸鎂、硝酸鉀、碳酸氫鈉、氫氧化鈉、濃鹽酸，均為分析純，購于天力化學(xué)試劑有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

搭建穩(wěn)態(tài)條件下的腐蝕試驗(yàn)系統(tǒng)[13-14]，為消除試驗(yàn)誤差，試驗(yàn)設(shè)置三組平行試樣，此外每次試驗(yàn)均添加空白樣以消除自腐蝕誤差。為保證回路電流一致，采用串聯(lián)回路，電源選擇恒流模式，回路示意圖如圖1所示。當(dāng)回路電阻小時，使用PS-12恒電位儀，回路電阻大則使用HIPS-1C直流穩(wěn)壓電源。

圖1 腐蝕試驗(yàn)回路示意圖Fig. 1 Schematic diagram of corrosion testing loop

為保證試驗(yàn)過程中工作電極和輔助電極(鉑電極)間距離一致，采用定制電解槽，如圖2所示。電解槽側(cè)面配置密封圈以安裝對應(yīng)尺寸的試樣，試驗(yàn)過程中在其中一側(cè)安裝試樣，在不安裝試樣的另一側(cè)用對應(yīng)尺寸的密封墊密封，電解槽蓋子配有圓孔以安裝輔助電極。用FLUKE 289C萬用表對試驗(yàn)過程中的電壓進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

圖2 試驗(yàn)定制電解槽Fig. 2 Customized electrolytic cell for test

試驗(yàn)前采用XSE 205DU電子天平對試樣進(jìn)行稱量及尺寸測量，試驗(yàn)結(jié)束后參照GB 16545-2015《金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除》清除腐蝕產(chǎn)物[15]，然后再次對試樣進(jìn)行稱量。

2 結(jié)果與討論

2.1 管材的影響

參考文獻(xiàn)[16-19]分別配制具有代表性的庫爾勒土壤模擬溶液和鷹潭土壤模擬溶液，調(diào)節(jié)溶液pH即土壤pH分別為8.0和4.0，電阻率調(diào)至30 Ω·m。在恒定陽極電流密度9 mA/cm2下對尺寸為10 mm×10 mm×12 mm的X65、X70、X80管線鋼試樣進(jìn)行加速腐蝕，腐蝕時間為1 d。由于試驗(yàn)過程中電流密度存在微小的波動，故試驗(yàn)值是將實(shí)際測量值折算成電流密度為9 mA/cm2時的值，腐蝕試驗(yàn)后不同管材的質(zhì)量損失情況見表1。

表1 管材對腐蝕質(zhì)量損失的影響Tab. 1 Effect of pipe material on mass loss after corrosion

從表1可以看出：在相同的電流密度下，三種鋼材的腐蝕后的質(zhì)量損失相差不大，試驗(yàn)平均值與計算值(按法拉第電解定律計算)的相對誤差不超過2%，因此恒定陽極電流密度下管線鋼的腐蝕量受鋼材類型影響不大。

2.2 土壤pH的影響

根據(jù)文獻(xiàn)[17,19-20]分別制備鷹潭、拉薩、庫爾勒土壤模擬溶液，溶液pH分別調(diào)節(jié)至4、7、8，電阻率調(diào)節(jié)至30 Ω·m，試樣為50 mm×20 mm×12 mm的X80管線鋼，電流密度為0.3 mA/cm2，腐蝕時間為3 d，研究不同土壤pH對金屬腐蝕行為的影響。同樣，試驗(yàn)值是折算成電流密度為0.3 mA/cm2時的值，經(jīng)恒定電流密度0.3 mA/cm2加速腐蝕后的腐蝕質(zhì)量損失情況見表2。

表2 土壤pH對腐蝕質(zhì)量損失的影響Tab. 2 Effect of soil pH on mass loss after corrosion

從表2可以看出：在相同電流密度、不同土壤pH下腐蝕后管線鋼的質(zhì)量損失也相差不大，試驗(yàn)值與計算值(按法拉第電解定律計算)的相對誤差不超過5.10%，故恒定陽極電流密度下管線鋼的腐蝕質(zhì)量損失受土壤pH影響不大。

2.3 土壤電阻率的影響

試驗(yàn)溶液選用庫爾勒土壤模擬溶液，將溶液pH調(diào)節(jié)至8.0，電阻率分別調(diào)節(jié)為10、30、100、500、1 000、1 500 Ω·m，試樣為50 mm×20 mm×12 mm的X80管線鋼，電流密度為0.3 mA/cm2，腐蝕時間為3 d，研究土壤電阻率對金屬腐蝕行為的影響。經(jīng)恒定電流密度0.3 mA/cm2加速腐蝕后管線鋼的質(zhì)量損失情況見表3，其中試驗(yàn)值是折算成電流密度為0.3 mA/cm2時的值。

從表3中可以看出：在恒定的電流密度、不同土壤pH下腐蝕后管線鋼的質(zhì)量損失相差很小，試驗(yàn)值與計算值(按法拉第電解定律計算)的相對誤差不超過5.10%，恒定陽極電流密度下管線鋼的腐蝕質(zhì)量損失受電阻率影響很小。

2.4 泄漏電流密度的影響

本節(jié)試驗(yàn)所用試驗(yàn)溶液為庫爾勒土壤模擬溶液，將溶液pH調(diào)節(jié)至8.0，電阻率調(diào)節(jié)至30 Ω·m。為避免腐蝕質(zhì)量損失過小(電流密度較小時)引入較大測量誤差，對于電流密度為0.01、0.3、1 mA/cm2的試驗(yàn)采用50 mm×20 mm×12 mm的X80管線鋼試樣，腐蝕時間為6 d；對于電流密度3、9、40、90 mA/cm2的試驗(yàn)，采用10 mm×10 mm×12 mm的X80管線鋼試樣，腐蝕時間為1 d。陽極極化加速腐蝕試驗(yàn)結(jié)束后觀察試樣的質(zhì)量損失情況，通過金屬腐蝕速率對比研究不同泄漏電流密度對金屬腐蝕的影響規(guī)律。

