交流干擾對(duì)埋地管道陰極保護(hù)電位的影響分析

中國(guó)石油管道局工程有限公司

隨著石油、天然氣、電力等行業(yè)迅速發(fā)展，相應(yīng)的基礎(chǔ)建設(shè)大量增加，使油氣管網(wǎng)與高壓輸電網(wǎng)遍布各地，不可避免地出現(xiàn)了架空的高壓交流輸電線路或交流供電的電氣化鐵路與埋地管道共用“公共走廊”現(xiàn)象。高壓輸電線路和城市地鐵交流牽引系統(tǒng)的交流電源會(huì)使與其平行的埋地金屬管道感應(yīng)出交流電壓，由此而產(chǎn)生交流電流，并誘發(fā)交流腐蝕。

目前國(guó)內(nèi)外開展交流腐蝕研究采用的手段是實(shí)驗(yàn)室模擬加速實(shí)驗(yàn)，主要研究干擾源特性（包括干擾電壓、干擾電流密度、交流電波形、交流電頻率等）對(duì)交流腐蝕速率和鈍化特性等腐蝕行為的影響，并取得了一定的成果[1-2]。目前國(guó)內(nèi)研究主要針對(duì)陰極保護(hù)相關(guān)準(zhǔn)則的修訂方面，而對(duì)于交流干擾對(duì)管道陰極保護(hù)電位的影響尚未明確，并且交流干擾下的陰極保護(hù)電位范圍仍沒有統(tǒng)一定論[3-5]。因此，本文針對(duì)交流干擾對(duì)埋地管道陰極保護(hù)電位的變化進(jìn)行了分析，并提出了交流干擾下的陰極保護(hù)電位范圍。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果分析

干擾管線地處長(zhǎng)江三角洲經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，主要用于海上LNG 氣化后天然氣遠(yuǎn)輸。線路總長(zhǎng)為149 km，設(shè)計(jì)壓力為6.3 MPa，管道規(guī)格Φ508 mm×7.1 mm，管材為X80 高強(qiáng)鋼，采用加強(qiáng)級(jí)3PE 防腐層；管道沿途設(shè)置3 座陰極保護(hù)站。

圖1 為在穩(wěn)態(tài)交流干擾下、不同陰極保護(hù)通/斷狀態(tài)下的管道電位測(cè)試示意圖。如圖中所示，將面積為1 cm2的X80 鋼試片通過測(cè)試樁與埋地管道相連接，試片與管道埋深相同，裸露闊面背向管道并與管道軸向平行，兩者相距30 cm；在管道與試片中間設(shè)置中斷器，設(shè)置中斷時(shí)間為1 min；中斷器與試片之間并聯(lián)電壓表，電壓表紅表筆與管道相連接，黑表筆與參比電極（CSE）相連接，打到直流檔記錄示數(shù)，記錄數(shù)據(jù)順序?yàn)椤巴? min-斷1 min-通1 min”，每10 s 記錄1 次試片電位；同時(shí)通過土壤pH 計(jì)測(cè)試試片埋設(shè)處的土壤pH 值并記錄。

圖1 不同陰極保護(hù)狀態(tài)下管道電位測(cè)試原理圖Fig.1 Schematic diagram of pipeline potential test under different cathodic protection states

圖2 為不同測(cè)試點(diǎn)處試片上陰極保護(hù)電位的變化曲線。測(cè)試點(diǎn)處土壤pH=7.1～7.6，為近中性土壤；其交流干擾電壓為2.5～8.9 V(CSE)，交流電流密度為14.02～84.06 A/m2，土壤電阻率為22.61～40.19 Ω·m。

從圖中可以看出，在第1 階段“通2 min”內(nèi)，試片電位在一定較小的范圍內(nèi)進(jìn)行波動(dòng)，其中測(cè)試點(diǎn)4 和35 處的陰極保護(hù)電位位于標(biāo)準(zhǔn)所要求的陰極保護(hù)電位范圍內(nèi)〔-0.85～-1.2 V(CSE)〕，而測(cè)試點(diǎn)7 和30 處的陰極保護(hù)電位正于要求的-0.85 V(CSE)，推測(cè)可能是由于陰極保護(hù)不足或存在其他交/直流雜散電流導(dǎo)致的，但是在這一個(gè)階段，4 個(gè)測(cè)試位置處的試片電位均保持穩(wěn)定。當(dāng)中斷器處于“斷開”狀態(tài)時(shí)，即在第2 階段“斷1 min”內(nèi)，試片電位迅速上升，此時(shí)即為在當(dāng)前環(huán)境下X80 鋼試片的自然電位，可以看出在所考慮的穩(wěn)態(tài)交流干擾下，X80 鋼試片正向偏移的程度表現(xiàn)出不同的規(guī)律，但是在第2 階段，試片電位波動(dòng)程度也較大。當(dāng)陰極保護(hù)重新連通，即進(jìn)入第3階段“通1 min”階段時(shí)，試片電位迅速負(fù)向偏移，但是在測(cè)試時(shí)間內(nèi)，電位仍正于第1 階段內(nèi)電位，無法迅速達(dá)到之前的狀態(tài)；推測(cè)隨著第3 階段時(shí)間的推移，試片電位均逐漸負(fù)向偏移，逐漸趨向于第1 階段的狀態(tài)。

