雜散電流對(duì)埋地管道的腐蝕及排流方式的研究進(jìn)展

萬紅霞，李婷婷，宋東東，陳長(zhǎng)風(fēng)

研究綜述

雜散電流對(duì)埋地管道的腐蝕及排流方式的研究進(jìn)展

萬紅霞1，李婷婷1，宋東東2，陳長(zhǎng)風(fēng)1

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 102249；2.暨南大學(xué)，廣州 510632）

隨著人們對(duì)能源需求的不斷增加，輸油管道和電力設(shè)施建設(shè)迅速發(fā)展，由于空間地理位置限制，管線與電力設(shè)施不可避免地并行鋪設(shè)，雜散電流對(duì)埋地管道的腐蝕問題日益突出。根據(jù)干擾源不同，可將雜散電流分為直流干擾與交流干擾。分別從直流和交流雜散電流出發(fā)，介紹了雜散電流的主要來源、形成原因及腐蝕危害；了解了二者的腐蝕特征以及腐蝕速率差異。通過調(diào)研國(guó)內(nèi)外雜散電流腐蝕的相關(guān)研究，對(duì)直流腐蝕與交流腐蝕機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)論述與總結(jié)，并對(duì)交流腐蝕速率低于直流腐蝕速率的原因進(jìn)行了分析與探討。分別介紹了直流雜散電流與交流雜散電流的排流方法與排流裝置，分析了每種排流方式的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件，為實(shí)際工況中排流方式的選取提供了參考。最后，針對(duì)目前雜散電流腐蝕難點(diǎn)，提出了有待解決問題的方法，并對(duì)這一領(lǐng)域的研究方向及發(fā)展前景進(jìn)行了展望，為相關(guān)研究提供了借鑒。

雜散電流；埋地管線；排流方式；腐蝕行為

近年來，我國(guó)能源事業(yè)發(fā)展十分迅猛，各行業(yè)對(duì)于石油、天然氣等能源的需求日益增加，能源需求的增長(zhǎng)及能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，使地下油氣長(zhǎng)輸管道的鋪設(shè)量顯著增加[1-2]。由于受到空間、地理環(huán)境限制，越來越多的埋地管線與高壓電線、城軌供電系統(tǒng)等電力設(shè)施平行鋪設(shè)，使埋地管道受到電力設(shè)施產(chǎn)生的雜散電流干擾[3-6]。雜散電流會(huì)加速金屬構(gòu)件的腐蝕，使地下管道減薄，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成腐蝕穿孔，引發(fā)油氣泄露，從而造成資源浪費(fèi)與環(huán)境污染，甚至人員傷亡[7-9]。

早在1969年，Schwalm和Sandor[10]就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了雜散電流的存在。根據(jù)雜散電流的大小和方向是否隨時(shí)間變化，可分為動(dòng)態(tài)雜散電流和靜態(tài)雜散電流；根據(jù)干擾源，可分為直流雜散電流和交流雜散電流[11-12]。通常情況下，地下管道受到的直流干擾主要來自于直流電氣化鐵路、直流電力線、直流整流器、陰極保護(hù)裝置等；交流干擾主要來自于高壓交流輸電線，交流電氣化鐵路等[13-17]。近幾十年來，雜散電流的腐蝕問題日益嚴(yán)峻，國(guó)內(nèi)外報(bào)道了多起由交、直流雜散電流引發(fā)的地下管道腐蝕案例。1993年，法國(guó)對(duì)鋪設(shè)于400 kV交流輸電線附近并經(jīng)陰極保護(hù)的輸氣管道進(jìn)行了檢測(cè)，在該管道表面檢測(cè)到31個(gè)腐蝕點(diǎn)[18]。美國(guó)一輸氣管道平行鋪設(shè)于交流高壓輸電線附近僅5個(gè)月，發(fā)現(xiàn)在管道表面有18處腐蝕穿孔[19]。上海地鐵2號(hào)線地下并行鋪設(shè)的DN300燃?xì)怃摴苁艿罔F運(yùn)行過程中產(chǎn)生的雜散電流干擾，發(fā)生過多次燃?xì)庑孤妒鹿蔥20]，造成嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失和安全問題。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)雜散電流腐蝕問題進(jìn)行了很多研究，取得了一定的成果。但由于雜散電流腐蝕的影響因素眾多，腐蝕機(jī)理也不是很明確，使人們對(duì)雜散電流腐蝕的了解有限，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和防護(hù)也尤為困難。本文分別針對(duì)直流和交流雜散電流，闡述了雜散電流腐蝕的成因、影響因素及腐蝕機(jī)制，并討論了雜散電流現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)措施，對(duì)雜散電流腐蝕問題的研究前景及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，為相關(guān)的研究提供借鑒。

1 雜散電流腐蝕的成因及危害

雜散電流的干擾源主要有：高壓輸電線路、接地為回路的輸電系統(tǒng)、電氣化鐵路等。

對(duì)于輸電線路來說，當(dāng)線路出現(xiàn)單向短路或遇到雷電天氣導(dǎo)致系統(tǒng)故障時(shí)，會(huì)有電流通過輸電系統(tǒng)的接地體，接地體電流流入地下，通過土壤電阻流向電阻更小的金屬管道，使管道受雜散電流干擾的部分區(qū)域與未受電流影響的區(qū)域之間形成電位差，從而對(duì)管道造成電化學(xué)腐蝕。如果輸電線通過電流為交流電，交流電流除直接泄露外，還可以產(chǎn)生交變磁場(chǎng)使與其并行鋪設(shè)的埋地管道感應(yīng)出交流電壓，雖然這種通過電磁耦合方式產(chǎn)生的電壓不是很大，但持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，在交流電長(zhǎng)期的干擾作用下，管道很容易出現(xiàn)腐蝕穿孔現(xiàn)象[21-23]。

