李彩霞,劉 洋,許振昌,杜艷霞

(北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院,北京 100083)

相比于高壓交流輸電技術(shù),高壓直流(HVDC)輸電技術(shù)在長距離、大容量輸電等方面占據(jù)優(yōu)勢,且具有低損耗、可實(shí)現(xiàn)不同電網(wǎng)互聯(lián)等優(yōu)點(diǎn),因此,近些年HVDC輸電系統(tǒng)在我國大規(guī)模建設(shè)。HVDC輸電主要有雙極運(yùn)行和單極運(yùn)行2種運(yùn)行模式,其中,雙極運(yùn)行可認(rèn)為是2套單極運(yùn)行的耦合,在檢修或故障時會自動轉(zhuǎn)入單極運(yùn)行模式。當(dāng)其以單極大地回線方式運(yùn)行時,使用大地作為電流回路的一部分,大量直流電流由一端接地極注入大地并沿大地流向另一端接地極。入地電流可能被附近的埋地金屬結(jié)構(gòu)物吸收、傳遞、釋放,造成嚴(yán)重的直流干擾,帶來人身傷害、設(shè)備損壞和金屬腐蝕風(fēng)險[1]。

全世界已經(jīng)報道了多起地下金屬設(shè)施受到HVDC干擾的案例。Quebec-New England Intertie高壓直流系統(tǒng)單極運(yùn)行對周圍金屬結(jié)構(gòu)物造成了直流干擾,附近原油和天然氣管道的管地電位偏移900 mV[2];CAROLI等[3]研究表明距離巴西Ibiúna接地極東南3 km處的灌溉管道受±600 kV直流輸電工程的干擾,當(dāng)管道中部通過絕緣法蘭隔離時,該位置的管道對土壤的電勢從21 V下降到-46 V,足以引起電擊。BI等[4]測試了受哈密南接地極干擾的西氣東輸管道,當(dāng)放電電流為5 000 A時,在距接地極約35 km處管道的極化電位由-0.85 V正向偏移至約0.5 V,表明存在高風(fēng)險腐蝕。秦潤之等[5]測量了距從化接地極7 km管道的管地電位和泄漏電流密度。結(jié)果發(fā)現(xiàn):當(dāng)接地極陰極放電3 200 A時,距離接地極最近位置的管地電位高達(dá)304 V,峰值泄漏電流密度達(dá)82 A/m2;當(dāng)接地極陽極放電為2 400 A時,管地電位的最大值和峰值泄漏電流密度分別是-211 V和-488 A/m2。

以上案例表明,高壓直流輸電系統(tǒng)接地極單極運(yùn)行會對埋地管道造成較大的干擾,同國外案例相比,國內(nèi)案例具有干擾電位幅值高、影響范圍大等特點(diǎn),但目前國內(nèi)關(guān)于大幅值高壓直流干擾對管道的腐蝕危害缺乏準(zhǔn)確認(rèn)識和有效評判方法。部分學(xué)者近年來開展了室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究,以探討高壓直流干擾下不同參數(shù)的變化規(guī)律及對管道腐蝕行為的影響[6-13]。李丹丹[10]在NS4土壤模擬溶液和管道沿線土壤中開展了室內(nèi)模擬試驗(yàn),研究了HVDC干擾強(qiáng)度對管道腐蝕行為的影響,認(rèn)為試樣在NS4土壤模擬溶液和管道沿線土壤中試樣分別腐蝕5 d和14 d后,電流流出點(diǎn)的腐蝕速率與電流密度呈線性相關(guān)。符傳福等[11]在含水率為15.80%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的海南土壤中進(jìn)行了室內(nèi)直流干擾腐蝕模擬試驗(yàn),結(jié)果表明,當(dāng)平均電流密度達(dá)到14.2 A/m2時,Q235鋼的腐蝕速率約為16.71 mm/a。秦潤之等[12]通過室內(nèi)模擬試驗(yàn),同步監(jiān)測了直流電流密度、試樣周圍局部環(huán)境參數(shù)、腐蝕速率、腐蝕形貌,研究了高壓直流干擾下X80鋼在廣東黏土中的腐蝕行為,得出干擾下電流密度呈現(xiàn)3階段變化規(guī)律,但電流密度數(shù)值有差異。張慧等[13]研究了高壓直流干擾下X80鋼在不同含水率的廣東黏土中的腐蝕行為,結(jié)果表明,土壤含水率越高,X80鋼的腐蝕速率越大。已有研究表明土壤環(huán)境是影響高壓直流干擾下管線鋼腐蝕速率的重要因素,但目前缺少管線鋼在不同環(huán)境中遭受高壓直流干擾情況下的腐蝕速率對比分析。

