埋地金属管道交流干扰腐蚀

许立宁，朱金阳，徐 欣，余和初，路民旭

（1.北京科技大学 新材料技术研究院 腐蚀与防护中心，北京100083；2.北京声迅电子股份有限公司，北京100085）

随着全球经济的快速发展，能源需求日益旺盛，输送石油或天然气的埋地管道也加速建设。埋地金属管道如果与高压交流输电线路等电力设施并行建设，可能遭受交流干扰而发生严重腐蚀［1］，国内外已发生多起管道泄漏事故。1991年，加拿大的Kitchener市发现输气埋地管道受间隔14m远的高压线影响，交流干扰电压达8V，运行四年后出现腐蚀失效［2］。交流干扰腐蚀已成为腐蚀研究领域的热点，每年有大量文献报道。早期试验研究集中于交流电位或电流极化对金属腐蚀速率的影响上，普遍认为随着交流峰值电压的增大，腐蚀速率加快［3］。后来研究发现，交流腐蚀速率并不直接受交流电压的影响，起主要作用的是交流电频率和交流电流密度［4］。Gummow［5］根据前人的研究和对交流腐蚀案例的调查得出，面积为1～3cm2的缺陷具有最高的交流腐蚀速率。Nielsen［6］根据案例调查和现场试验，认为埋地管道涂层缺陷处局部环境碱性化和交流电压在金属／介质界面的振荡作用诱发埋地管道发生交流腐蚀。目前，腐蚀产物特性对交流干扰腐蚀的影响仍然缺乏系统的研究，本工作搭建了交流干扰腐蚀模拟试验装置，研究了腐蚀产物沉积随交流电流密度的变化规律，并观察了腐蚀产物微观形貌，初步探讨了交流干扰腐蚀规律。

1 试验

采用图1所示的装置来进行交流干扰试验，利用交流电源，在试样上施加交流电流，模拟管道上感应的交流电。虽然埋地管道实际服役环境中，多是由于电感耦合而产生交流腐蚀，但是在实验室进行模拟试验时，为了能够准确控制交流电流的加载，选用了电阻耦合方式来施加交流电，这种方法也能很好地反映交流干扰腐蚀规律。

图1 模拟交流干扰腐蚀试验装置示意图

交流电源型号BP6005，苏州沃森电设备有限公司生产。选用饱和甘汞电极作为参比电极，使用碳棒作为辅助电极。工作电极为X70管线钢，加工成φ3mm×15mm的圆柱形试样，如图2所示。试样工作面为圆柱的底面，试验前将试样表面逐级打磨至1 500＃砂纸，去离子水清洗，丙酮除油，冷风吹干后对试样进行标号，称量见图1。连接导线后，除工作面外用硅胶封涂，保证其余部分不发生腐蚀。腐蚀介质为模拟土壤溶液，成分及含量见表1。

图2 模拟交流干扰腐蚀试验所用的试样

表1 模拟土壤溶液成分 %

具体试验条件见表2。试验过程中每隔一定时间记录试样的交流电压和交流电流值，试验周期为96h，每组试验采用3个平行样。表2中给出的交流电流密度值是试验开始时的加载值，随着试验的进行，由于腐蚀产物沉积等因素，电流或电流密度可能下降，在试验过程中，未对交流电源的输出进行调节。

试验结束后，对试样表面腐蚀产物进行体式显微镜观察、拍照，然后利用SEM观察腐蚀产物表面形貌。酸洗去除腐蚀产物后称量，并利用SEM观察试样表面形貌。酸洗按照GB／T 16545进行，酸洗液配比为HCl（500mL，ρ＝1.19g·mL-1）＋去离子水（500mL）＋六次甲基四胺（3.5g）。

表2 交流干扰腐蚀试验条件

2 结果与讨论

2.1 腐蚀失重

不同初始交流电流密度下腐蚀失重如图3所示。当初始电流密度为21×103A·m-2时，试样的腐蚀失重是初始电流密度为14×103A·m-2试样的20多倍，说明加载于试样上的交流电流密度增大后，腐蚀速率可能会显著增大，与文献［7］结论相符，交流电流密度是影响交流干扰腐蚀的主要因素之一。

图3 未施加阴极保护电位下交流电流密度对腐蚀失重的影响

2.2 宏观腐蚀形貌

图4 为上述两电流密度条件下去除腐蚀产物后表面宏观形貌，电流密度为21×103A·m-2试样除了腐蚀状况更严重外，表面不同部位的腐蚀深度差别也较大，圆柱试样中心发生了严重的腐蚀，形成深坑，可能是中心部位主要发生阳极反应所致。

