交流干擾下埋地管道外加電流陰極保護(hù)應(yīng)用分析

郭 勇， 丁繼峰， 高志賢， 尹 安， 張 波， 楊朝暉， 李向陽(yáng)

(1. 青島鋼研納克檢測(cè)防護(hù)技術(shù)有限公司， 山東 青島 266071； 2 . 鋼鐵研究總院， 北京 100081；3. 中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司北京材料基因組工程先進(jìn)創(chuàng)新中心， 北京 100081)

0 前 言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，高壓輸電線路和高速鐵路在國(guó)內(nèi)大范圍建設(shè)，交流干擾影響隨之而來(lái)，特別是對(duì)于埋地鋼質(zhì)管道，交流干擾會(huì)造成管道的交流腐蝕。早期人們認(rèn)為交流干擾造成的腐蝕輕微，但隨著管道防腐層等級(jí)的不斷提高，管道上產(chǎn)生的交流干擾電壓增大，造成的交流腐蝕危害越來(lái)越受到了人們的重視。在沒(méi)有交流干擾的情況下，埋地管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)能夠阻止或減緩?fù)寥拉h(huán)境的腐蝕，然而交流雜散電流造成埋地鋼質(zhì)管道的腐蝕問(wèn)題更加復(fù)雜化。 據(jù)報(bào)道，歐洲、北美和我國(guó)曾發(fā)生過(guò)多起交流干擾腐蝕，雖然管道的保護(hù)電位符合傳統(tǒng)的陰極保護(hù)準(zhǔn)則要求，但是埋地鋼質(zhì)管道依然遭受交流干擾腐蝕的情況[1]。 西氣東輸管道某管段受到包蘭電氣化鐵路的交流干擾，在外檢測(cè)過(guò)程中，開(kāi)挖檢測(cè)一處防腐層破損點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)防腐層有劃傷，在管道上防腐層破損處呈現(xiàn)橢圓形腐蝕坑，腐蝕坑深度為0.9 mm，在該處測(cè)得管道陰極保護(hù)電位(vs CSE)為-1.11～ -1.16 V，而交流干擾電位達(dá)23 V，因此雖然陰極保護(hù)電位滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但管道卻發(fā)生了腐蝕[2]。 杜晨陽(yáng)等研究發(fā)現(xiàn)在常規(guī)條件下，參照傳統(tǒng)的-850 mV(vs CSE)陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在交流干擾下試樣并不能得到有效保護(hù)，被保護(hù)的金屬試樣處于一種加速腐蝕、自然腐蝕和阻礙腐蝕的周期性狀態(tài)，從而降低了陰極保護(hù)效果，使金屬發(fā)生了明顯的腐蝕[3]。 丁清苗等研究了X70 鋼在模擬土壤溶液中的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)在交流干擾弱時(shí)，陰極保護(hù)準(zhǔn)則為-815 mV(vs SCE)；交流干擾強(qiáng)時(shí)，陰極保護(hù)準(zhǔn)則為-835 mV(vs SCE)，傳統(tǒng)的陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的電位準(zhǔn)則已不適用[4]。王新華等研究發(fā)現(xiàn)，在沒(méi)有陰極保護(hù)條件下，通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，當(dāng)交流電流密度小于30 A/m2時(shí)，交流腐蝕很??；當(dāng)交流電流密度在30～100 A/m2時(shí)，腐蝕危害較大；當(dāng)交流電流密度大于100 A/m2時(shí)，交流腐蝕危害很大[5]。 許立寧等[6]構(gòu)建了交流腐蝕模擬試驗(yàn)裝置，通過(guò)控制交流電流，研究交流腐蝕的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)加載于試片上的交流電流密度增大后，腐蝕速率顯著增大，交流干擾腐蝕的嚴(yán)重程度還與試片表面的腐蝕產(chǎn)物有關(guān)，沉積物致密時(shí)，腐蝕電流下降，腐蝕速率降低。 在交流干擾下，埋地管道的陰極保護(hù)效果不能單純地從電位準(zhǔn)則來(lái)判定，BS EN 15280:2013[7]和BS ISO 18086:2015[8]規(guī)定，應(yīng)將管道上的交流電壓降低至15 V 或更?。辉跍y(cè)量時(shí)間段內(nèi)，1 cm2試樣或探針上應(yīng)保持交流電流密度低于30 A/m2，如果交流電流密度大于30 A/m2，則在1 cm2的試樣或探針上陰極保護(hù)電流密度應(yīng)低于1 A/m2，或在測(cè)量時(shí)間段之內(nèi)，保持交流電流密度和直流電流密度(Jac/Jdc)之比小于5。交流雜散電流干擾下的埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)效果需要多種指標(biāo)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。

