土壤異質(zhì)性對(duì)模擬直流場(chǎng)環(huán)境下X70鋼的腐蝕行為影響

田倩倩，王志高，丁 德，蘭新生，吳 健，耿 植，白曉春

(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041；2.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710054)

0 前 言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電力需求迅速增長，建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)正成為國家電力建設(shè)的戰(zhàn)略目標(biāo)。遠(yuǎn)距離、大容量的特高壓直流輸電工程日益增多。目前已有向家壩—上海、錦屏—蘇南、宜賓—金華、哈密—鄭州等多條±800 kV特高壓直流輸電工程投運(yùn)，還有多條特高壓直流輸電工程在建[1-2]。直流輸電工程在運(yùn)行中，單極-大地運(yùn)行和雙極不平衡運(yùn)行方式都會(huì)有一定量的電流通過接地極流入大地，在很大范圍內(nèi)形成一個(gè)恒定的直流電流場(chǎng)。由于存在土壤電阻，這個(gè)電場(chǎng)會(huì)有不同程度的壓降，當(dāng)電場(chǎng)所處的土壤中埋設(shè)有連接不同等電位線的油氣管道、輸電線路桿塔接地體或變電站接地網(wǎng)等地下金屬設(shè)施時(shí)，低電位點(diǎn)處的金屬構(gòu)件將會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕[3-5]。

據(jù)報(bào)道，受三峽—上海±500 kV高壓直流輸電工程單極運(yùn)行影響，西氣東輸管道芙蓉至上海段陰極保護(hù)設(shè)備出現(xiàn)異常，管道電位正向或負(fù)向大幅偏移，正向偏移幅度最高達(dá)830 mV(VS.CSE)，負(fù)向偏移幅度最高達(dá)1410 mV(VS.CSE)[6]。溪洛渡—從化±500 kV直流輸電工程在單極運(yùn)行時(shí)，廣東翁源接地極附近的西氣東輸管道受其干擾，在管道上產(chǎn)生較高的干擾電位，可能會(huì)導(dǎo)致管體腐蝕[7]。加拿大魁北克—新英格蘭±450 kV直流輸電系統(tǒng)發(fā)生故障，1200 A電流流入大地，附近管道上產(chǎn)生了300～700 mV的電位偏移[8]。

電位差是發(fā)生電化學(xué)腐蝕的必備條件，當(dāng)金屬結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定電場(chǎng)中，具有一定電位差，作為腐蝕原電池導(dǎo)線回路的土壤則成為腐蝕體系的主要影響因素?，F(xiàn)有的一些研究建立了接地極在土壤中的電場(chǎng)分布模型，但將土壤視為均一性[9]。實(shí)際中由于地形、土壤成分、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，土壤性質(zhì)對(duì)埋于其中的金屬腐蝕作用有顯著的不同，如含Cl-時(shí)易發(fā)生局部腐蝕；有較多碳酸鹽時(shí)，結(jié)構(gòu)表面易形成堅(jiān)硬腐蝕產(chǎn)物層，阻擋腐蝕進(jìn)一步擴(kuò)展等。由此可以看出，土壤的性質(zhì)大體決定了金屬在其中的腐蝕行為，但是目前對(duì)于直流接地極存在時(shí)的有關(guān)土壤性質(zhì)的腐蝕行為研究還較少。

根據(jù)對(duì)四川宜賓±800 kV復(fù)龍換流站接地極附近輸氣管道腐蝕的調(diào)研情況發(fā)現(xiàn)，在距接地極相同距離的條件下，不同土壤環(huán)境下管道腐蝕穿孔的數(shù)量分布不均，這可能跟該管段所處的土壤性質(zhì)有直接關(guān)系。因此，針對(duì)具體的直流接地極，研究了典型管線鋼X70在不同土壤中的電化學(xué)腐蝕特性，對(duì)其腐蝕規(guī)律和腐蝕機(jī)理進(jìn)行了分析，為評(píng)估直流接地極附近埋地金屬設(shè)施的腐蝕影響和新建特高壓直流工程接地極的設(shè)計(jì)規(guī)劃選址提供一定的依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