筆者通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)比較了大幅值高壓直流干擾電位下X80管線鋼在黏土和砂土兩種實(shí)際土壤環(huán)境中的腐蝕速率、電流密度、試樣周圍局部環(huán)境參數(shù)、腐蝕形貌的差異,以期得到X80鋼腐蝕行為與土壤環(huán)境的關(guān)系。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

試驗(yàn)材料為X80鋼,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:C 0.070%,Si 0.21%,Mn 1.61%,P 0.0081%,S 0.0025%,Mo 0.13%,Ni 0.12%,Cu 0,14%,Nb 0.041%,Ti 0.012%,Fe余量。

將X80鋼加工成尺寸為φ18 mm×3 mm的圓柱體試樣,用SiC砂紙(200～8000號)逐級打磨試樣表面,使之光滑并無明顯劃痕后,用丙酮超聲波水浴清洗,以清除表面油脂,用無水乙醇沖洗并用冷風(fēng)快速吹干后編號,采用精度為0.1 mg的電子天平稱量并記錄原始質(zhì)量。最后將試樣放入聚四氟乙烯夾具中,背面與導(dǎo)線相連,僅暴露正面特定的工作面積。

試驗(yàn)介質(zhì)為兩種實(shí)際土壤,一種為取自四川的黏土,另一種為取自新疆的砂土。兩種土壤的電阻率、含水率和及離子組成(5 g土壤溶于30 mL去離子水后測得質(zhì)量濃度,mg·L-1)如表1所示。

表1 兩種土壤的電阻率、含水率和離子含量Tab. 1 Resistivity, water content and ion content of the soils

1.2 試驗(yàn)裝置

搭建了高壓直流干擾模擬試驗(yàn)裝置,如圖1所示,裝置回路包括土壤實(shí)驗(yàn)箱、干擾回路和測試回路。土壤實(shí)驗(yàn)箱尺寸為20 cm×10 cm×8 cm,采用三電極體系,即工作電極(WE,X80鋼試樣)、飽和甘汞參比電極(RE)和輔助電極(CE,Cu板)。直流干擾回路由HSPY-400-01型直流電源連接工作電極與輔助電極構(gòu)成,干擾回路中串聯(lián)有10 Ω的分流電阻和記錄儀,用于評估直流電流,記錄儀計(jì)數(shù)頻率為1 s,結(jié)合試樣暴露面積獲得直流電流密度。測試回路由 Gamry Reference 3000型電化學(xué)工作站連接三電極體系構(gòu)成。

1.3 試驗(yàn)方法

如圖1所示,試驗(yàn)裝置搭建完成后靜置2 h,待試樣開路電位穩(wěn)定后,通過直流電源施加100 V干擾電位1 h。用記錄儀監(jiān)測分流電阻電位的變化,并使用分流電阻和記錄儀監(jiān)測試樣上電流密度的變化。

圖1 高壓直流干擾模擬試驗(yàn)裝置示意Fig. 1 Schematic diagram of HVDC interference simulation test device

為了考察高壓直流干擾過程中試樣周圍局部環(huán)境的變化,監(jiān)測了試樣在土壤中擴(kuò)散電阻(Rsoil)的變化。Rsoil代表試片與參比電極之間單位面積的電阻(Ω·cm2),與試樣的形狀、面積及土壤電阻率等因素相關(guān)[14-15],Rsoil的計(jì)算公式見式(1)。

(1)

式中:UAC是試樣的交流電壓,V;JAC是流經(jīng)試樣的交流電流密度,A/cm2;S是試樣面積,cm2。高壓直流干擾過程中,通過電化學(xué)工作站測試干擾前后試片和參比電極之間擴(kuò)散電阻的變化,擾動交流電頻率為50 Hz,電流密度為1 A/m2。

為了考察高壓直流干擾過程中試樣周圍局部環(huán)境的變化,監(jiān)測了試樣近表面含水率的變化。干擾結(jié)束后,將距試樣表面1 cm的土壤取出,通過烘干法計(jì)算試樣近表面土壤的含水率。

