模擬高壓直流對(duì)X65管線(xiàn)鋼在上海地區(qū)土壤中的腐蝕影響研究

李德明，王宏新

(1. 上海天然氣管網(wǎng)有限公司,上海 200000；2. 北京安科腐蝕技術(shù)有限公司，北京 100803)

0 前 言

為實(shí)現(xiàn)能源的經(jīng)濟(jì)合理分配，國(guó)內(nèi)正全力發(fā)展高壓電網(wǎng)和油氣管網(wǎng)。高壓直流輸電(HVDC)是我國(guó)輸送能源重要方式之一[1]。目前，我國(guó)已建成哈密南 - 鄭州、向家壩 - 上海等多條直流輸電線(xiàn)路，更多的直流輸電線(xiàn)路正在規(guī)劃中[2，3]。由于地理?xiàng)l件限制和實(shí)際生產(chǎn)的需要，埋地金屬管道與高壓輸電線(xiàn)路建設(shè)于同一“公共走廊”的問(wèn)題日趨嚴(yán)重。

高壓直流輸電系統(tǒng)主要有單極運(yùn)行和雙極運(yùn)行2種方式，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)為雙極模式，雙極運(yùn)行模式下的不平衡電流約為額定電流的1%，對(duì)埋地管道腐蝕危害較小[4,5]；然而，直流輸電系統(tǒng)在檢修或者發(fā)生故障時(shí)，會(huì)轉(zhuǎn)入單極模式運(yùn)行，即以大地作為回路通道，此時(shí)數(shù)千安培的電流泄入大地，會(huì)引起附近土壤的電位發(fā)生變化，進(jìn)而使不同地點(diǎn)間產(chǎn)生電位差，這一電位差會(huì)使埋入地中的金屬構(gòu)件之間產(chǎn)生電流，從而導(dǎo)致金屬構(gòu)件發(fā)生腐蝕[6-8]。目前，已在多條管道上檢測(cè)到了干擾[9-11]：如±500 kV牛從同塔雙回超高壓輸電系統(tǒng)的翁源接地極、魚(yú)龍嶺接地極(±800 kV云廣特高壓輸電系統(tǒng)和貴廣二回±500 kV超高壓輸電系統(tǒng))、大塘接地極(±500 kV天廣超高壓直流輸電系統(tǒng))對(duì)鄰近管道電位均產(chǎn)生幾十伏甚至上百伏的電位偏移。針對(duì)高壓直流接地極對(duì)管道產(chǎn)生的大干擾電壓，秦潤(rùn)之等[12]和熊娟等[7]通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)管線(xiàn)的腐蝕速率隨著大幅直流干擾電壓的升高呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)；顧清林等[13]指出在干擾較為嚴(yán)重的位置，通過(guò)鋪設(shè)鋅帶可以有效緩解該問(wèn)題。然而，經(jīng)過(guò)前期調(diào)查發(fā)現(xiàn)上海地區(qū)目前共有4條HVDC輸電線(xiàn)路，3個(gè)HVDC接地極[14，15]，即南橋接地極、廊下接地極和腰涇接地極，前期監(jiān)檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，上海地區(qū)土壤電阻率普遍偏低，低電阻率土壤中形成的電勢(shì)梯度小，穿越電勢(shì)梯度場(chǎng)時(shí)，管道兩端的電壓差小。上海地區(qū)接地極單極運(yùn)行時(shí)對(duì)鄰近管道干擾電位最正值為6.9 V，小幅值的干擾電壓對(duì)管道的腐蝕規(guī)律和腐蝕風(fēng)險(xiǎn)尚不完全清楚。

本工作根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)的HVDC干擾參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)小幅值HVDC干擾下X65管線(xiàn)鋼在我國(guó)上海地區(qū)的土壤環(huán)境中的腐蝕行為進(jìn)行了研究，可為中國(guó)土壤電阻率較低地區(qū)的HVDC干擾腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別與評(píng)估提供參考。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與介質(zhì)

實(shí)驗(yàn)用材質(zhì)為X65管線(xiàn)鋼，與管道同材質(zhì)，其主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為：C 0.030, Si 0.170, Mn 1.510，P 0.024，Ni 0.170，Cu 0.040，Mo 0.160，F(xiàn)e余量。試樣尺寸為φ2.87 cm×4 mm的圓柱體。實(shí)驗(yàn)前用砂紙將試樣打磨至表面光亮，再用丙酮和無(wú)水乙醇依次除油，去離子水沖洗后吹干稱(chēng)重，用硅膠對(duì)圓柱和連接線(xiàn)面進(jìn)行封樣，留有約6.5 cm2的圓柱體圓形底面作為工作面。