對(duì)于電氣化鐵路，電力的傳輸通常由架空電線或鋼軌提供。電流回路通常是由附近變電站相連的運(yùn)行軌道來實(shí)現(xiàn)，但由于軌道不可能完全與周圍環(huán)境絕緣，通常會(huì)有彌散的電流在規(guī)定的回路之外流動(dòng)。以國(guó)內(nèi)地鐵為例，多采用牽引供電系統(tǒng)，通過架空輸電網(wǎng)供電，電流沿鋼軌回流過程中，會(huì)有少量牽引電流通過走行軌進(jìn)入大地。由于地鐵等城軌交通運(yùn)行范圍大，因此軌道附近的整個(gè)區(qū)域幾乎都受到雜散電流的影響，如地下輸油管道、水管、電纜和煤氣管等基礎(chǔ)設(shè)施，會(huì)縮短其使用壽命。而且，土壤中各個(gè)區(qū)域的電阻率有差異，軌道與地下管道的絕緣電阻也不是固定值，因此雜散電流的流動(dòng)區(qū)域和大小是不確定的，對(duì)雜散電流的預(yù)防和緩解造成了一定困難[24-26]。

2 雜散電流腐蝕的影響因素

2.1 直流腐蝕的影響因素

穩(wěn)態(tài)直流雜散電流的腐蝕速度快，電流密度很小的直流電就能導(dǎo)致嚴(yán)重的腐蝕[27]。動(dòng)態(tài)雜散電流的大小是隨時(shí)間波動(dòng)的，所以動(dòng)態(tài)雜散電流的腐蝕相對(duì)復(fù)雜，腐蝕嚴(yán)重性不只受到施加電壓的大小影響，還與電壓的波動(dòng)范圍、周期等因素有關(guān)。另外，直流腐蝕結(jié)果往往與土壤性質(zhì)（如電阻率、含水量等）具有耦合性。

2.1.1 電壓對(duì)穩(wěn)態(tài)直流雜散電流腐蝕的影響

大量研究表明，直流電壓大小直接影響金屬的腐蝕速率。熊娟等[28]研究了直流電壓大小對(duì)X80鋼腐蝕的影響，發(fā)現(xiàn)初始腐蝕速率隨電壓增大而增大，在150 V和200 V時(shí)達(dá)到最大，之后隨電壓增大，腐蝕速率減小。秦潤(rùn)之等[29]同樣研究了高壓直流干擾下X80鋼的腐蝕行為，結(jié)果表明，在直流電位為50、100、200、300 V時(shí)，對(duì)應(yīng)的X80鋼的腐蝕速率呈先增大后降低的趨勢(shì)。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因是，不同電壓下的電流密度隨時(shí)間呈一定變化的規(guī)律。首先，電流密度在幾秒內(nèi)急劇上升到峰值電流密度，之后逐漸降低到一個(gè)平穩(wěn)的值，最后在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)維持穩(wěn)定值不變。施加的直流電壓越大，其電流密度穩(wěn)定值不一定越大，而試樣的腐蝕速率受到穩(wěn)定電流密度值的影響，與峰值電流密度無關(guān)。

2.1.2 電壓對(duì)動(dòng)態(tài)直流雜散電流腐蝕的影響

列車、地鐵在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)直流電流大小隨時(shí)間的變化，處于一個(gè)不斷波動(dòng)的狀態(tài)，對(duì)金屬腐蝕的影響比較復(fù)雜。張玉星等[30]對(duì)地鐵雜散電流進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)外界干擾電壓大小與腐蝕速率呈正比，腐蝕速率隨干擾電壓波動(dòng)范圍的增大而增大，并且在小電流密度長(zhǎng)時(shí)間干擾下的腐蝕失重大于大電流短時(shí)間干擾下的腐蝕失重，說明金屬的腐蝕程度除了與電壓、電流等參數(shù)有關(guān)外，還與地鐵運(yùn)行的快慢密切相關(guān)。王新華等[31]研究了涂層破損處電流與管地電位的關(guān)系，結(jié)果表明，涂層破損處電流與管地電位波動(dòng)范圍成正比。他們還研究了電壓大小與頻率對(duì)金屬腐蝕程度的影響規(guī)律，結(jié)果表明，金屬腐蝕速率受電壓幅值的影響最大，頻率對(duì)腐蝕速率的影響較小。Qin等[32]研究表明，動(dòng)態(tài)電壓周期（）對(duì)X70鋼的腐蝕速率有較大影響：當(dāng)<80 s時(shí)，X70鋼的腐蝕速率大約只有等量穩(wěn)態(tài)直流下的1%~7%；>80 s時(shí)，隨著動(dòng)態(tài)周期的增加，腐蝕速率明顯增加；>1 h時(shí)，X70鋼的腐蝕速率幾乎等于等量穩(wěn)定直流電流腐蝕速率。

2.1.3 環(huán)境因素對(duì)直流腐蝕的影響

由于埋地管道在土壤中的環(huán)境復(fù)雜，直流雜散電流對(duì)埋地金屬管道的腐蝕受到土壤自身性質(zhì)以及相對(duì)于干擾源的埋設(shè)位置影響。李長(zhǎng)春等[33]研究表明，在一定電流密度的直流干擾下，腐蝕速率隨土壤電阻率的增大而減小。于家付等[34]也指出，土壤電阻率影響雜散電流在土壤中的分布，腐蝕速率跟土壤的電阻率呈非線性反比關(guān)系。譚錚輝等[35]的研究表明，含水率越高，雜散電流造成金屬的腐蝕電流密度和失重速率越大。Xu[36]測(cè)試了埋設(shè)深度、鐵軌和埋地管道的并行長(zhǎng)度，繪制了腐蝕速率與不同干擾參數(shù)的非線性關(guān)系曲線。

