埋地管线钢交流腐蚀行为研究现状分析

刘凯峰

（中国石油管道公司沈阳检测技术分公司， 辽宁 沈阳 110168）

随着石油、天然气、电力等行业的迅速发展，相应的基础建设大量增加，油气管网与高压输电网遍布各地，不可避免地出现了架空高压交流输电线路或交流供电的电气化铁路与埋地管道共用“公共走廊”现象[1]。高压输电线路和城市地铁交流牵引系统的交流电源会使与其平行的埋地金属管道感应出交流电压，由此而产生交流电流，并诱发交流腐蚀[2]。

目前国内外开展交流腐蚀研究采用的手段是实验室模拟加速实验，主要研究干扰源特性（包括干扰电压、干扰电流密度、交流电波形、交流电频率等）对交流腐蚀速率和钝化特性等腐蚀行为的影响，并取得了一定成果。然而对交流腐蚀机理的探讨一直存在争议，尚无一有效机理得到学术界的广泛认可[3]。

国外对交流腐蚀机理已经做了很多探索。部分研究者通过极化曲线建立腐蚀动力学模型，围绕阴阳极塔菲尔斜率的不对称性展开讨论；部分研究者分析交流干扰下电极界面的氧化还原反应和腐蚀产物，探讨电化学反应过程。然而，现有研究工作对交流干扰下动力学和热力学机理的研究往往是分开进行的，彼此间缺乏应有的联系和支持。因此本文针对埋地管线钢的交流腐蚀行为进行了总结和分析，以期为管道交流干扰防护提供借鉴。

1 研究现状

文献资料和现场调研均表明，交流腐蚀速率仅占同等情况下的直流腐蚀速率的1%，然而交流腐蚀的影响是不容忽视的。前人认为交流腐蚀的主要影响因素为交流干扰电压，但是后来的研究发现，事实上交流腐蚀起主要作用的是交流干扰源的交变频率和作用于金属上的交流电流密度[4,5]。

Funk等针对沙土和茹土两种土壤环境通过试片（面积为10cm2）进行了电流密度为10～30A/m2和300～1000A/m2的现场试验，当阴保较小（2A/m2）、交流干扰较大（30A/m2）时，其腐蚀速率高达0.1mm/a。而Goidanich等发现当10A/m2的交流干扰会使金属的腐蚀速率增大一倍。

而交流干扰源的频率主要影响了电化学腐蚀体系过程中腐蚀方程的动力学变化过程，尤其是金属与腐蚀介质表面的非法拉第反应过程；但是在相关的研究中发现，在不同的腐蚀体系中总是存在一个临界频率，因此这也就使得交流腐蚀的动力学机理更加复杂。

目前对交流腐蚀的研究主要包括失重和电化学实验两种方法，其干扰加载方法主要分为形成交流电流密度和交流干扰电场施加两种。目前交流腐蚀的动力学机理分析仍然存在争议，还有待更加深入、细致的研究。

1.1 交流干扰对金属钝化行为的影响

交流干扰对金属钝化的影响主要体现在阳极极化方面，因此在电化学研究中多采用阳极极化曲线、M-S曲线和EIS来分析其表面形态。Wendt和Chin发现，在较大的交流电压下，金属的钝化膜几乎无法形成，整个试片表面处于膜层的形成与破坏的交替过程中。

Chin等针对交流电流密度对金属的阳极钝化区进行了分析，发现当电流密度为20A/m2时就已经不存在钝化区，同时指出频率对钝化区的宽度基本没有影响，但是对其钝化临界电流密度有较大影响。

1.2 交流腐蚀机理

1.2.1 交流腐蚀理论模型

（1）法拉第整流效应

该理论首次由McCollum提出，用于解释交流干扰加速金属腐蚀的原因，其主要思想为交流的正/负两个半周期过程中产生的电流不相等，导致腐蚀反应的不可逆；Haring更加详细地指出交流腐蚀发生的原因主要是由于整流对金属膜层的影响导致的。Kulman也指出氧化膜的形成与破坏是整流作用的一个重要影响因素。

（2）阳极反应不可逆性

而Goidanich指出，交流腐蚀的最主要原因应该是阳极反应，即交流干扰正半周期的不可逆造成的。

曹楚南提出阳极反应的E-I曲线为非线性形式，阳极溶解电流密度Ia是E的指数函数（式1），当V/βa不大时，可通过式2来估计交流电感应的影响。

式中：Ia—阳极溶解电流密度；Icorr—腐蚀电流密度；△E —正弦波的交流电（幅值为V）；βa—阳极Tafel斜率。

（3）阳极反应的去极化作用

在交流干扰下，Jones发现低合金钢和碳钢在除氧溶液中的阳极Tafel斜率降低，因而提出交流干扰主要是对阳极的去极化过程产生影响；而在有氧的条件下，主要受到溶解氧的限制。事实上，该理论仍然是针对交流干扰正负周期对金属表面膜的影响提出的。

