埋地钢质管道直流杂散电流腐蚀机理及影响因素研究

李长春　李志宏　王晨　安成名

摘 要：本文通过实验对埋地钢质管道直流杂散电流腐蚀机理及影响因素进行研究，认为：（1）直流杂散电流腐蚀机理为阳极区金属失去电子由铁变为铁离子，阴极区发生电解水化学反应；（2）直流杂散电流腐蚀速率与电流强度呈线性相关；（3）杂散电流强度相同，腐蚀速率随土壤电阻率增大而下降；（4）直流杂散电流电压相同，腐蚀速率随土壤电阻率减小而增大。

关键词：直流杂散电流；腐蚀；影响因素

中图分类号：TG174 文献标识码：A

0.引言

国内地铁轨道交通以直流供电第三轨回流作为主要供电方式，由于第三轨与大地不能做到完全绝缘，导致部分电流流入大地进而流入与地铁紧邻的钢质管道上，造成直流杂散电流腐蚀。本文对直流杂散电流腐蚀机理及影响因素进行研究，旨在从本质上了解埋地钢质管道直流杂散电流腐蚀，为直流杂散电流防护提供一定依据。

1.实验设计

1.1 实验材料及制备

（1）腐蚀试片。实验试片为I型标准腐蚀试片，尺寸50×25×2（mm），裸露面积28cm2，材质为埋地钢质管道常用的20#钢。（2）腐蚀介质。直流杂散电流腐蚀机理实验采用NaCl溶液（模拟土壤中的主要盐类）作为腐蚀电解质，与纯净水按质量1∶30的比例组成电解质溶液。直流杂散电流腐蚀影响因素实验采用4组不同土壤电阻率的土壤进行实验，土壤电阻率分别为9.4Ω·m、54.5Ω·m、 94Ω·m、258Ω·m（取所测量土壤电阻率处表层土壤）。（3）实验前试片的表面处理。用高级脂肪酸钠溶液洗掉表面油污，清洗后的干净试片放置于干燥器内数小时后称重，记录每片试片的初始重量mL。

1.2 实验装置

以恒流源模拟直流杂散电流，试片通过导线与电源正极相连，模拟管道的腐蚀区域，输出的电流通过试片、电解质溶液、铜导线电极形成回路。试片和铜电极分别作为腐蚀电池的阳极和阴极。

1.3 实验参数

直流杂散电流腐蚀机理及电流强度影响实验参数：电流强度分别为0.1A、0.5A、1A、1.5A、3A，腐蚀时间均为1h。杂散电流强度相同，土壤电阻率对腐蚀速率影响实验参数：土壤电阻率9.4Ω·m、54.5Ω·m、94Ω·m、258Ω·m，腐蚀时间为132h，电流强度为0.01A。直流杂散电流电压相同，土壤电阻率对腐蚀速率影响实验参数：土壤电阻率9.4Ω·m、54.5Ω·m，腐蚀时间为8h，直流电压50V。

1.4 腐蚀产物的清除、称重、腐蚀速率计算

完成腐蚀实验后，取出试片，按以下步骤去除表面的腐蚀产物：（1）用纯净水冲洗去除试片表面的疏松腐蚀产物；（2）用橡胶皮擦洗试片表面直至疏松腐蚀产物清除干净；（3）将试片烘干，用天平称量试片的重量，记为m2；（4）腐蚀速率计算：

2.实验结果

2.1 直流杂散电流腐蚀现象及腐蚀机理

（1）腐蚀产物。电源接通后，阴极附近出现气泡并在液面形成雾状挥发物，阳极（腐蚀试片）表面逐渐生成浅绿色絮状腐蚀产物，继而变成红棕色，几分钟之后，红棕色腐蚀产物转变为黑色，最终腐蚀产物形成黑色絮状沉淀物，腐蚀试片表面呈现黑色、疏松的附着物。且随着电流强度逐渐增大，腐蚀沉淀物越多，颜色越深，溶液越浑浊。（2）腐蚀形貌。试片表面附着腐蚀产物，清水冲刷即脱落；去除表层腐蚀产物后，金属表面附着黑色粉末状腐蚀产物，需用力搓洗方可去除；试片完全清洗干燥后，表面呈金属光泽，电流流出端金属损失较大，腐蚀后的金属表面较光滑（图1）。（3）直流杂散电流腐蚀机理分析。NaCl电解液腐蚀，接通电源后阳极的铁原子失去电子，变成二价铁离子，二价铁离子很不稳定，继而被氧化成三价铁离子。铜在阴极不参加反应，但水中的氢离子在阴极得到电子生成氢气。土壤腐蚀实验，接通电源后，阴极由于土壤中的水含氢离子得到电子生成氢气，有轻微气泡产生，另外由于电流流动阳极的水分逐渐向阴极流动，致使阳极土壤硬化。实验完成后，取出试片可以发现试片整体腐蚀严重，表层腐蚀产物成红褐色（Fe2O3），去除表层腐蚀产物后发现黑色腐蚀产物（Fe（OH）2、Fe3O4），黑色腐蚀产物使用5%稀醋酸浸泡即可去除，去除腐蚀产物后腐蚀表面存在一些腐蚀凹坑（图2）。

2.2 直流杂散电流腐蚀速率与电流强度关系

实验参数见1.3，实验结果见表1。可以发现：随着电流强度的增大，试片腐蚀速率也随之增大，腐蚀速率与电流强度呈线性相关。

2.3 直流杂散电流腐蚀速率与土壤电阻率关系（电流强度一定）

实验参数见1.3，实验结果见表2。可以发现在相同杂散电流强度下，土壤电阻率增大，试片腐蚀速率下降较为明显，但2461试片腐蚀速率出现反差。这可能是因为土壤电阻率测量时是测量1m深处土壤电阻率，但取土样是取的表层土壤，二者存在差别，导致实验结果出现细微误差。对比表4和表5可以发现虽然土壤电阻率对直流杂散电流腐蚀速率有影响，但是影响程度远远小于电流强度。

2.4 直流杂散电流腐蚀速率与土壤电阻率关系（直流电压一定）

实验参数见1.3，实验结果见表3。可以发现，在相同直流电压下，土壤电阻率越小，杂散电流腐蚀越严重。因为土壤电阻率越小，在相同直流电压下，流出试片的电流密度越大，导致杂散电流腐蚀越严重。

结语

通过上述实验对埋地钢制管道直流杂散电流腐蚀机理进行了合理解释，通过对直流杂散电流腐蚀影响因素研究，发现直流杂散电流强度是影响腐蚀速率的主要因素，土壤电阻率对腐蚀速率影响相对较小，但在相同的驱动电压下，土壤电阻率越小，腐蚀越严重。直流杂散电流防护时尤其需要注意直流杂散电流强度大，土壤电阻率较小区域。

参考文献

[1] SY/T 0029-2012，埋地钢质检查片应用技术规范[S].