2.2 交流腐蝕的影響因素

前人的很多研究表明，交流雜散電流對(duì)腐蝕的影響遠(yuǎn)小于同等大小下的直流雜散電流。Fu[37]通過對(duì)比相同電流密度下的直流電腐蝕速率和交流電腐蝕速率，發(fā)現(xiàn)交流電只有不到1%的部分參與了腐蝕。Bertolini[38]指出，直流電流密度為1 mA/cm2就足以引發(fā)嚴(yán)重的鋼筋混凝土點(diǎn)蝕，然而交流電流密度為4 mA/cm2時(shí)卻不會(huì)引發(fā)鋼筋混凝土的任何腐蝕。McIntosh[39]等研究表明，在交流干擾60 Hz的頻率下，鋼的腐蝕約為等效直流干擾下的1%。雖然相同參數(shù)與環(huán)境下，交流電對(duì)腐蝕造成的影響遠(yuǎn)小于直流電，但交流電依然對(duì)金屬構(gòu)件的腐蝕產(chǎn)生影響。已有研究證明[40-41]，交流電作為一種去極化劑，具有減少陽極和陰極極化以及降低電化學(xué)鈍化的能力，提高了金屬的腐蝕速率。在早期，人們對(duì)交流電缺乏認(rèn)識(shí)時(shí)，對(duì)交流電的研究多集中在電壓上，普遍認(rèn)為峰值電壓是影響金屬腐蝕的重要因素，金屬的腐蝕程度與峰值電壓成正比。后來，Song[42]研究發(fā)現(xiàn)，峰值電壓并不直接影響金屬腐蝕程度，交流電頻率和密度才是影響腐蝕的直接因素。另外，交流電的不同波形對(duì)金屬腐蝕的影響程度也不同。除去交流電的本身性質(zhì)，環(huán)境因素（如Cl–濃度、土壤性質(zhì)等）同樣會(huì)影響交流電的腐蝕。

2.2.1 頻率對(duì)交流電腐蝕的影響

交流電是電流方向和大小隨時(shí)間呈周期性變化的電流，所以交流電頻率的改變會(huì)改變電場(chǎng)，進(jìn)而影響腐蝕體系。因此，研究不同交流電頻率對(duì)金屬腐蝕動(dòng)力學(xué)參數(shù)和金屬表面狀態(tài)的影響，具有重要的意義。與日常生活密切相關(guān)的電力設(shè)施的交流電頻率一般為50 Hz或60 Hz，但非線性用電設(shè)備的負(fù)載也會(huì)產(chǎn)生高次諧波和瞬時(shí)頻率。

朱敏[43]研究表明，當(dāng)AC頻率從50 Hz增大到400 Hz時(shí)，金屬的腐蝕速率隨頻率的增加而降低，電位偏移量也隨頻率的增加而減小，高頻時(shí)的電位接近未施加AC時(shí)的電位大小，陰、陽極極化曲線的振蕩幅度與頻率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即AC頻率越高，對(duì)腐蝕的影響越小。姜子濤[44]同樣發(fā)現(xiàn)，交流電會(huì)引起金屬腐蝕電位的偏移，并且陰、陽極的Tafel斜率之比會(huì)影響電位偏移的方向，電位的偏移量和波動(dòng)幅度大小隨頻率的增大而減小。Qin等[45]研究表明，低頻交流電作用下，X80鋼的腐蝕速率隨頻率的增大而迅速減小，但在高頻交流電作用下，腐蝕速率隨頻率增大而緩慢減小，交流電會(huì)在金屬與介質(zhì)界面上（雙電層）產(chǎn)生一個(gè)震蕩作用，在更高的頻率下，交流電對(duì)其干擾顯著，但氧化還原反應(yīng)在如此短的時(shí)間內(nèi)難以發(fā)生，因而腐蝕速率低。但有研究表明，交流電頻率對(duì)腐蝕的影響存在一個(gè)臨界值，在頻率低于該值時(shí)，腐蝕速率隨頻率的增加而增大，當(dāng)頻率高于該值時(shí)，腐蝕速率隨頻率的增加而減小，臨界值的取值與腐蝕體系有關(guān)，腐蝕體系不同，臨界值的取值也不同[46]。

2.2.2 電流密度對(duì)交流電腐蝕的影響

研究表明，交流電流密度與金屬腐蝕密切相關(guān)。Wakelin[47]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)交流電流密度小于20 A/m2時(shí)，鋼不會(huì)發(fā)生腐蝕；交流電流密度為20~100 A/m2時(shí)，腐蝕的發(fā)生是不確定的；當(dāng)交流電流密度大于100 A/m2時(shí)，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕。Fu[37]研究發(fā)現(xiàn)，交流電流密度較小時(shí)，腐蝕速率隨交流電流密度緩慢增加，當(dāng)交流電流密度較高時(shí)，腐蝕速率隨電流密度的增加而大幅度增加。從腐蝕形態(tài)來看，交流電流密度較低時(shí)，試樣表面以均勻腐蝕為主；交流電流密度較大時(shí)，試樣表面出現(xiàn)點(diǎn)蝕坑，隨著電流密度的進(jìn)一步增大，點(diǎn)蝕坑合并在一起致使金屬減薄。Guo等[48]研究表明，當(dāng)交流電流密度低于一定值時(shí)，腐蝕速率隨交流電流密度增大近似呈線性關(guān)系增加；當(dāng)交流電流密度高于這個(gè)值時(shí)，腐蝕速率上升趨勢(shì)略有減緩。從腐蝕形貌同樣發(fā)現(xiàn)，在交流電流密度較小時(shí)，以均勻腐蝕為主，隨著交流電流密度增加，腐蝕形態(tài)由均勻腐蝕轉(zhuǎn)變?yōu)榫植扛g，表面出現(xiàn)蜂窩狀腐蝕現(xiàn)象，試樣表面出現(xiàn)多且深的點(diǎn)蝕坑。