干擾試驗(yàn)結(jié)束后,將試樣取出并用毛刷清理浮土,用相機(jī)拍照,觀察宏觀腐蝕形貌。然后使用D8 Advance型X射線衍射儀對腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行物相分析;使用日立GSM-6510A型掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀形貌觀察及元素成分分析。

采用酸洗液(500 mL鹽酸+500 mL去離子水+3.5 g六次甲基四胺)浸泡試樣15 min以去除表面的腐蝕產(chǎn)物,隨后使用去離子水沖洗、酒精超聲波清洗,待試樣清洗完畢用冷風(fēng)吹干。最后,使用精度為0.000 1 g的電子天平稱量以獲得腐蝕質(zhì)量損失,腐蝕速率由公式(2)計(jì)算得出。

(2)

式中:Vcorr為腐蝕速率,μm/h;W0為試樣腐蝕前質(zhì)量,g;W為試樣腐蝕后質(zhì)量,g;S為試樣暴露的面積,cm2;t為測試時間,h;ρ為試樣的密度,g/cm3。

2 結(jié)果與討論

2.1 高壓直流干擾下試樣的腐蝕速率和宏觀腐蝕形貌

由圖2可見:經(jīng)過1 h高壓直流干擾(100 V),試樣在黏土和砂土環(huán)境中的腐蝕速率分別為10.77 μm/h和1.27 μm/h,即在相同的高壓直流干擾條件下,試樣在黏土中的腐蝕速率是在砂土中的8.5倍。

圖2 100 V高壓直流干擾1 h條件下,試樣在不同土壤環(huán)境中的腐蝕速率Fig. 2 Corrosion rates of samples in different soil environments under the condition of 100 V HVDC for 1 hour

由圖3可見:經(jīng)過1 h高壓直流干擾后,在兩種環(huán)境中的試樣發(fā)生了不同程度的腐蝕。黏土中試樣表面腐蝕產(chǎn)物較為疏松,大量的紅褐色和墨綠色腐蝕產(chǎn)物交雜在一起,腐蝕不均勻;酸洗后,基體光澤消失。砂土中試樣表面腐蝕產(chǎn)物較松散,呈黃褐色,質(zhì)地較疏松。將試樣與表面土壤分離時部分腐蝕產(chǎn)物會脫落,且有部分難以分離的土壤留在試樣表面。黏土中試樣的腐蝕程度明顯比砂土中的嚴(yán)重。

(a) 黏土環(huán)境,酸洗前 (b) 沙土環(huán)境,酸洗前

(c) 黏土環(huán)境,酸洗后 (d) 沙土環(huán)境,酸洗后圖3 100 V高壓直流干擾1 h后,試樣在不同土壤環(huán)境中的腐蝕形貌Fig. 3 Corrosion morphology of samples in clay soil environment (a,c) and sandy soil environment (b,d) after 1 hour of 100 V HVDC interference

2.2 高壓直流干擾過程中試樣的電流密度變化規(guī)律

由圖4可見:在黏土和砂土環(huán)境中,試樣的電流密度變化曲線均呈現(xiàn)了三個階段,即干擾施加瞬間,試樣的直流電流密度迅速上升;達(dá)到峰值后,電流密度快速下降;最后電流密度趨于穩(wěn)定,略有波動但幅度不大。在黏土環(huán)境中,高壓直流干擾電位施加瞬間,電流密度瞬時增大到678 A/m2;然后電流密度快速下降,約在600 s時下降速率逐漸減小;最后電流密度趨于穩(wěn)定,穩(wěn)定值約為80 A/m2,局部出現(xiàn)小幅波動,電流密度穩(wěn)定值約占峰值的11.8%。在砂土環(huán)境中,高壓直流干擾電位施加瞬間,試樣的電流密度瞬時增加到35 A/m2;然后電流密度快速下降,在約680 s時下降速率逐漸減小;最后電流密度趨于穩(wěn)定,穩(wěn)定值約為3 A/m2,電流密度穩(wěn)定值約占峰值的8.5%。即試樣在黏土環(huán)境中的電流密度峰值和穩(wěn)定值分別是在砂土環(huán)境中的19倍和27倍。