本工作通過(guò)模擬試驗(yàn)，在交流干擾條件下，在實(shí)驗(yàn)室模擬埋地管道及試片，通過(guò)改變外加陰極保護(hù)電流輸出，即控制直流電源，監(jiān)測(cè)模擬管道的試片上陰極保護(hù)參數(shù)，研究試片陰極保護(hù)效果與交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)之間的相互關(guān)系，研究陰極保護(hù)系統(tǒng)防護(hù)交流干擾的規(guī)律。

1 試驗(yàn)裝置及方法

本試驗(yàn)中采用現(xiàn)場(chǎng)取土壤試樣，取樣地點(diǎn)為廣東省惠州市丘陵地段，埋地管道附近土壤類(lèi)型是紅壤，檢測(cè)土壤pH 值為7.0 呈中性，離子含量如表1 所示，在實(shí)驗(yàn)室添加蒸餾水，稀釋至飽和狀態(tài)。

表1 土壤離子含量Table 1 Soil ion content for experimental

交流調(diào)壓電源選用STG-500W 型可調(diào)電源；直流電源選用TXN-15020 型可調(diào)電源；數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)備采用uDL2 數(shù)據(jù)記錄儀。 試驗(yàn)裝置如圖1，通電電路由交流干擾電路和直流陰極輸出電路組成，交流電路設(shè)置電容器，直流電路設(shè)置電感，防止交流和直流電路相互干擾。 電容器的型號(hào)CD135S，額定容量是450 V 2 200 UF，電感型號(hào)為I764201。

圖1 干擾試驗(yàn)裝置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of experimental setup for interference measurements

在試驗(yàn)裝置中，采用20 鋼試片做模擬管道，試片尺寸為20 mm×50 mm×50 mm，試片四周與一側(cè)表面涂覆防銹漆，另一側(cè)裸露，裸露面積為10 cm2，極化探頭材質(zhì)也為20 鋼，面積為1 cm2，用來(lái)模擬管道缺陷，極化探頭中內(nèi)置一個(gè)飽和硫酸銅參比電極，輔助陽(yáng)極為碳棒。 交流電源用來(lái)提供頻率為50 Hz 的正弦波，本次試驗(yàn)固定交流電流有效值為0.18 A。 直流電源模擬陰極保護(hù)外加電流設(shè)備，模擬交流干擾10 min 后，開(kāi)始設(shè)置直流輸出，輸出電壓為1.0 V，每間隔10 min 調(diào)節(jié)直流輸出電壓0.5 V，調(diào)節(jié)到5.0 V 后，穩(wěn)定10 min，開(kāi)始以0.5 V 的降幅降低直流電壓輸出，即直流輸出電壓分別為:1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0，4.5，4.0，3.5，3.0，2.5，2.0，1.5，1.0 V。

本文中所有沒(méi)有說(shuō)明的電位均是相對(duì)于飽和硫酸銅參比電極(CSE)的電位。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 交流干擾參數(shù)測(cè)試

在試驗(yàn)過(guò)程中，記錄試片上的交流干擾電壓、交流干擾電流密度值，每項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集頻率為1 s/個(gè)，記錄整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的全部數(shù)據(jù)。

2.2 陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)試

在試驗(yàn)過(guò)程中，記錄試片上的通電電位，采集頻率為1 s/個(gè)；試片斷電電位采集頻率為10 s/個(gè)；直流電流密度采集頻率為1 s/個(gè)；記錄整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的全部數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試片陰極保護(hù)斷電電位及直流電流密度分析