交流電除了會(huì)直接影響埋地管線腐蝕外，也會(huì)通過破壞陰極保護(hù)（CP）系統(tǒng)的性能，影響腐蝕。AC使施加在管道上的CP電位偏離設(shè)計(jì)值，使陰極保護(hù)效果因交流電的干擾而減弱甚至失去保護(hù)能力，進(jìn)而影響管道的穩(wěn)定運(yùn)行[49]。Xu[50]研究表明，陰極保護(hù)電位為–0.85 V時(shí)，AC的存在減弱了陰極保護(hù)的效果，導(dǎo)致管道發(fā)生腐蝕，如果陰極保護(hù)電位的負(fù)值越低，試樣會(huì)受到完全保護(hù)。Fu[51]證明，當(dāng)交流電流密度低于20 A/m2時(shí)，–0.95 V的CP電位能夠?qū)︿撎峁┩耆Ｗo(hù)；但當(dāng)交流電流密度大于20 A/m2時(shí)，CP電位的負(fù)值足夠低才能保護(hù)試樣免受腐蝕。但隨著對(duì)交流腐蝕與陰極保護(hù)的深入研究發(fā)現(xiàn)，陰極保護(hù)水平的提高反而會(huì)加大交流腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。在2018年，NACE[52]對(duì)交流影響下的陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂：當(dāng)陰極保護(hù)電流密度DC≥1 A/m2時(shí)，交流電流密度存在上限值，在AC<30 A/m2時(shí)，陰極保護(hù)會(huì)對(duì)管道進(jìn)行有效保護(hù)，交流電流密度超過這個(gè)閾值，陰極保護(hù)則會(huì)加大交流腐蝕。而當(dāng)DC<1 A/m2或AC< 100 A/m2時(shí)，陰極保護(hù)會(huì)降低交流腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)[53]。綜上，過高或過低的陰極保護(hù)水平都會(huì)加速交流腐蝕，所以當(dāng)存在AC干擾時(shí)，需要依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)際情況，合理設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)年幈ｋ娢换螂娏髅芏戎?，以保護(hù)管道免遭腐蝕。

交流電除了會(huì)引發(fā)金屬發(fā)生陽極溶解外，也會(huì)影響H的析出，從而影響局部腐蝕，如應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。Wan[54]研究了X80鋼在近中性環(huán)境中存在交流干擾下的應(yīng)力腐蝕（SCC）行為，發(fā)現(xiàn)X80鋼的SCC敏感性隨交流電流密度的增加而增加，交流電作用下，X80鋼SCC機(jī)制為陽極溶解和氫脆的混合機(jī)制。Zhu[55]研究了高pH環(huán)境中交流電對(duì)應(yīng)力腐蝕的影響，交流電促進(jìn)SCC裂紋萌生，并且在高pH時(shí)，SCC敏感性同樣隨交流電流密度的增加而增加。

2.2.3 交流電波形對(duì)腐蝕的影響

交流電存在多種波形，如正弦波形、三角波、方波等。不同波形對(duì)金屬腐蝕的影響各異，有研究證明[56]，在均方根電壓值相同的情況下，三角波對(duì)金屬的鈍性破壞最大，正弦波居中，方波最小。在金屬腐蝕速率方面，Chin研究表明[57]，在AC頻率為60 Hz的情況下，不同波形的交流電對(duì)鐵的腐蝕速率影響大小為：三角波>正弦波>方波。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是不同波形的交流電的峰值電壓存在差異，從而影響腐蝕速率。郭敏等[58]研究了不同交流電波形對(duì)鋁箔的腐蝕形貌及電化學(xué)的影響，結(jié)果表明，正弦波、三角波在鋁箔表面產(chǎn)生的孔直徑較大，但深度較淺，沒有出現(xiàn)腐蝕穿孔現(xiàn)象，方波則使鋁箔表面更易產(chǎn)生腐蝕穿孔，方波的電流變化率大于正弦波和三角波的電流變化率。

2.2.4 環(huán)境因素對(duì)交流腐蝕的影響

Tang[59]研究了在Cl–環(huán)境中交流電對(duì)鋼纖維混凝土的影響，結(jié)果表明，Cl–降低了鋼纖維抗交流干擾腐蝕能力，并且電解質(zhì)的Cl–濃度決定了鋼纖維的腐蝕強(qiáng)度，Cl–濃度越高，鋼纖維的點(diǎn)蝕敏感性越高。Fu[37]通過研究不同涂層缺陷大小對(duì)交流腐蝕的影響，認(rèn)為在涂層小缺陷處，會(huì)產(chǎn)生高的交流電流密度，而且腐蝕產(chǎn)生的陽離子很難從局部缺陷中擴(kuò)散出來，導(dǎo)致小的涂層缺陷受交流腐蝕的影響更嚴(yán)重。Kuang[60]研究了高pH和中性pH環(huán)境中交流腐蝕的敏感性，結(jié)果表明，低AC電流密度下，在高pH環(huán)境中，試樣表面形成的致密的鈍化膜會(huì)降低交流腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，而在中性pH環(huán)境中，試樣表面產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物不足以保護(hù)試樣免受腐蝕。Nielsen[13]推測(cè)，若受交流影響的土壤中含有堿土離子（如Ca2+和Mg2+），會(huì)與陰保產(chǎn)生的OH–反應(yīng)，生成沉淀，使土壤的電阻率升高，pH值降低，從而降低交流腐蝕的敏感性。