(a) 黏土環(huán)境

(b) 砂土環(huán)境圖4 100 V高壓直流干擾下,試樣在兩種環(huán)境中的腐蝕電流密度變化曲線Fig. 4 Corrosion current density variation curve of the sample under 100 V HVDC interference in clay soil environment (a) and sandy soil environment (b)

2.3 高壓直流干擾下試樣周圍局部土壤的環(huán)境參數(shù)

由圖5可見:干擾前,黏土和砂土中試樣近表面土壤含水率分別為21%和6.2%,黏土中試樣近表面土壤含水率是砂土的3.4倍;經(jīng)過1 h干擾后,黏土中試樣近表面土壤含水率為13.04%,較干擾前下降了7.96%,砂土中試樣近表面土壤含水率為5.6%,較干擾前僅下降了0.6%。

圖5 100 V高壓直流干擾前后,不同環(huán)境中試樣近表面土壤的含水率Fig. 5 Moisture content of soil near the surface of samples in different environments before and after 100 V HVDC interference

由圖6可見:干擾前,黏土和砂土的Rsoil分別為0.912 kΩ·cm2和20.26 kΩ·cm2,砂土的Rsoil是黏土的22.2倍;經(jīng)過1 h干擾后,黏土中Rsoil為3.021 kΩ·cm2,是干擾前的3.3倍,砂土中Rsoil為32.7 kΩ·cm2,是干擾前的1.6倍。

圖6 100 V高壓直流干擾前后,不同環(huán)境中試樣近表面土壤的擴(kuò)散電阻Fig. 6 Rsoil of soil near the surface of samples in different environments before and after 100 V HVDC interference

2.4 高壓直流干擾下試樣表面微觀腐蝕形貌和成分

由圖7可見:經(jīng)過1 h高壓直流干擾后,黏土中試樣表面存在大量薄片狀和花狀的產(chǎn)物,分析認(rèn)為該產(chǎn)物為γ-FeOOH,局部區(qū)域出現(xiàn)大塊平坦的黑色層片,可能為Fe3O4,同時觀察到基體局部出現(xiàn)裂紋;XRD結(jié)果表明,腐蝕產(chǎn)物主要為γ-FeOOH、Fe2O3和Fe3O4[16-20]。

(a) SEM

(b) XRD圖7 100 V高壓直流干擾1 h后,黏土環(huán)境中試樣表面腐蝕產(chǎn)物的SEM形貌及和XRD圖譜Fig. 7 SEM morphology (a) and XRD pattern (b) of corrosion products on the surface of sampels in clay soil after 100 V HVDC interference for 1 hour

由圖8可見:經(jīng)過1 h高壓直流干擾后,砂土中試樣表面腐蝕產(chǎn)物是松散且均勻分布的,部分區(qū)域沒有腐蝕痕跡,甚至可以觀察到制樣過程中基體表面的劃痕。采用XRD只能測得腐蝕產(chǎn)物中含有基體中的Fe及土壤中的SiO2。

(a) SEM

(b) XRD圖8 100 V高壓直流干擾1 h后,砂土環(huán)境中試樣表面腐蝕產(chǎn)物的SEM形貌及和XRD圖譜Fig. 8 SEM morphology (a) and XRD pattern (b) of corrosion products on the surface of sampels in sandy soil after 100 V HVDC interference for 1 hour