實(shí)驗(yàn)用土壤為上海地區(qū)某管道附近土壤，現(xiàn)場(chǎng)取樣為地下1 m，土壤電阻率為14.5 Ω·m。土壤成分如表1，含水率為24.5%。

表1 土壤成分

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)裝置為自行搭建的高壓直流土壤腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)裝置，裝置原理如圖1所示。該裝置由土壤實(shí)驗(yàn)箱、高壓直流電源、電位記錄儀、恒電位儀等設(shè)備組成。實(shí)驗(yàn)用土壤箱尺寸為25 cm×10 cm×10 cm，由CH恒電位儀連接的工作電極(WE)、輔助電極(CE)和硫酸銅參比電極(RE)組成的三電極體系構(gòu)成陰極保護(hù)系統(tǒng)。利用恒電位儀對(duì)試片施加-1.1 V的陰極保護(hù)電位，用于模擬現(xiàn)場(chǎng)處于陰極保護(hù)狀態(tài)的管道。由HSPY 400-01型高壓直流干擾電源連接工作電極與輔助電極，構(gòu)成直流干擾回路，用于模擬高壓直流對(duì)管道的干擾情況。干擾回路中串聯(lián)50 Ω的電阻，并用數(shù)據(jù)記錄儀記錄電阻兩端的電壓，用于評(píng)估直流電流，結(jié)合試樣暴露面積獲得直流電流密度。

實(shí)驗(yàn)裝置搭建完成后，首先利用恒電位儀組成的三電極體系對(duì)試片施加-1.1 V 的陰極保護(hù)電位，待陰極保護(hù)恒電位的輸出電流穩(wěn)定后，斷開(kāi)陰極保護(hù)恒電位儀。利用HSPY 400-01型高壓直流干擾電源對(duì)試片施加干擾電壓，干擾電壓分別為1.0，5.0，15.0 V，干擾時(shí)間為1 h。需要說(shuō)明的是，為了確定實(shí)驗(yàn)條件下干擾電壓的準(zhǔn)確性，對(duì)于0.3 V和-0.2 V的干擾電壓，采用CH恒電位儀施加干擾。每組實(shí)驗(yàn)平行樣為3個(gè)，實(shí)驗(yàn)流程為陰極保護(hù)-1 h干擾-陰極保護(hù)-1 h干擾-陰極保護(hù)-1 h干擾-陰極保護(hù)-1 h干擾-陰極保護(hù)-1 h干擾,每組干擾電壓下的實(shí)驗(yàn)流程共為5次干擾(5個(gè)測(cè)試次序)，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2。

表2 高壓直流土壤腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

1.3 形貌觀(guān)察和失重測(cè)試

高壓直流土壤腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，取出試片，在實(shí)驗(yàn)室分別對(duì)試片進(jìn)行物理清理和化學(xué)酸洗。物理清理主要是將試片表面沉積的泥土進(jìn)行清除。物理清理過(guò)程如下：試片在水中浸泡10 min左右，用毛刷清除掉表面的土壤覆蓋層，以觀(guān)察表面腐蝕產(chǎn)物顏色?；瘜W(xué)酸洗法是將物理清洗后的試片放入酸洗液中(500 mL鹽酸，鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%，3.5 g六次甲基四胺，加蒸餾水配制成1 000 mL溶液)進(jìn)行酸洗，其作用是清除掉試片表面的腐蝕銹層，便于觀(guān)察腐蝕形貌并對(duì)試片進(jìn)行失重分析[16]。采用精度為0.1 mg的分析天平對(duì)試片進(jìn)行稱(chēng)重以獲得腐蝕失重，腐蝕速率計(jì)算公式見(jiàn)式(1)：

(1)

式中：ν為腐蝕速率， mm/a；w1為實(shí)驗(yàn)前試片質(zhì)量，g；w2為實(shí)驗(yàn)后試片除銹后質(zhì)量，g；w3為空白失重樣，g；ρ為鐵的密度，g/cm-3；T為干擾時(shí)間，h；S為試片面積，cm2。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同干擾電壓下電流密度測(cè)試結(jié)果