電極材料選用X70高強(qiáng)管線鋼，其化學(xué)成分見表1。

1.2 土壤理化性質(zhì)分析

1.2.1 土壤樣品采集

土壤樣品采集于四川宜賓±800 kV復(fù)龍換流站接地極附近，該接地極水平敷設(shè)，采用同心雙圓環(huán)的方式，外環(huán)和內(nèi)環(huán)半徑分別為315 m和240 m，截面為0.6 m×0.6 m，內(nèi)環(huán)埋設(shè)深度3.5 m，外環(huán)埋設(shè)深度4.0 m，均采用焦炭填充。土壤樣品分別取自距復(fù)龍接地極等距離(距接地極極心約800 m)的不同位置。其中，S1號(hào)土樣取自水田，S2號(hào)土樣取自泥灘，S3號(hào)土樣取自道路旁，S4號(hào)土樣取自水渠邊，S5號(hào)土樣取自村舍。各取樣點(diǎn)與接地極的相對(duì)位置見示意圖1。取樣深度均為距地表深度80 cm。采集的土壤樣品進(jìn)行自然風(fēng)干，風(fēng)干后的土壤樣品密封備用。

圖1 土樣取樣點(diǎn)

1.2.2 土壤pH值測(cè)試

稱取通過20篩孔(1 mm)的風(fēng)干土樣20 g，放在50 mL高型燒杯中。加入20 mL去離子水，在磁力攪拌器上攪動(dòng)1 min，使土壤充分散開。放置30 min使其平衡，此時(shí)應(yīng)避免空氣中有氨或揮發(fā)性酸。將pH電極插到下部懸液中，并輕輕搖動(dòng)，隨后將甘汞電極插入上部清液中進(jìn)行pH測(cè)定，數(shù)分鐘內(nèi)即可測(cè)得穩(wěn)定讀數(shù)。

1.2.3 土壤離子成分測(cè)試

土壤中各離子成分測(cè)試時(shí)取水土比為1∶1的土壤抽濾液各100 mL，陰、陽離子分別采用ICS-2100型離子色譜儀Ion Chromatography (Thermo Fisher Scientific Inc.)和iCAP 7000等離子發(fā)射光譜儀ICP-OES (Thermo Fisher Scientific Inc.)進(jìn)行成分及其含量的測(cè)試。

表1 X70管線鋼化學(xué)成分

1.3 電化學(xué)測(cè)試

電化學(xué)實(shí)驗(yàn)采用CS350型電化學(xué)工作站Electrochemical Workstation (Wuhan Corrtest Instruments Corp., Ltd.)進(jìn)行三電極體系測(cè)量。在三電極體系兩端設(shè)置一個(gè)5 mV的電勢(shì)差，正負(fù)極間隔500 mm，用以模擬直流接地極的腐蝕電場(chǎng)。工作電極為10 mm×10 mm的X70高強(qiáng)度管線鋼，輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)。極化曲線zifu掃描速率為1 mV/s，掃描范圍設(shè)置為相對(duì)于自腐蝕電位±300 mV(相對(duì)開路電位)。電化學(xué)阻抗譜測(cè)量頻率范圍為0.05 Hz～100 kHz。所有實(shí)驗(yàn)均在土壤∶水=1∶1的混合液中進(jìn)行。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 土壤理化性質(zhì)

表2所示為本次實(shí)驗(yàn)所用土壤的理化性質(zhì)分析結(jié)果。從表2中可以看出，5種土壤樣品的理化性質(zhì)有明顯的差異。S5號(hào)土壤為偏酸性土壤，S1號(hào)和S4號(hào)土壤為中性土壤，S2號(hào)和S3號(hào)土壤為偏堿性土壤。對(duì)于中性土壤，總含鹽量及Cl-含量由大到小依次為S1>S4。對(duì)于堿性土壤，總含鹽量及Cl-含量由大到小依次為S2>S3。