圖2 不同陰極保護(hù)狀態(tài)下試片電位變化規(guī)律Fig.2 Change law of sample potential under different cathodic protection states

圖3 為交流干擾電壓和交流電流密度與陰極保護(hù)電流正向偏移的關(guān)系。從圖中可以看出，與交流干擾電壓相比，交流電流密度與試片電位正向偏移值呈現(xiàn)更好的線性關(guān)系，這是因?yàn)榻涣麟娏髅芏润w現(xiàn)了直接作用在試片上的干擾大小，而交流干擾電位中包含了土壤、防腐層等因素影響。因此在后續(xù)的工作中將采用交流電流密度開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

圖3 交流干擾電壓和交流電流密度與試片電位正向偏移的關(guān)系Fig.3 Relationship between disturbance voltage/AC current density and positive deviation of sample potential

2 不同條件下管道電位變化研究

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

在上述現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，在實(shí)驗(yàn)室中建立了不同交流電流密度和陰極保護(hù)條件下的管道電位測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，如圖4 所示，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置包含兩個(gè)回路。

圖4 不同交流電流密度和陰極保護(hù)條件下的管道電位測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置Fig.4 Experimental apparatus for testing pipeline potential under different AC current density and cathodic protection

回路1 為交流干擾回路，其中交流電流密度通過交流信號(hào)源施加，頻率設(shè)置為與高壓交流輸電線路相同的工頻頻率（50 Hz），將X80 鋼試片與交流信號(hào)源一極相連接，另一極設(shè)置為石墨電極，設(shè)置輸出為正弦交流電流信號(hào)。

回路2 為陰極保護(hù)回路，在本文中，陰極保護(hù)通過電化學(xué)工作站PARSTAT2263 恒電位模式施加，主要以工作電極（WE）X80 鋼試片（化學(xué)成分見表1；裸露面積為1 cm2，除留有一個(gè)闊面外，其他面通過環(huán)氧樹脂封裝，并在背部焊接一根連接銅導(dǎo)線）與輔助電極（CE）Pt 電極形成陰極保護(hù)回路，通過電壓表V1 和參比電極R1 監(jiān)測(cè)所施加的陰極保護(hù)電位；同時(shí)通過電化學(xué)工作站本身設(shè)置陰極保護(hù)的通斷[6]。

表1 工作電極X80 鋼化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of X80 steel used for working electrode 質(zhì)量分?jǐn)?shù)

為防止兩個(gè)回路之間的相互干擾，在回路1 中串聯(lián)電容以屏蔽直流信號(hào)，在回路2 中串聯(lián)電感以屏蔽交流信號(hào)；通過電壓表V2 和參比電極R2 測(cè)試不同交流電流密度和陰極保護(hù)信號(hào)下的X80 鋼試片的電位。

參比電極R1 和R2 采用飽和甘汞電極（SCE，在本文中忽略SCE 和CSE 電位的差異，兩者的差異約為0.022 4 V，測(cè)得的電位包含IR降）；為了避免測(cè)試數(shù)據(jù)受到電化學(xué)工作站（陰極保護(hù)輸出）的干擾，采用兩個(gè)參比電極并對(duì)其電位進(jìn)行校正，使得兩者差值不超過1 mV。實(shí)驗(yàn)用土壤模擬溶液采用分析純NaHCO3和去離子水配置，溶度為0.02 mol/L，通過冰醋酸調(diào)節(jié)溶液pH 值為近中性環(huán)境，并記錄土壤模擬溶液的實(shí)際pH 值。