在雜散電流干擾下，埋地管道的陰極保護(hù)參數(shù)及干擾程度的檢測(cè)采用試片法，圖2a 是斷電電位隨時(shí)間變化曲線，隨著直流輸出電壓的改變，斷電電位先負(fù)向偏移后再發(fā)生正向偏移，但圖中斷電電位不是對(duì)稱(chēng)式地分布，初始時(shí)，斷電電位是-0.75 V，隨著直流輸出電壓增大，斷電電位迅速負(fù)向偏移，在接近-1.10 V 時(shí)，雖然增大了直流電壓，但試片斷電電位基本保持不變，進(jìn)一步極化受阻。 外加直流電壓增大至2.5 V 和降低至2.5 V 的過(guò)程中，試片的斷電電位接近-1.10 V，即使外加直流電壓增大至5.0 V，試片的斷電電位也沒(méi)有明顯負(fù)移。 隨著輸出電壓繼續(xù)下降，斷電電位開(kāi)始下降，最后斷電電位維持在-0.96 V。 外界輸出電壓雖然回到初始值，但斷電電位負(fù)于初始值0.21 V，試驗(yàn)結(jié)果表明試片在土壤溶液中的界面形成雙電層的過(guò)程并不是完全可逆的[9]。 圖2b 是試片直流電流密度隨時(shí)間的變化情況，隨著直流輸出電壓的改變，試片的直流電流密度隨著輸出電壓的改變有規(guī)律地改變，但當(dāng)輸出電壓有規(guī)律地變化時(shí)，試片直流電流密度在上升和下降過(guò)程中非對(duì)稱(chēng)分布，且在直流輸出電壓下降過(guò)程中，試片界面電流密度下降的幅度更大，且最后低于初始值，這可能和界面的結(jié)構(gòu)改變有關(guān)。 在陰極電流作用下，界面可能形成保護(hù)膜，增大了界面電阻，相同的直流輸出電壓下，電壓下降過(guò)程中，試片上的電流更小，電流密度更低。

圖2 試片陰極保護(hù)斷電電位及直流電流密度隨時(shí)間的變化情況Fig. 2 Cathodic protection off-potential and DC current density monitoring of test coupons under various time

3.2 試片交流干擾電壓及電流密度分析

在交流干擾電源恒流輸出下，試片上的交流干擾電壓和交流干擾電流密度變化情況見(jiàn)圖3。 圖3a 為試片交流電流密度隨時(shí)間變化情況，初始時(shí)交流電流密度相對(duì)穩(wěn)定，在施加直流電流后，交流電流密度不斷下降。 以試片的交流電壓除以通過(guò)試片的交流電流密度計(jì)算試片表面的擴(kuò)散電阻，反映試片表面交流電流流出的難易，見(jiàn)圖3b。 初始時(shí)，擴(kuò)散電阻相對(duì)穩(wěn)定，隨著外加直流電壓增大，擴(kuò)散電阻不斷上升，可能是試片表面產(chǎn)生了鈍化膜或難溶的鹽，增加了界面的阻抗，從而造成了擴(kuò)散電阻的上升[10]。

圖3 試片交流電流密度及擴(kuò)散電阻隨時(shí)間的變化情況Fig. 3 AC current density and diffusion resistance value monitoring of test coupons under various time

在直流電流作用下，試片的交流電流密度不斷下降，交流干擾的腐蝕程度主要取決于交流電流密度[11，12]。 在野外環(huán)境中，測(cè)試的交流干擾電壓值隨著參比電極位置的不同變化較大，僅通過(guò)交流干擾電壓判定干擾程度會(huì)造成誤判[13]。 BS EN 15280-2013[7]和BS ISO15589-1:2015[14]中明確指出，交流電流密度只能通過(guò)試片法或探頭法測(cè)試獲得。 本試驗(yàn)通過(guò)模擬安裝有陰極保護(hù)系統(tǒng)的野外受交流干擾埋地管道，假定在野外工況下，在測(cè)試時(shí)間內(nèi)埋地管道遭受的交流干擾程度不變，通過(guò)施加直流電流模擬管道上的陰極保護(hù)電流，施加恒定的交流電流模擬外部交流干擾，試驗(yàn)測(cè)試裝置原理與野外工況相同，試驗(yàn)裝置能夠模擬野外的干擾情況。 在試驗(yàn)過(guò)程中，試片表面擴(kuò)散電阻增大，導(dǎo)致交流電流減小，交流電流密度(電流與試片面積比值)降低，通過(guò)施加陰極保護(hù)電流降低了試片本身的交流干擾程度。 因此，在野外環(huán)境中，通過(guò)埋地管道施加陰極保護(hù)電流能夠減緩交流電流干擾腐蝕，但是據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，陰極保護(hù)電流過(guò)大時(shí)，也可能會(huì)增大交流干擾腐蝕風(fēng)險(xiǎn)[15]。