表2 不同土壤樣品理化性質(zhì)

2.2 極化曲線

圖2為X70鋼在不同土壤中的極化曲線。X70鋼在不同土壤中的極化曲線形狀大體相似，在自腐蝕電位以下處于活化狀態(tài)，且活化區(qū)域較寬。當(dāng)電位高于自腐蝕電位時(shí)，隨著陽極極化電位升高，陽極電流密度加快，陽極溶解反應(yīng)發(fā)生，隨后增速降低，開始發(fā)生鈍化反應(yīng)，X70鋼表面的陽極溶解反應(yīng)受到阻礙，腐蝕速率降低。采用塔菲爾曲線對(duì)極化曲線進(jìn)行擬合，相應(yīng)的擬合結(jié)果見表3。

圖2 X70鋼在不同土壤樣品中的極化曲線圖譜

從表3中可以看出，土壤pH值對(duì)X70鋼的腐蝕速率影響顯著。偏酸性土壤中X70鋼的腐蝕速率最快，中性土壤中X70鋼的腐蝕速率相對(duì)于偏堿性土壤中X70鋼的腐蝕速率快。由表3中的極化電流密度和腐蝕速率可見，土壤的腐蝕性由大到小依次為S5>S1>S4>S2>S3。X70鋼在土壤的水溶液中的腐蝕過程，包括鐵的陽極溶解和溶解氧的陰極還原這組共軛反應(yīng)。由陽極塔菲爾斜率/陰極塔菲爾斜率之比βa/βc可以看出，X70鋼在幾種土壤中的腐蝕過程都表現(xiàn)出較為強(qiáng)烈的陽極控制為主的混合控制的腐蝕體系。

表3 X70鋼在不同土壤中的極化曲線擬合參數(shù)

2.3 交流阻抗

對(duì)X70鋼在不同土壤樣品中的交流阻抗譜進(jìn)行了研究，圖3的X70鋼阻抗圖譜表現(xiàn)為具有2個(gè)時(shí)間常數(shù)的雙容抗弧，即高頻部分的容抗弧(R1)和低頻部分的感抗弧(Rt)，其腐蝕受電荷傳遞過程控制。其中高頻的容抗弧反映的是溶液穿透表面層和腐蝕產(chǎn)物在基體表面形成雙電層的容抗和阻抗，低頻的容抗弧反映的是表面層和腐蝕產(chǎn)物膜對(duì)基體的保護(hù)作用，其等效電路圖如圖4所示。其中，R0為土壤水溶液電阻；R1為電極表面腐蝕產(chǎn)物與吸附的土粒的結(jié)合層的電阻；Rt為電荷轉(zhuǎn)移電阻；Ct為結(jié)合層電容；Cp為雙電層電容。

從圖3(a)中可以看出，S5、S1、S4、S2及S3土壤中的X70鋼結(jié)構(gòu)的高頻部分的容抗弧(R1)逐漸減小。從圖3(b)中可以看出，低頻部分的感抗弧(Rt)逐漸增大。根據(jù)Corrtest軟件模擬的不同土壤交流阻抗擬合參數(shù)如表4所示。對(duì)于Rt而言，在偏酸性土壤中，高濕度條件下，鋼表面的腐蝕產(chǎn)物結(jié)合層不穩(wěn)定，不能對(duì)電極反應(yīng)形成阻礙，H+離子的還原反應(yīng)易于進(jìn)行，故S5號(hào)土壤的Rt最小，故而其腐蝕速率最大。而對(duì)于偏堿性的S3號(hào)土壤來說，隨著腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行，鋼表面的腐蝕產(chǎn)物結(jié)合層越來越致密，且土壤中較低的離子濃度，嚴(yán)重阻礙氧的傳輸過程，造成Rt最大，相應(yīng)的其腐蝕速率最小。