每組實(shí)驗(yàn)設(shè)置5 個(gè)測(cè)試階段，每個(gè)階段300 s，每60 s 記錄一次數(shù)據(jù)：①自然腐蝕階段OCP；②陰極保護(hù)階段CP；③陰極保護(hù)和交流干擾共同作用階段CP+AC；④交流干擾階段AC；⑤第2 個(gè)自然腐蝕階段OCP。

陰極保護(hù)電位分別為：-0.85、-1.0和-1.2V(SCE)，交流電流密度分別為10、30、50、100 A/m2。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 為不同AC 和CP 下X80 鋼試片在不同階段的電位變化情況（pH=7.1～7.2）。從圖中可以看出，在近中性的NaHCO3溶液中，X80 鋼的自腐蝕電位均約為-0.72 V(SCE)。GB/T 21448—2008 標(biāo)準(zhǔn)中指出，一般情況下，管道的陰極保護(hù)電位應(yīng)處于-0.85～-1.2 V(CSE)之間，因此根據(jù)上述準(zhǔn)則，在本文中選取了-0.85、-1.0 和-1.2 V(SCE)作為實(shí)驗(yàn)條件（忽略CSE 和SCE 的電位差異）。

從圖5a 可以看出：①在0～300 s 范圍內(nèi)，X80鋼試片自腐蝕電位基本穩(wěn)定在-0.72 V(SCE)。②當(dāng)對(duì)其施加陰極保護(hù)后，試片電位迅速負(fù)移至-0.85 V(SCE)并在300～600 s 范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。③在600 s 時(shí)，啟動(dòng)交流干擾源施加4 個(gè)不同數(shù)值的交流電流密度對(duì)試片進(jìn)行干擾，可以看出，試片電位與預(yù)想結(jié)果不一致：均發(fā)生正向偏移或負(fù)向偏移；從初始時(shí)刻（660 s）來看，當(dāng)IAC=10 A/m2和30 A/m2時(shí)，試片電位正向偏移；而當(dāng)IAC=50 A/m2和100 A/m2時(shí)，試片電位負(fù)向偏移。當(dāng)IAC=10、30 和100 A/m2時(shí)，在第3 階段（600～900 s）范圍內(nèi)，試片電位基本保持穩(wěn)定，而當(dāng)IAC=50 A/m2時(shí)，隨著時(shí)間的推移，試片電位逐漸正向偏移，最終略正于第2 階段試片的陰極保護(hù)電位。④當(dāng)?shù)竭_(dá)第4 階段時(shí)（900～1 200 s），陰極保護(hù)斷開，只存在交流干擾，此時(shí)試片電位均出現(xiàn)大幅度正向偏移，并且在整個(gè)階段范圍內(nèi)基本保持穩(wěn)定；同時(shí)與第3 階段初始時(shí)刻的電位相比，第4 階段初始時(shí)刻的電位正向偏移程度隨著交流電流密度的增大而減小。⑤當(dāng)進(jìn)入第5 階段（1 200～1 500 s），交流干擾和陰極保護(hù)均斷開后，從理論上來說，試片電位應(yīng)正?；貧w到第1 階段的自腐蝕電位數(shù)值上，但是從圖中可以看出，在不同的交流電流密度條件下，此時(shí)試片的自腐蝕電位均發(fā)生了不同程度的偏移，當(dāng)IAC=10 A/m2時(shí)，試片電位保持穩(wěn)定但略小于第1階段試片的自腐蝕電位；當(dāng)IAC=30 A/m2時(shí)，試片電位保持穩(wěn)定并且與第1 階段試片的自腐蝕電位相等；當(dāng)IAC=50 A/m2和100 A/m2時(shí)，在初始時(shí)刻試片電位迅速增大，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第1 階段試片的自腐蝕電位，隨著時(shí)間推移，其試片電位逐漸降低，推測(cè)當(dāng)達(dá)到一定時(shí)間后，其試片電位應(yīng)與第1 階段試片的自腐蝕電位相等[7]。