3 雜散電流的腐蝕機(jī)理研究

3.1 直流雜散電流的腐蝕機(jī)理

關(guān)于穩(wěn)態(tài)直流雜散電流的腐蝕機(jī)理已經(jīng)很成熟，其腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕過程。對(duì)于埋地管道來說，雜散電流通過土壤電解質(zhì)流經(jīng)管道，其電子從管道的陰極流出，流向管道的陽極。在陰極區(qū)，管道不會(huì)發(fā)生腐蝕，當(dāng)陰極區(qū)電位過正時(shí)，在管道表面會(huì)發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，在無氧環(huán)境中會(huì)發(fā)生析氫反應(yīng)，有氧環(huán)境中則發(fā)生氧氣得電子的吸氧反應(yīng)。陽極區(qū)電位較負(fù)，管道上的金屬（如Fe）發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，造成管道上的金屬被氧化，以氧化物的形式迅速腐蝕，導(dǎo)致管體減薄甚至穿孔[61]。直流電的腐蝕動(dòng)力學(xué)符合法拉第定律，根據(jù)法拉第定律，1 A的直流電可在一年內(nèi)消耗近10 kg鋼。而在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，流經(jīng)土壤到達(dá)管道上的雜散電流可達(dá)到數(shù)十甚至上百安培，因此在直流電的作用下，壁厚達(dá)7~8 mm的鋼管幾個(gè)月的時(shí)間便會(huì)發(fā)生腐蝕穿孔現(xiàn)象[27]。

不同于穩(wěn)態(tài)直流雜散電流，動(dòng)態(tài)直流雜散電流的大小隨時(shí)間變化，其腐蝕機(jī)制也要比穩(wěn)態(tài)下復(fù)雜。穩(wěn)態(tài)直流電流在金屬管道的流入和流出是在不同區(qū)域，而動(dòng)態(tài)直流電在管道表面產(chǎn)生的陰極區(qū)和陽極區(qū)為同一區(qū)域，即氧化反應(yīng)與還原反應(yīng)在金屬表面同一位置交替進(jìn)行。很多學(xué)者只考慮金屬表面發(fā)生的氧化反應(yīng)，采用穩(wěn)態(tài)直流電的腐蝕機(jī)理來解釋動(dòng)態(tài)直流電對(duì)腐蝕的影響，這樣就忽略了交替流入的陰極電流對(duì)腐蝕過程的影響，與真實(shí)的腐蝕情況有很大出入[38,62-63]。雖然交流電的大小也是隨時(shí)間變化，但動(dòng)態(tài)直流電與交流電在頻率范圍方面有很大不同，而且國(guó)內(nèi)外對(duì)于交流腐蝕機(jī)理的研究仍存在較大的爭(zhēng)議，所以交流電的腐蝕機(jī)理也不適用于動(dòng)態(tài)直流腐蝕，對(duì)于其腐蝕機(jī)理有待更多學(xué)者進(jìn)行深入研究[16]。

3.2 交流雜散電流的腐蝕機(jī)理

一直以來，人們對(duì)交流腐蝕進(jìn)行了大量的研究，對(duì)其腐蝕規(guī)律及影響因素也有了初步的認(rèn)識(shí)，但由于交流電的復(fù)雜性，至今還沒有統(tǒng)一的理論來解釋交流腐蝕的機(jī)理?？偨Y(jié)前人的一些研究，可以將交流電的腐蝕機(jī)理模型大致分為兩類。一類為強(qiáng)電場(chǎng)誘導(dǎo)模型，用于解釋交流腐蝕的成因及導(dǎo)致的腐蝕現(xiàn)象；另一類為電化學(xué)模型，因?yàn)榻涣鞲g的實(shí)質(zhì)是電化學(xué)腐蝕，所以前人通過電化學(xué)模型對(duì)交流電的腐蝕機(jī)理有了部分認(rèn)識(shí)[64]。

強(qiáng)電場(chǎng)誘導(dǎo)模型是指交流電發(fā)生作用時(shí)，其周圍會(huì)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)度很高的電場(chǎng)，此電場(chǎng)強(qiáng)度比自然極化過程的內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度高得多，進(jìn)而影響腐蝕發(fā)生的進(jìn)程。另外，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，與輸電線路平行鋪設(shè)的埋地管道上會(huì)感應(yīng)出交流電壓，電壓幅值比金屬自然極化的電位高幾十倍，并且交流電的變化周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的時(shí)間，這將增加反應(yīng)物的動(dòng)能和反應(yīng)離子之間的碰撞機(jī)會(huì)。所以在交流電產(chǎn)生的高電場(chǎng)作用下，化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的速度以及某些反應(yīng)發(fā)生的可能性增加，從而加速了管道的腐蝕[65]。

交流腐蝕多發(fā)生在管道的局部位置，這是由于不同管段的土壤電導(dǎo)率不同，管道涂層破損的位置也具有隨機(jī)性，導(dǎo)致管體不同區(qū)域的交變電場(chǎng)強(qiáng)度不同，管體某些區(qū)域的感生電壓要比其他區(qū)域大很多，所以交流電會(huì)對(duì)管道造成局部腐蝕。強(qiáng)電場(chǎng)誘導(dǎo)模型解釋了交流電加速金屬腐蝕以及出現(xiàn)局部腐蝕的原因，但對(duì)于其機(jī)制的深入了解，需要通過電化學(xué)模型進(jìn)行討論。

電化學(xué)模型最為典型的三種模型為：整流模型、非線性模型、震蕩模型。McCollum[66]提出了一種整流機(jī)制，他們認(rèn)為當(dāng)金屬在交流電作用下經(jīng)歷陽極和陰極極化時(shí)，由于陽極和陰極極化的不對(duì)稱性，法拉第電流被整流，產(chǎn)生了凈法拉第電流。Goidanich等人[67]將交流腐蝕也歸因于陰陽極反應(yīng)的不對(duì)稱，他們認(rèn)為交流電正半周內(nèi)金屬氧化過程中產(chǎn)生的金屬離子在負(fù)半周內(nèi)不能完全還原，從而使金屬發(fā)生溶解。但Williams并不認(rèn)同整流機(jī)制[68]，他認(rèn)為交流腐蝕的本質(zhì)原因是金屬在交流電正半周期發(fā)生陽極氧化，從而造成金屬離子的擴(kuò)散。Bruckner[69]通過研究恒定電流和電壓下金屬的腐蝕，沒有在金屬的腐蝕表面發(fā)現(xiàn)整流跡象?！罢髂Ｐ汀钡那疤崾墙饘倥c溶液界面發(fā)生的電化學(xué)過程可逆，但當(dāng)反應(yīng)不完全可逆時(shí)，“整流模型”不足以解釋交流電流引發(fā)腐蝕的原因。但它的提出使人們對(duì)交流電腐蝕有了初步的認(rèn)識(shí)。

