郭 勇， 丁繼峰， 高志賢， 尹 安， 張 波， 楊朝暉， 李向陽

(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內(nèi)大范圍建設(shè)，交流干擾影響隨之而來，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越受到了人們的重視。在沒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)管道的腐蝕問題更加復(fù)雜化。 據(jù)報(bào)道，歐洲、北美和我國曾發(fā)生過多起交流干擾腐蝕，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)過程中，開挖檢測(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)，在沒有陰極保護(hù)條件下，通過室內(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?。划?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 或更小；在測(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，輔助陽極為碳棒。 交流電源用來提供頻率為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。

本文中所有沒有說明的電位均是相對(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有明顯負(fù)移。 隨著輸出電壓繼續(xù)下降，斷電電位開始下降，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程中非對(duì)稱分布，且在直流輸出電壓下降過程中，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試片法或探頭法測(cè)試獲得。 本試驗(yàn)通過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外標(biāo)準(zhǔn)中交流腐蝕的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中英國標(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)電流的角度來抑制交流雜散電流的腐蝕，需要通過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)過程中，通過有規(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)稱性變化，試片的極化過程不可逆。 在直流輸出電壓增大的過程中，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)不能僅僅通過增大陰極保護(hù)電流的方式來實(shí)現(xiàn)，而是需要通過降低試片上交流干擾電流的方式來實(shí)現(xiàn)。