图4 交流腐蚀后试样去除腐蚀产物表面形貌

此外，由图3可知，初始电流密度为14×103A·m-2时（2＃试样），试样的腐蚀失重小于电流密度为7×103A·m-2的试样（1＃试样），为了找到初始腐蚀电流较高而腐蚀失重较低的原因，监测了不同时间下1＃和2＃两试样的腐蚀电流，如图5所示。2＃试样的初始交流电流（100mA）是1＃试样的一倍，但在腐蚀中、后期，交流电流急剧降低（至0.8mA）；而1＃试样虽然腐蚀后期交流电流也下降，但试验结束时仍保持9.6mA，因而交流电流密度降低是导致2＃试样比1＃试样腐蚀轻微的主要原因。而交流电流的降低与表面沉积的腐蚀产物密切相关，因此对交流干扰产生的腐蚀产物进行了深入分析。

图5 3个试样交流电流随时间的变化规律

2.3 腐蚀产物分析

对交流腐蚀后试样表面沉积的腐蚀产物进行了体式显微镜观察，结果如图6所示。2＃试样的腐蚀产物呈火山口状堆积，而1＃试样表面均匀覆盖着较为致密腐蚀产物。在去除腐蚀产物过程中，发现2＃试样腐蚀产物的致密度高于1＃试样，因此认为电流密度为14×103A·m-2试样（2＃）腐蚀失重下降的原因可能与腐蚀产物的保护性有关。

对比1＃和2＃试样的腐蚀产物沉积过程可知，1＃试样在整个试验周期内没有观察到宏观气泡从表面逸出，腐蚀产物均匀堆积，逐渐变厚。而2＃试样腐蚀初期表面有大量气体生成，随后气体逸出量变小；腐蚀中期腐蚀产物形成中间有孔的火山状堆积，之后表面不再有气体生成，同时交流电流急剧降低接近零，说明此时火山口处也被腐蚀产物堵塞，因而去除腐蚀产物后试样中心腐蚀深度与周围差别不大，见图4（a）。图7为1＃和2＃试样腐蚀产物膜的微观形貌。在1＃试样表面沉积的腐蚀产物中，存在一定的孔洞和裂纹，而2＃试样腐蚀产物连续完整，内部缺陷较少。因此，交流干扰腐蚀的严重程度，除了与初始电流密度直接相关外，还与表面腐蚀产物的沉积有关。当腐蚀产物沉积较为致密时，会使腐蚀电流下降，腐蚀速率有降低的倾向。

3＃试样的试验结果也基本上体现了这一规律，试验完毕后，3＃试样表面覆盖的腐蚀产物宏观形貌如图8所示，腐蚀产物较为疏松。3＃试样的电流随腐蚀的进行，逐渐增大（见图5），最大时为247mA（初始电流为150mA），而1＃和2＃试样的电流随时间延长而显著降低。因而3＃试样腐蚀失重明显高于1＃和2＃试样的原因是电流的升高，而电流的升高与腐蚀产物特性可能存在一定关联，这将在后续试验中重点加以研究。

图8 3＃试样表面腐蚀产物宏观形貌

本工作所采用的试验装置较为简单，可能无法真实还原埋地管道所处的交流干扰环境，但试验结果中所反映出的规律，有助于深化对交流腐蚀的理解。交流干扰可能会使管道附近土壤中pH发生变化，此外，不同条件下生成的腐蚀产物，其成分也会变化，这些将在后续研究中重点进行分析。

3 结论

（1）利用电阻耦合的方式施加交流干扰，腐蚀的严重程度与交流电流密度直接相关；

（2）如果不对交流电源的输出进行调节，交流电流密度会随着致密腐蚀产物的沉积而显著降低。

［1］Martin B.A history of stray current corrosion［J］.Corrosion ＆Materials，2006，31（3）：12-14.

［2］Wakelin R G，R A Gummow，S M Segall.AC corrosion-case histories，test procedures and mitigation［C］／／Houston：NACE，1998，Paper No.565.

［3］李自力，杨燕.金属管道交流腐蚀研究新进展［J］.石油学报，2012，33（1）：164-171.

［4］胡士信，路民旭，杜艳霞.管道交流腐蚀的新观点［J］.腐蚀与防护，2010，31（6）：419-424.

［5］Gummow R A，Wakelin R G，Segall S M.AC corrosion-a new challenge to pipeline integrity［C］／／Houston：：NACE，1998，Paper No.566.

［6］Nielsen L V，Galsgaard F.Sensor technology for online monitoring of AC-induced corrosion along pipelines［C］／／Houston：NACE，2005，Paper No.375.

［7］Xu L Y，Su X，Yin Z X，et al.Development of a realtime AC／DC data acquisition technique for studies of AC corrosion of pipelines［J］.Corrosion Science，2012，61（1）：215-223.