從圖5b 可以看出：①在0～300 s 范圍內(nèi)，X80鋼試片自腐蝕電位基本穩(wěn)定在-0.72 V(SCE)。②當(dāng)對(duì)其施加陰極保護(hù)后，試片電位迅速負(fù)移至-1.0 V(SCE)并在300～600 s 范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。③在600 s 時(shí)，啟動(dòng)交流干擾源施加4 個(gè)不同數(shù)值的交流電流密度對(duì)試片進(jìn)行干擾，可以看出此時(shí)試片電位均發(fā)生正向偏移，并且隨著交流干擾的增大，正向偏移程度也增大，但在600～900 s 測(cè)試范圍內(nèi)試片電位基本保持穩(wěn)定，這與陰極保護(hù)電位為-0.85 V(SCE)時(shí)的測(cè)試結(jié)果不相同。④當(dāng)?shù)竭_(dá)第4階段時(shí)（900～1 200 s），陰極保護(hù)斷開，只存在交流干擾，此時(shí)試片電位再次出現(xiàn)大幅度正向偏移，但是在該測(cè)試階段，隨著時(shí)間的推移，試片電位持續(xù)正向偏移，并且交流干擾電流密度越小，變化速率越大。⑤當(dāng)進(jìn)入第5 階段（1 200～1 500 s），交流干擾和陰極保護(hù)均斷開后，從理論上來說，試片電位應(yīng)正?；貧w到第1 階段的自腐蝕電位數(shù)值上，但是從圖中可以看出，在不同的交流電流密度條件下，此時(shí)試片的自腐蝕電位均發(fā)生了不同程度的偏移，當(dāng)IAC=10 A/m2時(shí)，試片電位保持穩(wěn)定但略小于第一階段試片的自腐蝕電位；當(dāng)AC=30 A/m2時(shí)，試片電位保持穩(wěn)定并且與第1 階段試片的自腐蝕電位相等；當(dāng)IAC=50 和100 A/m2時(shí)，在初始時(shí)刻試片電位迅速增大，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第1 階段試片的自腐蝕電位[5,8]，隨著時(shí)間推移，其試片電位逐漸降低，與第1 階段試片的自腐蝕電位相等。

圖5 不同交流電流密度和陰極保護(hù)狀態(tài)下的電位變化規(guī)律Fig.5 Change law of potential under different AC current density and cathodic protection

從5c 可以看出：①在0～300 s 范圍內(nèi)，X80 鋼試片自腐蝕電位基本穩(wěn)定在-0.72 V(SCE)。②當(dāng)對(duì)其施加陰極保護(hù)后，試片電位迅速負(fù)移至-1.2 V(SCE)并在300～600 s 范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。③在600 s 時(shí)，啟動(dòng)交流干擾源施加4 個(gè)不同數(shù)量的交流電流密度對(duì)試片進(jìn)行干擾，可以看出此時(shí)試片電位均發(fā)生正向偏移，并且隨著交流干擾的增大，正向偏移程度也增大，但在600～900 s 測(cè)試范圍內(nèi)試片電位基本保持穩(wěn)定，這與ECP=-0.85 V(SCE)時(shí)的測(cè)試結(jié)果不相同，而與ECP=-1.0 V(SCE)時(shí)的測(cè)試結(jié)果相同。④當(dāng)?shù)竭_(dá)第4 階段時(shí)（900～1 200 s），陰極保護(hù)斷開，只存在交流干擾，此時(shí)試片電位再次出現(xiàn)大幅度正向偏移，并且交流電流密度越小，該階段初始時(shí)刻的正向偏移程度越大；同時(shí)在該測(cè)試階段，隨著時(shí)間的推移，試片電位持續(xù)正向偏移，并且交流干擾電流密度越小，變化速率越大。⑤當(dāng)進(jìn)入第5 階段（1 200～1 500 s），此時(shí)與圖5b 第5 階段規(guī)律相同。

圖6 為CP-CP+AC、CP+AC-AC 和AC-OCP 3個(gè)階段轉(zhuǎn)變時(shí)試片電位正向偏移程度變化規(guī)律。從圖中可以看出，在CP-CP+AC 轉(zhuǎn)變過程中，在ECP=-1.0 V(SCE)和-1.2 V(SCE)較負(fù)的陰極保護(hù)電位條件下，隨著交流電流密度的增大，試片電位正向偏移程度也逐漸增大，但是增大程度緩慢減??；同時(shí)，陰極保護(hù)電位越負(fù)，在相同的交流電流密度下，試片電位正向偏移程度越大。但是當(dāng)ECP=-0.85 V(SCE)時(shí)，當(dāng)施加了交流電流密度后，試片電位發(fā)生了負(fù)向偏移，并且交流電流密度越大，負(fù)向偏移程度越大。從CP+AC-AC 轉(zhuǎn)變過程可以看出，陰極保護(hù)電位越負(fù)，關(guān)閉陰極保護(hù)后試片電位正向偏移程度越大，而隨著交流電流密度增大，其偏移程度逐漸減??；同時(shí)減小量隨著陰極保護(hù)電位更負(fù)而更大。從AC-OCP 轉(zhuǎn)變過程中可以看出，在不同陰極保護(hù)電位下，關(guān)閉交流干擾后的電位正向偏移程度變化規(guī)律呈現(xiàn)很好的一致性，呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系；但是不得不指出的是，在ECP=-0.85 V(SCE) 時(shí)的電位正向偏移程度大于ECP=-1.0 V(SCE)時(shí)的結(jié)果。