上海地區(qū)土壤中X65管線(xiàn)鋼在1.0，5.0，15.0 V的干擾電壓下的電流密度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖2所示。由圖2可知，試片在不同干擾電壓下，隨著測(cè)試次序的增多，電流密度均呈現(xiàn)出先迅速下降后緩慢下降，最后逐漸趨于略有波動(dòng)但幅度不大的趨勢(shì)。對(duì)圖2中電流密度的穩(wěn)定值進(jìn)行匯總，匯總結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知，電流密度與干擾電壓呈現(xiàn)出正相關(guān)，干擾電壓越大，電流密度越大。1.0 V干擾電壓時(shí)電流密度穩(wěn)定值的平均值約為2.6 A/m2，5.0 V干擾電壓下電流密度穩(wěn)定值的平均值約為8 A/m2，15.0 V干擾電壓下電流密度穩(wěn)定值的平均值約為16.5 A/m2；利用不同干擾電壓下的電流密度值對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中腐蝕反應(yīng)進(jìn)行分析。根據(jù)歐姆定律I=U/R(式中，U為施加的干擾電壓，I為回路中的電流，即試片的電流，R為試片的對(duì)地電阻)，圖2的電流密度顯示隨著干擾電壓的增大，電流密度先迅速下降后緩慢下降，最終呈現(xiàn)出略有波動(dòng)，但是波動(dòng)幅度不大的狀態(tài)，即證明在某一特定干擾電壓下，試片對(duì)地電阻先增大后趨于穩(wěn)定。同時(shí)，根據(jù)接地電阻計(jì)算公式R=ρ/2d(式中，R為試片接地電阻，d為實(shí)驗(yàn)試片的直徑，ρ為試片周?chē)寥离娮杪?，實(shí)驗(yàn)中，試片面積不變，即試片直徑d不變，試片對(duì)地電阻的變化也反映了試片周?chē)寥莱煞值淖兓＞C上分析，電流密度變化的原因如下：模擬試驗(yàn)為盡量還原現(xiàn)場(chǎng)情況，在每次施加干擾前，試片在-1.1 V的陰極保護(hù)電位下長(zhǎng)時(shí)間處于極化狀態(tài)；而當(dāng)干擾開(kāi)始時(shí)，正向的干擾電壓會(huì)使試片迅速發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，表面電流密度瞬間最高；此外，試片表面有電流存在時(shí)，土壤中會(huì)出現(xiàn)熱效應(yīng)，加速試片表面土壤中水分的蒸發(fā)，造成土壤電阻率升高，而在恒定的干擾電壓條件下，電流密度將逐漸降低；當(dāng)反應(yīng)一段時(shí)間后，試片表面熱量減少，由于水在試樣周?chē)寥乐行纬闪藵舛忍荻?，發(fā)生了滲透現(xiàn)象，并且滲透作用與蒸發(fā)作用達(dá)到了平衡，因此電流密度在瞬間下降后保持相對(duì)穩(wěn)定。

2.2 腐蝕形貌與腐蝕失重結(jié)果

X65鋼試樣在上海地區(qū)土壤中施加-0.2 V至15.0 V的干擾電壓后腐蝕形貌，如圖4所示。試片表面均未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕坑，物理清洗后，1.0，5.0，15.0 V的試片表面黏附少量土壤，但未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕產(chǎn)物?；瘜W(xué)酸洗后，15.0 V試片表面存在少量均勻減薄現(xiàn)象，而其它試片表面均未發(fā)現(xiàn)腐蝕坑，-0.2 V和0.3 V試片表面仍可見(jiàn)打磨磨痕和金屬光澤。

高壓直流干擾對(duì)管道腐蝕速率有影響是實(shí)際中最為關(guān)注的問(wèn)題，一般情況下，高壓直流接地極每年放電總時(shí)長(zhǎng)占全年時(shí)間的比例不應(yīng)超過(guò)1%，按照每年1%的放電運(yùn)行時(shí)間，根據(jù)式(1)計(jì)算本實(shí)驗(yàn)不同干擾電壓下試片的腐蝕速率實(shí)測(cè)值，計(jì)算結(jié)果如圖5。由圖5可知，在-0.2～15.0 V的干擾電壓范圍內(nèi)，腐蝕速率與干擾電壓呈現(xiàn)正相關(guān)，隨著干擾電壓的增加，腐蝕速率逐漸增大。

根據(jù)Faraday定律，金屬的腐蝕快慢也可用腐蝕電流評(píng)價(jià)[17]，見(jiàn)式(2)和式(3)：

W=kQ=kIt

(2)

k=M/nF

(3)

其中，Q為通過(guò)的電量，C；k為比例常數(shù)，即電化學(xué)當(dāng)量；I為流過(guò)試片的電流，A；t為通電時(shí)間，s；n為電化學(xué)反應(yīng)中消耗或者生成的電子數(shù)；F為Faraday常數(shù)，96 500 C/g。

在干擾條件下，試片表面可能發(fā)生Fe=Fe2++2e的反應(yīng)。

則X65管線(xiàn)鋼試片理論失重見(jiàn)式(4)：

(4)