2.5 討論

綜上,經(jīng)過100 V高壓直流干擾1 h后,試樣在黏土和砂土環(huán)境中的腐蝕速率分別為10.77μm/h和1.27 μm/h,試樣在黏土環(huán)境中的腐蝕速率是在砂土環(huán)境中的8.5倍,兩者差異較大。高壓直流干擾過程中,黏土和砂土環(huán)境中試樣的電流密度均呈現(xiàn)3階段變化規(guī)律,而試樣在黏土環(huán)境中的電流密度峰值和穩(wěn)定值分別為678 A/m2和80 A/m2,在砂土環(huán)境中的電流密度峰值和穩(wěn)定值分別為35 A/m2和3 A/m2,即干擾過程中,試樣在黏土環(huán)境中的電流密度大于在砂土環(huán)境中的,這與試樣在兩種環(huán)境中腐蝕速率測量結(jié)果相對應(yīng)?？梢哉J(rèn)為試樣在兩種土壤中的腐蝕速率差異較大是由電流密度引起的。結(jié)合歐姆定律,電流密度與試樣在土壤中的擴(kuò)散電阻呈反比,干擾前,試樣在黏土環(huán)境中的擴(kuò)散電阻為0.912 kΩ·cm2,在砂土環(huán)境中的擴(kuò)散電阻為20.26 kΩ·cm2,是在黏土中的22.2倍;干擾后,試樣在黏土環(huán)境中的擴(kuò)散電阻為3.021 kΩ·cm2,在砂土環(huán)境中的擴(kuò)散電阻為32.7 kΩ·cm2,是在黏土中的10.8倍。干擾過程中,試樣在砂土環(huán)境中的擴(kuò)散電阻均大于黏土環(huán)境中的,導(dǎo)致試樣在黏土環(huán)境中的電流密度更大。干擾前,黏土和砂土的土壤電阻率分別為27.7 Ω·m和388 Ω·m,砂土的土壤電阻率是黏土的14倍;干擾后,由于只是試樣周圍局部土壤環(huán)境發(fā)生了變化,無法測得干擾后的土壤電阻率,故根據(jù)擴(kuò)散電阻和土壤電阻率的關(guān)系,黏土和砂土的土壤電阻率分別為69 Ω·m和743 Ω·m,砂土的土壤電阻率是黏土的10.8倍,干擾過程中砂土的土壤電阻率大于黏土,導(dǎo)致了砂土中的擴(kuò)散電阻大于黏土。土壤電阻率主要取決于土壤含水率,土壤越濕,含水率越高,導(dǎo)電性能就越好,土壤電阻率就越小;反之就越大。干擾前后,黏土的含水率均大于砂土,所以干擾過程中黏土的土壤電阻率小于砂土。

高壓直流干擾過程中腐蝕產(chǎn)物的生成過程均為Fe2+生成Fe(OH)2進(jìn)而與O2結(jié)合,并伴隨脫水反應(yīng)。100 V高壓直流干擾1 h后,砂土中試樣的腐蝕速率較小,腐蝕程度較輕,不能確定腐蝕產(chǎn)物。黏土中試樣的主要腐蝕產(chǎn)物為γ-FeOOH、Fe2O3和Fe3O4,反應(yīng)見式(3)～(7)。

(3)

(4)

(5)

(6)

3Fe3O4+4H2O

(7)

利用歐姆定律測得試樣在黏土環(huán)境中的電流密度穩(wěn)定值為331 A/m2,遠(yuǎn)大于實(shí)測值80 A/m2。這可能是由于電流密度穩(wěn)定值是干擾電位、熱量的產(chǎn)生與擴(kuò)散、水分的滲透、土壤結(jié)構(gòu)與物化性質(zhì)等多種因素共同作用的結(jié)果,分流電阻的電流測試存在誤差、分流電阻的電流與流經(jīng)試樣的電流存在誤差、土壤擴(kuò)散電阻測試存在誤差等最終造成測量結(jié)果存在誤差。

3 結(jié)論

(1) 100 V高壓直流干擾1 h后,X80鋼試樣在黏土和砂土環(huán)境中的腐蝕速率分別為10.77 μm/h和1.27 μm/h,說明土壤環(huán)境對于高壓直流干擾腐蝕速率評估有重要影響。

(2) 高壓直流干擾過程中黏土和砂土中試樣的電流密度均呈現(xiàn)3階段變化規(guī)律,在黏土中的電流密度峰值和穩(wěn)定值分別為678 A/m2和80 A/m2,在砂土中的電流密度峰值和穩(wěn)定值分別為35 A/m2和3 A/m2,這與試樣在黏土中的腐蝕速率大于砂土中的相對應(yīng)。

(3) 結(jié)合歐姆定律,電流密度與試樣在土壤中的擴(kuò)散電阻呈反比關(guān)系,干擾前后,試樣在砂土中的擴(kuò)散電阻分別是黏土的 22.2倍和10.8倍,試樣在黏土中的電流密度大于在砂土中的。

(4) 100 V高壓直流干擾1 h后,XRD結(jié)果表明黏土中試樣表面的主要腐蝕產(chǎn)物為γ-FeOOH、Fe2O3和Fe3O4;而砂土中試樣的腐蝕速率較小,腐蝕程度較輕,只能測出試樣基體的Fe和土壤中的SiO2。