(a)X70鋼在不同土壤中的阻抗圖譜

(b) X70鋼高頻部分的容抗弧圖3 X70鋼在不同土壤中的Nyquist圖

圖4 X70鋼在不同土壤中的阻抗測(cè)試等效電路

可見，利用Rt的倒數(shù)可以作為鋼/土壤體系腐蝕性評(píng)價(jià)的指標(biāo)。其結(jié)果與極化曲線擬合結(jié)果相一致。即偏酸性的S5號(hào)土壤，在高含水量條件下，H+離子的還原反應(yīng)易于進(jìn)行，腐蝕性最強(qiáng)。而偏堿性的S3號(hào)土壤表面的液膜及較低的離子濃度，嚴(yán)重阻礙氧的傳輸過程，腐蝕性最低。

2.4 分析與討論

由上述結(jié)果分析可見，在接地極不平衡電流場(chǎng)環(huán)境中，土壤性質(zhì)對(duì)埋地金屬的腐蝕影響較大，特別是土壤中pH值的改變對(duì)土壤中X70鋼的腐蝕速率影響顯著。這是因?yàn)樵谒嵝酝寥乐?，以析氫腐蝕為主，而在中性及偏堿性體系中，以吸氧腐蝕為主。析氫腐蝕速率較吸氧腐蝕速率大，因此在酸性土壤中X70鋼的腐蝕速率較高[10]。 此外，在土壤的飽和溶液中，酸性土壤中的H+離子的還原反應(yīng)易于進(jìn)行，故酸性土壤中的腐蝕速率最快。而在中性土壤和偏堿性土壤中，鋼結(jié)構(gòu)表面的水膜以及腐蝕產(chǎn)物層阻礙了氧的傳輸過程，因此腐蝕速率較低。

土壤含鹽量增加了土壤的電導(dǎo)率，減少了電阻極化，增加了腐蝕速率。對(duì)于中性土壤，S1號(hào)土壤的腐蝕速率大于S4號(hào)土壤，這可能是因?yàn)镾1號(hào)土壤中可溶性鹽離子的濃度為674.41 mg/L，比S4號(hào)土壤中的367.08 mg/L高約一倍，土壤電導(dǎo)率較高，易于氧的傳輸過程的進(jìn)行。所以S1號(hào)土壤的腐蝕速率較快。同樣道理，偏堿性土壤，S2號(hào)土壤的總含鹽量以及Cl-含量大于S3號(hào)土壤，故S2號(hào)土壤的腐蝕速率較高。

表4 X70鋼在不同土壤中的交流阻抗擬合參數(shù)

土壤中的Cl-等侵蝕性離子團(tuán)的存在，不僅能夠增強(qiáng)土壤電導(dǎo)率，而且能夠破壞X70鋼表面的鈍化膜，使得X70鋼表面所產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物層失去了保護(hù)性，使試樣腐蝕的陽極化過程加快，并透過基體表面腐蝕層和基體生成可溶性產(chǎn)物，促進(jìn)試樣腐蝕。[11]

3 結(jié) 語

1)在直流接地極不平衡電流場(chǎng)中，土壤性質(zhì)對(duì)埋地金屬的腐蝕性影響較大，金屬在與接地極等距離的不同位置處的土壤中腐蝕特性差別較大。

2)土壤pH值的改變對(duì)土壤中X70鋼的腐蝕速率影響顯著。腐蝕速率與pH值的關(guān)系為酸性>中性>堿性。因?yàn)樵谒嵝酝寥乐?，以析氫腐蝕為主；而在中性及偏堿性體系中，以吸氧腐蝕為主。析氫腐蝕速率較吸氧腐蝕速率大，因此在酸性土壤中X70鋼的腐蝕速率較高。

3)土壤總含鹽量越大，其土壤的導(dǎo)電性則越大，從而為X70鋼的腐蝕提供了良好的離子通道，促使金屬腐蝕速率相應(yīng)增大。

4)隨土壤侵蝕性陰離子Cl-含量增大，使得X70鋼表面所產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物層失去了保護(hù)性，因此腐蝕速率增大。