在法拉第整流效應(yīng)的基礎(chǔ)上，一些學(xué)者采用活化下的動(dòng)力學(xué)理論對(duì)Butler Volmer方程進(jìn)行修正，用來模擬疊加交流電后的腐蝕行為，修正后的數(shù)學(xué)模型即非線性模型[70-73]。根據(jù)交流腐蝕的非線性模型，極化曲線陽極和陰極Tafel斜率的比值（=a/c）對(duì)腐蝕速率和腐蝕電位有很大的影響。如果<1，腐蝕電位減小；>1，則腐蝕電位增大；=1，腐蝕電位不變。在≠1時(shí)，增大交流電電壓，腐蝕電位的偏移量增大。另外，平衡條件下，金屬的腐蝕電流密度（corr）隨值的增加，呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。在混合控制條件下，腐蝕電流密度與氧的極限擴(kuò)散電流密度的比值（corr/L）隨交流電壓的增大而線性減小，由于反應(yīng)存在擴(kuò)散控制過程，金屬的腐蝕電流密度存在上限值?！胺蔷€性模型”是根據(jù)電化學(xué)理論推導(dǎo)出的交流電的非線性腐蝕規(guī)律，并且在一系列的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上得到了認(rèn)證，但是“非線性模型”沒有解釋為何交流電會(huì)出現(xiàn)這種非線性腐蝕行為，對(duì)于交流電的腐蝕機(jī)理還需要進(jìn)行更深入的探討。

根據(jù)一些現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的案例發(fā)現(xiàn)，交流電在埋地管道金屬/介質(zhì)界面的振蕩作用誘發(fā)管道涂層缺陷處發(fā)生交流腐蝕。其作用機(jī)理為，在施加交流電時(shí)，交變電場(chǎng)力作用于溶液中的反應(yīng)物，產(chǎn)生振蕩效應(yīng)。在沒有干擾的情況下，溶劑化離子在溶液中的遷移速率一般很慢，而交流電在雙電層中的振蕩效應(yīng)使離子加速遷移，從而縮短了反應(yīng)物自由碰撞的路徑，增加了反應(yīng)發(fā)生的機(jī)會(huì)，金屬腐蝕的可能性增強(qiáng)。此外，在陰極保護(hù)作用下，管道表面會(huì)產(chǎn)生大量OH–，導(dǎo)致附近pH升高，在高pH的環(huán)境中，交流電在金屬界面處的震蕩作用通過破壞金屬表面的氧化膜進(jìn)而對(duì)管道造成腐蝕?！罢袷幠Ｐ汀睆臒崃W(xué)方面解釋了交流腐蝕的原因，并且考慮了陰保作用下發(fā)生交流腐蝕的情況，但“振蕩模型”過于簡(jiǎn)單，討論過于淺顯，沒有涉及交流電對(duì)金屬腐蝕的動(dòng)力學(xué)影響。

以上模型對(duì)于特定條件下交流腐蝕發(fā)生的原因以及交流腐蝕的規(guī)律作出了解釋，為現(xiàn)場(chǎng)交流腐蝕的分析提供了理論依據(jù)。但是，前面大量研究表明，相同雜散電流密度下，交流電的腐蝕程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直流電的腐蝕，對(duì)于這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，以上機(jī)制都未進(jìn)行合理解釋。近些年來，許多研究學(xué)者從雙電層角度出發(fā)，對(duì)其進(jìn)行了深入探討與研究。

交流電的很大一部分電流未參與腐蝕過程，這是因?yàn)榻涣麟妼?duì)金屬與溶液界面（即雙電層）的影響分為法拉第電流與非法拉第電流[59,74-77]。交流電作用于雙電層時(shí)，大部分是非法拉第電流參與充放電過程，通常比法拉第電流要高得多[78]。雙電層理論解釋了交流電對(duì)腐蝕的影響遠(yuǎn)小于直流電影響的原因，推動(dòng)了交流腐蝕機(jī)制的進(jìn)一步發(fā)展，但目前對(duì)于雙電層理論的研究尚未成熟。雖然很多研究學(xué)者運(yùn)用雙電層理論來解釋交流電的腐蝕現(xiàn)象，但并未區(qū)分交流腐蝕過程中法拉第電流的確切占比。所以，如何從實(shí)驗(yàn)中計(jì)算出交流電參與腐蝕的法拉第電流，是探索交流腐蝕機(jī)理的一個(gè)重要突破點(diǎn)。Tang[77]根據(jù)并聯(lián)電路理論，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)求解出法拉第電流，并利用電阻與電容元件設(shè)計(jì)了真實(shí)電路進(jìn)行驗(yàn)證。但這種方式在求解時(shí)需要獲得電容和電阻的具體數(shù)值，而在實(shí)際交流電的腐蝕過程中，并不能直接測(cè)量金屬導(dǎo)體與溶液接觸形成的雙電層電容以及電荷轉(zhuǎn)移電阻，所以還需要通過其他方式來求解數(shù)值。作者試圖利用電化學(xué)阻抗譜來模擬交流電的腐蝕過程，擬合出電化學(xué)參數(shù)，獲得電極與溶液界面的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，如電荷轉(zhuǎn)移電阻、雙電層電容等。這種方式的不足在于阻抗測(cè)量時(shí)，施加的擾動(dòng)電壓的幅值很小，不能模擬幅值大一些的交流電。另外，電極表面反應(yīng)過程太復(fù)雜，簡(jiǎn)單的電路可能并不能接近真實(shí)情況，所以計(jì)算結(jié)果與真實(shí)情況會(huì)存在一定偏差。