3.3 交直流電流密度比值分析

交流電流密度和直流電流密度的比值是國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中交流腐蝕的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DD CEN/TS 15280-2006[16]規(guī)定了交直流電流密度比判斷交流干擾的評(píng)價(jià)指標(biāo):(1)當(dāng)Jac/Jdc＜5 時(shí)，交直流腐蝕可能性低；(2)當(dāng)Jac/Jdc介于5～10 時(shí)，交流腐蝕可能性存在，需要結(jié)合極化狀況、防腐層缺陷面積大小、土壤電阻率等與陰極保護(hù)相關(guān)的參數(shù)做進(jìn)一步的調(diào)查；(3)當(dāng)Jac/Jdc＞10 時(shí)，發(fā)生交流腐蝕的可能性很高，需要采取緩解措施。 張貴喜等[17]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Jac＜10 A/m2時(shí)，管道陰極保護(hù)電位達(dá)到-0.85 V(vs CSE)，可以忽略交流干擾；當(dāng)10 A /m2＜Jac＜50 A/m2且Jdc＞(Jac-10)/100時(shí)，陰極保護(hù)處于有效狀態(tài)；當(dāng)Jac＞50 A/m2，若Jdc＜0.4 A/m2，則管道存在交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，調(diào)節(jié)Jdc＞(Jac-10)/100，管道受到交流腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)降低，但可能產(chǎn)生“過(guò)保護(hù)”風(fēng)險(xiǎn)。 交流電流密度作為評(píng)價(jià)交流腐蝕危害的指標(biāo)越來(lái)越受到重視，但是對(duì)埋地管道交流電流密度的檢測(cè)存在困難。 交直流電流密度比值隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖4。 由圖可知，交直流電流密度比主要取決于直流電流密度，增加直流電流，交直流密度比降低；減小直流電流，交直流電流密度比增大。 在試驗(yàn)中，交直流電流密度最小比值是14，最大比值大于100，隨著直流電壓的增大，試片陰極保護(hù)斷電電位從-0.75 V(vs CSE)極化至接近-1.10 V(vs CSE)，繼續(xù)增大直流電壓試片陰極保護(hù)電位變化不大。 即使陰極保護(hù)電流密度增大到3 A/m2，交直流電流密度之比仍大于14，按照DD CEN/TS 15280-2006 評(píng)價(jià)指標(biāo)，發(fā)生交流腐蝕的可能性很高，但因?yàn)楣艿婪栏瘜哟嬖陉帢O剝離的風(fēng)險(xiǎn)，陰極保護(hù)電流不能無(wú)限制地增大，因此不能從單純地提高陰極保護(hù)電流的角度來(lái)抑制交流雜散電流的腐蝕，需要通過(guò)降低試片上交流雜散電流的方式降低交流腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 試片交直流電流密度之比隨時(shí)間變化情況Fig. 4 Ratio of AC/DC current density monitoring of test coupons under various time

4 結(jié) 論

(1)在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)有規(guī)律地改變系統(tǒng)外加直流輸出電壓，發(fā)現(xiàn)試片的斷電電位和直流電流密度呈非對(duì)稱(chēng)性變化，試片的極化過(guò)程不可逆。 在直流輸出電壓增大的過(guò)程中，試片的斷電電位極化至-1.10 V(vs CSE)，繼續(xù)增大直流輸出，試片依然保持在-1.10 V，在該腐蝕環(huán)境中，試片進(jìn)一步極化困難，試片陰極保護(hù)電位不能無(wú)限制地負(fù)移。

(2)隨著外加直流輸出電壓的改變，試片的交流電流密度和擴(kuò)散電阻呈現(xiàn)有規(guī)律的變化，交流電流密度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐步減小，擴(kuò)散電阻隨著時(shí)間逐步增大，試片界面反應(yīng)增大了界面阻抗，降低了交流電流密度。

(3)在試驗(yàn)過(guò)程中，試片的交直流密度比值最小達(dá)到14，依然大于5，按照目前的交流電流密度評(píng)價(jià)指標(biāo)，交流腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)較高，降低交流腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)不能僅僅通過(guò)增大陰極保護(hù)電流的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，而是需要通過(guò)降低試片上交流干擾電流的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。