（4）金属/腐蚀表面的周期循环作用

Nielsen指出埋地管道涂层缺陷附近环境发生碱化和交流电在金属/环境介质界面的振荡作用促进了管道的腐蚀。

（5）强电场诱导效应

发生交流腐蚀时的电场远远高于自然腐蚀状态，且变化周期比一般腐蚀的电化学反应时间要小几个数量级，因此可能会影响相关反应的进程甚至会影响某些腐蚀反应的发生。交变电场不均匀，强电场处会发生局部腐蚀，表现为与直流干扰相似的腐蚀现象。

1.2.2交流腐蚀热力学机理研究进展

Ibrahim等研究了阴极保护下的交流腐蚀，结果表明交流电流使阴极保护效果降低，同时提出交流电流作用下腐蚀产物膜的不断氧化还原过程导致了交流腐蚀：阳极电流增大，在每个交流周期内，Fe-Fe2O3/Fe3O4-FeO的周期性转变导致碳钢的腐蚀。同时，Ibrahim等人做出了在阴极保护和交流干扰同时存在的情况下通电电位和断电电位的波动图。

D.T.Chin研究小组针对不同波形、溶液以及干扰电压中的金属铝交流腐蚀行为进行了相关研究，指出对金属铝表面钝化膜破坏最严重的波形为三角波。

Y.F.Cheng等人于2010年研制了一项DAQ数据采集技术，可以将直流信号和交流信号从总的记录信号中分离出来，为交流干扰存在时钢铁的腐蚀提供机理信息。其研究表明，在0～400A/m2内，随着交流电流密度增加，腐蚀加强；继续增加至600～800A/m2，腐蚀速率减小。这归因于在较高交流电流密度下钢铁表面形成了紧密腐蚀产物层。研究还表明只有一小部分的交流电流参与了金属腐蚀，即充当了法拉第电流，大部分交流电流作为非法拉第电流参与了双电层的充放电过程，或者是参与了水的氧化还原。

Y.F.Cheng等人研究了X65钢在含有Na2CO3、NaHCO3、NaCl的溶液中，交流电流对钝化区的影响：交流干扰越大，钝化区波动越大。作者认为正是由于交流电流对钝化区域的破坏，使钝化膜无法形成从而导致了交流腐蚀。而曹备等分析了交流干扰对金属自腐蚀电位的影响：AC正半周，金属产生阳极极化，自腐蚀电位正移；AC负半周阴极极化，自腐蚀电位负移。

1.2.3 交流腐蚀动力学机理研究进展

在理论研究方面，Gellings发现交流干扰只会影响非线性的E-I体系，即r=βa/βc≠1：若r＜1，则腐蚀电位减小；若r＞1，腐蚀电位增大；若r=1，腐蚀电位不变。而Bertocci根据活化控制理论也得到了相同的结论。

考虑到腐蚀过程中的扩散过程，Bosch等提出了阳极过程分别为活化控制和混合控制下的理论模型，证明了交流腐蚀速率的增加受扩散电流密度的制约，交流感应电压对腐蚀行为的影响程度取决于塔菲尔参数。

同时，Chin等赞同Jones的阳极反应去极化观点，并发现随着交流电流密度的增加，阳极钝化膜会被击穿。研究小组还根据Gellings的稳定状态下金属失重与交流电信号之间关系的数学模型，提出了在Tafel极化区腐蚀电流密度与给定直流腐蚀电位之间的关系。

2 结论

针对交流干扰对腐蚀速率、金属钝化行为的影响，从动力学和热力角度解释交流腐蚀机理进行了文献总结，发现在不同的体系中，交流腐蚀行为和机理表现出较大的差异性。因此，解释特定体系下的交流腐蚀行为和机理，确定其防护措施，对保证金属的完整性有着十分重要的意义；同时根据现场实际情况，制定交流杂散电流的正确处理方式，对埋地管道的安全运行以及节约费用方面是非常有必要的。

◆参考文献

[1] H.X.Meng,J.W.Liang,L.Xue,et al.Analysis on three-phase current unbalance in triple-circuits of 500kV transmission lines from Changzhi to Jiu’an in Shanxi Province[J].Power System Technology,2013,37(3):641-646.

[2] D.D.Micu,G.C.Christoforidis,L.Czumbil.AC interference on pipelines due to double circuit power lines:A detailed study[J].Electric Power Systems Research,2013,103:1-8.

[3] H.Isogai,A.Ametani,Y.J.Hosokawa.An investigation of induced voltage to an underground gas pipeline from an overhead transmission line[J].Electrical Engineering in Japan,2008,164(1):43-50.

[4] 王帅华. 高压输电线对埋地管道耦合干扰规律研究[D].青岛：中国石油大学（华东），2009.

[5] 何晓. 高压输电线路对埋地金属管道的腐蚀影响研究[D].武汉：华中科技大学，2011.