4 雜散電流腐蝕的防護(hù)措施

為了避免雜散電流腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失，應(yīng)根據(jù)雜散電流的勘測(cè)結(jié)果，將金屬管道避開雜散電流干擾密集區(qū)鋪設(shè)。但由于地理空間位置有限，地下油氣管道的輸送距離也非常長(zhǎng)，有的長(zhǎng)輸管線甚至長(zhǎng)達(dá)幾萬千米，所以地下管道不可避免地與輸電設(shè)備、電力裝置等并行鋪設(shè)，進(jìn)而或多或少受到雜散電流的腐蝕。因此，必須采取排流措施，安裝排流裝置，以便控制和減緩雜散電流對(duì)金屬埋地管道的影響。根據(jù)雜散電流的分類和不同性質(zhì)將排流方式分為直流排流和交流排流兩種。

直流排流主要有直接排流、極性排流、接地排流和強(qiáng)制性排流四種方式[29,79-80]。

直接排流：用絕緣電纜直接將保護(hù)體（埋地管道）與直流干擾源（鐵軌）相連，從而將雜散電流從管道上引出，使其流回干擾源。此法適用于干擾源電位極性穩(wěn)定的情況，優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單，實(shí)用經(jīng)濟(jì)，排流效果佳。缺點(diǎn)是，當(dāng)干擾源的電位高于管道電位時(shí)，會(huì)將更多的雜散電流引入軌道，造成更嚴(yán)重的腐蝕。由于電流干擾源（如鐵軌）的電位常有波動(dòng)，在某些情況下會(huì)大于管道電位，直接排流方法的使用風(fēng)險(xiǎn)較大，常受到限制。

極性排流：在直接排流的基礎(chǔ)上，在電流干擾源與埋地管道之間串入一個(gè)二極管，從而在排流線路中形成一個(gè)單向?qū)ǖ臉O性排流器，只允許雜散電流從管道流向干擾源，而干擾源電流無法反方向流入管道。此裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝便捷，排流效率高，在干擾電位極性正負(fù)交替波動(dòng)的情況下仍然適用。缺點(diǎn)是，排流效果受到干擾源與埋地管道之間距離的影響，在干擾源距離管道較遠(yuǎn)時(shí)，排流效果變差。

接地排流：通過導(dǎo)線將管道與埋地體（即輔助陽極）連接，雜散電流從管道上流出，進(jìn)入電阻更小、電位更負(fù)的埋地體。此法的應(yīng)用范圍廣，尤其適用于難以直接向干擾源排流（如直接排流、極性排流）的管道，并且接地點(diǎn)的設(shè)置靈活，操作方法簡(jiǎn)單，費(fèi)用低。但是對(duì)接地體的要求嚴(yán)格，花費(fèi)成本大，排流效率也要低于直接向干擾源排流的方式。

強(qiáng)制性排流：在管道與雜散電流干擾源（如鐵軌）之間串聯(lián)一個(gè)整流器，引入直流電流，在外加直流的作用下，加速雜散電流的排流。這種方法適用于管地電位極性正負(fù)交替變化、管道與鐵軌之間電位差較小的情況。優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用廣，保護(hù)范圍大，并且具有陰極保護(hù)的效果。缺點(diǎn)是需要外加電源，對(duì)鐵軌的電位影響大，甚至加劇鐵軌的腐蝕。

2018年，國(guó)內(nèi)研制成功了首套高壓直流干擾大功率直流排流器[81]，該排流器不僅將直流通流能力提高了十幾倍，而且不會(huì)影響陰極保護(hù)系統(tǒng)的操作，同時(shí)滿足常規(guī)固態(tài)去耦合器的參數(shù)設(shè)置，對(duì)于交流干擾有一定的排流效果，解決了直流干擾與交流干擾同時(shí)存在下的排流難題，使我國(guó)在排流技術(shù)這方面取得了重大突破。目前，在工程上應(yīng)用的交流排流方式主要有：直接排流法、隔直排流法、負(fù)電位排流法三種方式[82]。

直接排流法：與直流雜散電流的直接排流法相似，交流雜散電流的直接排流法是通過絕緣電纜將管道與低電阻地床直接連接，為了防止雜散電流逆流，必須要求地床接地電阻小于管道接地電阻。此法只適用于不施加陰極保護(hù)的管道，優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，費(fèi)用低且排流效率高。缺點(diǎn)是容易將陰極保護(hù)電流引入地床，從而造成陰極保護(hù)電流的流失，應(yīng)用常受到限制。

隔直排流法：在直接排流法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，在管道與地床之間接入一個(gè)阻隔直流的元件（如電容器、二極管），從而在排流的同時(shí)防止了陰極保護(hù)電流的流失，適用于存在陰極保護(hù)的管道。優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用廣泛，排流效率高；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，花費(fèi)成本高。

負(fù)電位排流法：利用導(dǎo)線將管道與電位更低的犧牲陽極連接，將管道上的雜散電流引入犧牲陽極。這種方法優(yōu)點(diǎn)是兼具排流和陰極保護(hù)的雙重作用，缺點(diǎn)是對(duì)犧牲陽極的要求高，一旦犧牲陽極發(fā)生極性逆轉(zhuǎn)，會(huì)進(jìn)一步加速管道的腐蝕。