根據(jù)圖2中不同干擾電壓下的電流與時(shí)間的積分計(jì)算不同干擾電壓下的理論腐蝕速率。-0.2，0.3，1.0，5.0，15.0 V的干擾電壓下的腐蝕速率理論值和實(shí)測(cè)值的對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 理論腐蝕速率與實(shí)際腐蝕速率對(duì)比

由表3可知，用干擾時(shí)的腐蝕電流與時(shí)間變化積分計(jì)算得到的腐蝕速率與實(shí)際腐蝕失重計(jì)算的相對(duì)誤差隨著干擾電壓的增加而降低，當(dāng)干擾電壓大于0.3 V時(shí)，誤差均在10%以?xún)?nèi)。結(jié)果證明實(shí)際管道受高壓直流干擾時(shí)，監(jiān)測(cè)干擾期間的電流，并用電流與時(shí)間的積分而獲得腐蝕失重，可獲得與實(shí)際數(shù)值接近的理論腐蝕速率。

2.3 上海地區(qū)管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)分析

管材的腐蝕是時(shí)間累積的結(jié)果，考慮到不同的管道由于壁厚、服役環(huán)境等不同，可接受的腐蝕速率不能一概而論。ISO 15589中規(guī)定[18]，陰極保護(hù)管道腐蝕速率應(yīng)小于0.01 mm/a，NACE標(biāo)準(zhǔn)[19]中規(guī)定腐蝕速率小于0.025 4 mm/a，腐蝕風(fēng)險(xiǎn)低。此外，金屬防腐蝕手冊(cè)[20]認(rèn)為腐蝕速率低于0.10 mm/a，材料耐蝕。本工作分別以0.10 mm/a和0.01 mm/a為腐蝕速率指標(biāo)并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果對(duì)上海地區(qū)管道受高壓直流干擾腐蝕風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。根據(jù)腐蝕速率計(jì)算式(5)和式(6)：

ν=J×η×1.168

(5)

(6)

其中，ν為年腐蝕速率， mm/a；J為電流密度，A/m2；η為放電率；Q為單極運(yùn)行入地電流能量，kA·h；I1為最大允許的持續(xù)入地電流，A；I2為實(shí)際單極運(yùn)行入地電流，A；T為實(shí)際入地電流持續(xù)時(shí)間，h。 由式(5)、式(6)可知，腐蝕蝕速率與電流密度和入地電流持續(xù)時(shí)間均有關(guān)。本工作的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在15.0 V的干擾電壓范圍內(nèi)，電流密度先下降后緩慢下降，最后逐漸趨于略有波動(dòng)但幅度不大的趨勢(shì)，且電流密度穩(wěn)定值與干擾電壓正相關(guān)，因此對(duì)于高壓直流干擾，腐蝕速率與入地電流持續(xù)時(shí)間有關(guān)。利用圖3中不同干擾電壓條件下的電流密度穩(wěn)定值，并分別以0.100 0，0.025 4，0.010 0 mm/a的腐蝕速率邊界對(duì)上海地區(qū)高壓直流接地極放電對(duì)管道的干擾時(shí)長(zhǎng)和干擾電壓進(jìn)行匯總，二者的安全邊界分別見(jiàn)表4和圖6。考慮到不同地區(qū)土壤特性差異較大，表4和圖6中的安全邊界只適合于上海地區(qū)土壤，但該腐蝕安全邊界計(jì)算方法可以沿用至其它地區(qū)。

表4 上海地區(qū)最大干擾電壓對(duì)應(yīng)放電時(shí)長(zhǎng)

3 結(jié) 論

(1)上海地區(qū)土壤中X65管線(xiàn)鋼在1.0，5.0，15.0 V的干擾電壓下，腐蝕電流密度均呈現(xiàn)出先下降后趨于相對(duì)穩(wěn)定的趨勢(shì)，電流密度分別為2.6，8.0，18.0 A/m2。電流密度變化的原因主要是因?yàn)楦蓴_電壓造成短時(shí)間內(nèi)試片周?chē)植客寥离娮杪试黾铀隆?/p>

(2)腐蝕速率隨干擾電壓的加大而逐漸增大。由Faraday定律計(jì)算得到的理論腐蝕速率與實(shí)際腐蝕速率誤差較低，表明腐蝕速率符合法拉第定律。

(3)根據(jù)不同干擾電壓下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)0.010 0，0.100 0，0.025 4 mm/a的腐蝕速率與干擾時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行安全邊界值初步計(jì)算，預(yù)測(cè)了上海地區(qū)管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。