2.3 分析與討論

從上述結(jié)果可以看出，在ECP=-0.85 V(SCE)時(shí)不同階段轉(zhuǎn)變時(shí)試片電位正向偏移的結(jié)果與ECP=-1.0 V(SCE)和-1.2 V(SCE)時(shí)的不盡相同。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以從陰極保護(hù)和交流干擾共同作用下的試片表面的電荷轉(zhuǎn)移過程來闡述。

在交流干擾和陰極保護(hù)相互作用過程中，參與電極過程的眾多電流成分可被分為兩種類型：供應(yīng)電子和消耗電子。供應(yīng)電子的電流成分有陽極反應(yīng)電流密度Ia、陰極保護(hù)電流密度ICP、交流電負(fù)半周電流密度I1-AC，消耗電子的成分有陰極反應(yīng)電流密度Ic和交流電正半周電流密度I2-AC。其中I1-AC和I2-AC都是交流電中參與法拉第過程的部分，因?yàn)榻涣麟娭械碾娙蓦娏鳎磪⑴c雙電層充放電過程的電流，在正負(fù)半周的總和為0，而法拉第電流由于陰陽極反應(yīng)的不對(duì)稱現(xiàn)象，是有凈電流的[8-9]。

圖6 不同陰極保護(hù)電位和交流電流密度施加條件下試片電位正向偏移程度變化規(guī)律Fig.6 Change law of positive deviation of sample potential under different cathodic protection and AC current density

當(dāng)陰極保護(hù)電位為-0.85 V(SCE)時(shí)，陰極保護(hù)電流密度ICP相對(duì)較小。由陰極保護(hù)電流提供的電子非常少，不足以供交流電正半周I2-AC消耗。缺少的電子需要由陽極反應(yīng)電流，即鐵的溶解反應(yīng)電流提供，于是觸發(fā)了交流腐蝕。同時(shí)，在交流正負(fù)半周期間的陽極和陰極極化不對(duì)稱，交流負(fù)半周I1-AC所提供的剩余電子可使直流電位負(fù)移。此時(shí)，法拉第過程作為一個(gè)整流器，在交流流過的時(shí)候產(chǎn)生一個(gè)凈直流電流，使電位負(fù)移；陽極溶解是由外加交流電的正半周所驅(qū)動(dòng)的，所產(chǎn)生的電子也被交流電正半周所消耗，電位負(fù)移不是造成陽極溶解的原因，也不是陽極溶解所造成的結(jié)果，而是由交流電負(fù)半周的剩余電子累積所造成的。

當(dāng)陰極保護(hù)電位為較負(fù)的ECP=-1.0 V(SCE)和-1.2 V(SCE)時(shí)，陰極保護(hù)電流密度ICP相對(duì)較大。陰極保護(hù)電流提供了足夠多的電子被交流電正半周I2-AC消耗，陽極溶解反應(yīng)沒有驅(qū)動(dòng)力不會(huì)發(fā)生；同時(shí)，由于部分陰極保護(hù)電流被交流電正半周I2-AC消耗，原始較負(fù)的陰極保護(hù)電位值難以維持，發(fā)生正移[10]。

3 結(jié)論

本文針對(duì)交流干擾對(duì)管道電位的影響問題，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)不同陰極保護(hù)和交流干擾條件下的試片電位進(jìn)行了測(cè)試，并闡述了電位異常轉(zhuǎn)變的原因。研究表明：當(dāng)陰極保護(hù)電位較小時(shí)，較大的交流干擾可能引起試片電位的持續(xù)負(fù)向偏移，當(dāng)陰極保護(hù)電位較大時(shí)，交流干擾卻會(huì)引起試片電位的正向偏移；在無陰極保護(hù)條件下，交流干擾會(huì)引起試片自腐蝕電位的負(fù)向偏移；但是當(dāng)斷開交流干擾后，試片電位迅速增大，甚至正于原來的自然腐蝕電位，然后逐漸恢復(fù)到原有水平。上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可通過交流干擾和陰極保護(hù)過程中的電子供應(yīng)和消耗的平衡關(guān)系來解釋。