目前應(yīng)用的交流排流裝置主要有兩種，第一種是固態(tài)去耦合器，它可以傳導(dǎo)交流電，同時(shí)可以在管道電壓過高時(shí)提供保護(hù)。但由于其接地極較長(zhǎng)，接地電阻容易受到工況環(huán)境的影響，導(dǎo)致其排流效果欠佳[52]。第二種是鉗位式排流器，安裝在管道與排流地床之間，雜散電流通過排流地床導(dǎo)出，可以有效降低管道上的交流電壓。但這種排流裝置對(duì)接地材料有嚴(yán)格限制，需要和管道材料一致，而且此裝置在強(qiáng)交流干擾下的排流效果不佳且抗電沖擊性能差[83-84]。對(duì)于交流排流裝置來說，接地電阻、接地材料等問題亟需解決，還應(yīng)結(jié)合工況環(huán)境，進(jìn)一步完善、設(shè)計(jì)合理的交流排流裝置。

通過以上對(duì)于排流方法的討論可以看出，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況和工況不同，應(yīng)用時(shí)還需要考慮操作難度、造價(jià)成本。在實(shí)際應(yīng)用前，需全面調(diào)查影響排流的眾多因素，另外，還需調(diào)研排流保護(hù)工作過程中對(duì)輸電系統(tǒng)電信號(hào)以及鐵路的傳輸信號(hào)造成的干擾，選擇既經(jīng)濟(jì)又高效的排流方式。

5 雜散電流的重點(diǎn)問題及發(fā)展趨勢(shì)

雖然對(duì)雜散電流的研究已經(jīng)有很多年的歷史，但一直以來對(duì)它的認(rèn)識(shí)仍處于初級(jí)階段，而且雜散電流腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)手段與防護(hù)方法尚不成熟，使雜散電流對(duì)埋地管道腐蝕的影響日益嚴(yán)峻。從目前的研究現(xiàn)狀來看，雜散電流腐蝕中的一些重大問題并未得到有效解決，還需從以下兩個(gè)方面展開研究。

1）雜散電流的腐蝕機(jī)理尚不明確。雖然近些年人們對(duì)雜散電流進(jìn)行了眾多實(shí)驗(yàn)與研究，但對(duì)于其腐蝕的根本原因一直沒有確切的結(jié)論，特別是交流雜散電流以及動(dòng)態(tài)直流雜散電流對(duì)金屬腐蝕動(dòng)力學(xué)行為的影響機(jī)制，所以對(duì)于雜散電流腐蝕的特征也不能從機(jī)理上給出合理的解釋。因此，雜散電流腐蝕問題的研究重點(diǎn)應(yīng)是對(duì)其腐蝕機(jī)制的探究。隨著科技的發(fā)展，借助現(xiàn)代先進(jìn)的科學(xué)手段，計(jì)算出交流電參與腐蝕的法拉第電流，是探索交流腐蝕機(jī)理的一個(gè)重要突破點(diǎn)。

2）雜散電流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估與防護(hù)。電力系統(tǒng)的快速發(fā)展使雜散電流腐蝕問題日益嚴(yán)重，雜散電流對(duì)埋地管道腐蝕的影響涉及眾多方面，使腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估與防護(hù)日漸困難。如何做到對(duì)雜散電流的精準(zhǔn)測(cè)量以評(píng)估發(fā)生腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，以及開發(fā)操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)適用的排流方法，也是未來研究的熱點(diǎn)之一?？梢愿鶕?jù)不同的環(huán)境與工況來提取關(guān)鍵影響參數(shù)，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)以供參考。同時(shí)，要想真正解決工程問題，需要將理論與實(shí)際相結(jié)合，在不斷的探索與應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)對(duì)雜散電流腐蝕的控制與防護(hù)。

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Research Progress of Stray Current on Corrosion and Drainage Method of Buried Pipeline

1,1,2,1

(1.China University of Petroleum, Beijing, Beijing 102249, China; 2.Jinan University, Guangzhou 510632, China)

With the increasing demand for energy, the construction of underground oil and gas pipelines and electric power facilities has been developing rapidly in China. Due to the limitation of geographical location in space, pipelines and electric power facilities are inevitably laid in parallel, which makes the corrosion problem of buried pipeline caused by stray current become more and more serious. The pipeline corrosion of stray current can be divided into DC interference and AC interference according to the source of interference. Starting from dc stray current and AC stray current respectively, this paper introduces the main source of stray current, formation cause and corrosion hazard. The influence factors of direct current and alternating current are analyzed to understand the corrosion characteristics and corrosion rate difference between them. The mechanism of DC corrosion and AC corrosion is systematically discussed and summarized through the investigation of stray current corrosion, and the reason why the AC corrosion rate lags far behind the DC corrosion rate is analyzed and discussed. The drainage methods and devices for DC and AC stray currents are introduced respectively. The advantages, disadvantages and applicable conditions of each drainage mode are analyzed, which provides a reference for the selection of drainage mode in actual working conditions. At last, the methods to be solved are put forward according to the difficulties of study of stray current corrosion, and the research direction and development prospect of this field are prospected to provide reference for the research in related fields.

stray current; buried pipeline; drainage method; corrosion behavior

2020-07-23；

2021-01-21

WAN Hong-xia (1986—), Female, Doctor, Lecturer, Research focus: oil pipeline corrosion and protection. E-mail: wanhongxia88@ 163.com

萬紅霞, 李婷婷, 宋東東, 等. 雜散電流對(duì)埋地管道腐蝕及排流方式的研究進(jìn)展[J]. 表面技術(shù), 2021, 50(4): 125-134.

TG172

A

1001-3660(2021)04-0125-10

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.012

2020-07-23；

2021-01-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51701055）；中國(guó)石油大學(xué)（北京）科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（2462018YJRC021）

Fund：Supported by the National Natural Science Foundation of China (51701055) and Science Foundation of China University of Petroleum, Beijing (2462018YJRC021)

萬紅霞（1986—），女，博士，講師，主要研究方向石油管道腐蝕與防護(hù)。郵箱：wanhongxia88@163.com

WAN Hong-xia, LI Ting-ting, SONG Dong-dong, et al. Research progress of stray current on corrosion and drainage method of buried pipeline [J]. Surface technology, 2021, 50(4): 125-134.