表3 土壤電阻率對腐蝕質(zhì)量損失的影響Tab. 3 Effect of soil resistivity on mass loss after corrosion

表4為電流密度0.01～1 mA/cm2條件下X80管線鋼的腐蝕情況，表5為電流密度3～90 mA/cm2條件下X80管線鋼的腐蝕情況。根據(jù)表4和表5數(shù)據(jù)，對電流密度-腐蝕質(zhì)量損失和電流密度-腐蝕速率分別作圖，結(jié)果如圖3和圖4所示。

結(jié)果表明：試樣的腐蝕質(zhì)量損失與電流密度、腐蝕速率與電流密度均呈較好的線性關(guān)系，腐蝕質(zhì)量損失和腐蝕速率均隨著電流密度增大而增大；試驗(yàn)得到的腐蝕質(zhì)量損失平均值與按法拉第電解定律計算得到的計算值間的相對誤差隨著電流密度的增大而減小，除在0.01 mA/cm2電流密度下相對誤差較大外，其他電流密度下相對誤差均不超過5.00%。這是由于電流密度小到一定程度時，金屬在模擬溶液中由自腐蝕引起的質(zhì)量損失將大于由外加電流腐蝕產(chǎn)生的質(zhì)量損失，此時實(shí)際測量結(jié)果的誤差不僅來自于平行樣間金屬自腐蝕的差別，而且整個測量系統(tǒng)因腐蝕質(zhì)量損失數(shù)值較小，測量誤差也會相應(yīng)增大。

表4 電流密度為0.01～1 mA/cm2時X80 管線鋼的腐蝕情況Tab. 4 Corrosion situation of X80 pipeline steel at current densities of 0.01-1 mA/cm2

表5 電流密度為3～90 mA/cm2時X80管線鋼 的腐蝕情況Tab. 5 Corrosion situation of X80 pipeline steel at current densities of 3-90 mA/cm2

從整體上看，腐蝕質(zhì)量損失的計算值和試驗(yàn)值基本上一致。這表明，金屬的腐蝕質(zhì)量損失很好地符合了電量-腐蝕質(zhì)量損失對應(yīng)的法拉第關(guān)系，根據(jù)外加電流大小和持續(xù)時間來計算金屬的腐蝕質(zhì)量損失是完全可行的。

(a) 0.01～1 mA/cm2

(b) 3～90 mA/cm2圖3 腐蝕質(zhì)量損失-電流密度關(guān)系曲線Fig. 3 Relationship between corrosion mass loss and current density

圖4 腐蝕速率-電流密度關(guān)系曲線Fig. 4 Relationship between corrosion rate and current density

2.5 腐蝕時間的影響

為進(jìn)一步了解管線鋼在恒電流下的腐蝕規(guī)律，掌握其在腐蝕過程中產(chǎn)生的腐蝕氧化物對其界面的影響及其界面是否對后續(xù)的反應(yīng)產(chǎn)生阻礙，開展了不同持續(xù)時間下的金屬腐蝕試驗(yàn)。

本節(jié)試驗(yàn)共設(shè)置3組不同時長的腐蝕試驗(yàn)，分別是6 h、1 d、3 d，試樣為50 mm×20 mm×12 mm的X80管線鋼，腐蝕環(huán)境為庫爾勒土壤模擬液(電阻率30 Ω·m、pH 8)，為保證腐蝕試驗(yàn)中試樣產(chǎn)生足夠的腐蝕量以減小試驗(yàn)誤差，試驗(yàn)電流密度選用1 mA/cm2。表6為在1 mA/cm2恒定電流密度下腐蝕不同時間后X80的腐蝕質(zhì)量損失，其中試驗(yàn)值是折算成電流密度為1 mA/cm2時的值。圖5為腐蝕時間-腐蝕質(zhì)量損失的關(guān)系曲線。

結(jié)果表明：金屬的腐蝕質(zhì)量損失與腐蝕時間成正比，隨著腐蝕時間的延長，腐蝕質(zhì)量損失呈線性增

表6 腐蝕時間對腐蝕質(zhì)量損失的影響Tab. 6 Effect of corrosion time on mass loss

圖5 腐蝕質(zhì)量損失-腐蝕時間關(guān)系曲線Fig. 5 Relationship between corrosion mass loss and corrosion duration

大，但腐蝕速率基本保持不變，金屬的腐蝕質(zhì)量損失與通過試樣表面的電量成正比。試驗(yàn)平均值與計算值(按法拉第電解定律計算)的相對誤差不超過2.4%。

3 結(jié)論

(1) 在其他試驗(yàn)條件一致的情況下，管線鋼的腐蝕質(zhì)量損失受鋼材類型、土壤pH以及土壤電阻率的影響不大，受泄漏電流密度的影響較大；管線鋼的腐蝕質(zhì)量損失和腐蝕速率均隨陽極電流密度的增大而增大，呈線性關(guān)系；腐蝕質(zhì)量損失與腐蝕時間成正比，腐蝕速率與腐蝕時間無關(guān)。

(2) 通過對腐蝕規(guī)律的研究，驗(yàn)證了法拉第定律在管道受大直流干擾腐蝕下的適用性，為后續(xù)仿真計算等效入地電流對管道產(chǎn)生的腐蝕量提供數(shù)據(jù)支持，為提出更具適用性的直流干擾評價指標(biāo)提供理論基礎(chǔ)。