模拟高压直流对X65管线钢在上海地区土壤中的腐蚀影响研究

2022-12-07李德明王宏新

材料保护 2022年6期

李德明，王宏新

(1. 上海天然气管网有限公司,上海 200000；2. 北京安科腐蚀技术有限公司，北京 100803)

0 前言

为实现能源的经济合理分配，国内正全力发展高压电网和油气管网。高压直流输电(HVDC)是我国输送能源重要方式之一[1]。目前，我国已建成哈密南 - 郑州、向家坝 - 上海等多条直流输电线路，更多的直流输电线路正在规划中[2，3]。由于地理条件限制和实际生产的需要，埋地金属管道与高压输电线路建设于同一“公共走廊”的问题日趋严重。

高压直流输电系统主要有单极运行和双极运行2种方式，系统正常运行时为双极模式，双极运行模式下的不平衡电流约为额定电流的1%，对埋地管道腐蚀危害较小[4,5]；然而，直流输电系统在检修或者发生故障时，会转入单极模式运行，即以大地作为回路通道，此时数千安培的电流泄入大地，会引起附近土壤的电位发生变化，进而使不同地点间产生电位差，这一电位差会使埋入地中的金属构件之间产生电流，从而导致金属构件发生腐蚀[6-8]。目前，已在多条管道上检测到了干扰[9-11]：如±500 kV牛从同塔双回超高压输电系统的翁源接地极、鱼龙岭接地极(±800 kV云广特高压输电系统和贵广二回±500 kV超高压输电系统)、大塘接地极(±500 kV天广超高压直流输电系统)对邻近管道电位均产生几十伏甚至上百伏的电位偏移。针对高压直流接地极对管道产生的大干扰电压，秦润之等[12]和熊娟等[7]通过室内模拟实验发现管线的腐蚀速率随着大幅直流干扰电压的升高呈现先增大后减小趋势；顾清林等[13]指出在干扰较为严重的位置，通过铺设锌带可以有效缓解该问题。然而，经过前期调查发现上海地区目前共有4条HVDC输电线路，3个HVDC接地极[14，15]，即南桥接地极、廊下接地极和腰泾接地极，前期监检测数据表明，上海地区土壤电阻率普遍偏低，低电阻率土壤中形成的电势梯度小，穿越电势梯度场时，管道两端的电压差小。上海地区接地极单极运行时对邻近管道干扰电位最正值为6.9 V，小幅值的干扰电压对管道的腐蚀规律和腐蚀风险尚不完全清楚。

本工作根据现场实际监测的HVDC干扰参数，在实验室进行腐蚀模拟实验，对小幅值HVDC干扰下X65管线钢在我国上海地区的土壤环境中的腐蚀行为进行了研究，可为中国土壤电阻率较低地区的HVDC干扰腐蚀风险的识别与评估提供参考。

1 研究方法

1.1 实验材料与介质

实验用材质为X65管线钢，与管道同材质，其主要化学成分(质量分数，%)为：C 0.030, Si 0.170, Mn 1.510，P 0.024，Ni 0.170，Cu 0.040，Mo 0.160，Fe余量。试样尺寸为φ2.87 cm×4 mm的圆柱体。实验前用砂纸将试样打磨至表面光亮，再用丙酮和无水乙醇依次除油，去离子水冲洗后吹干称重，用硅胶对圆柱和连接线面进行封样，留有约6.5 cm2的圆柱体圆形底面作为工作面。

实验用土壤为上海地区某管道附近土壤，现场取样为地下1 m，土壤电阻率为14.5 Ω·m。土壤成分如表1，含水率为24.5%。

表1 土壤成分

1.2 实验方法

实验装置为自行搭建的高压直流土壤腐蚀模拟实验装置，装置原理如图1所示。该装置由土壤实验箱、高压直流电源、电位记录仪、恒电位仪等设备组成。实验用土壤箱尺寸为25 cm×10 cm×10 cm，由CH恒电位仪连接的工作电极(WE)、辅助电极(CE)和硫酸铜参比电极(RE)组成的三电极体系构成阴极保护系统。利用恒电位仪对试片施加-1.1 V的阴极保护电位，用于模拟现场处于阴极保护状态的管道。由HSPY 400-01型高压直流干扰电源连接工作电极与辅助电极，构成直流干扰回路，用于模拟高压直流对管道的干扰情况。干扰回路中串联50 Ω的电阻，并用数据记录仪记录电阻两端的电压，用于评估直流电流，结合试样暴露面积获得直流电流密度。

实验装置搭建完成后，首先利用恒电位仪组成的三电极体系对试片施加-1.1 V 的阴极保护电位，待阴极保护恒电位的输出电流稳定后，断开阴极保护恒电位仪。利用HSPY 400-01型高压直流干扰电源对试片施加干扰电压，干扰电压分别为1.0，5.0，15.0 V，干扰时间为1 h。需要说明的是，为了确定实验条件下干扰电压的准确性，对于0.3 V和-0.2 V的干扰电压，采用CH恒电位仪施加干扰。每组实验平行样为3个，实验流程为阴极保护-1 h干扰-阴极保护-1 h干扰-阴极保护-1 h干扰-阴极保护-1 h干扰-阴极保护-1 h干扰,每组干扰电压下的实验流程共为5次干扰(5个测试次序)，具体实验参数如表2。

表2 高压直流土壤腐蚀模拟实验参数表

1.3 形貌观察和失重测试

高压直流土壤腐蚀模拟实验结束后，取出试片，在实验室分别对试片进行物理清理和化学酸洗。物理清理主要是将试片表面沉积的泥土进行清除。物理清理过程如下：试片在水中浸泡10 min左右，用毛刷清除掉表面的土壤覆盖层，以观察表面腐蚀产物颜色。化学酸洗法是将物理清洗后的试片放入酸洗液中(500 mL盐酸，盐酸质量分数为37%，3.5 g六次甲基四胺，加蒸馏水配制成1 000 mL溶液)进行酸洗，其作用是清除掉试片表面的腐蚀锈层，便于观察腐蚀形貌并对试片进行失重分析[16]。采用精度为0.1 mg的分析天平对试片进行称重以获得腐蚀失重，腐蚀速率计算公式见式(1)：

(1)

式中：ν为腐蚀速率， mm/a；w1为实验前试片质量，g；w2为实验后试片除锈后质量，g；w3为空白失重样，g；ρ为铁的密度，g/cm-3；T为干扰时间，h；S为试片面积，cm2。

2 实验结果与讨论

2.1 不同干扰电压下电流密度测试结果

上海地区土壤中X65管线钢在1.0，5.0，15.0 V的干扰电压下的电流密度随时间的变化曲线如图2所示。由图2可知，试片在不同干扰电压下，随着测试次序的增多，电流密度均呈现出先迅速下降后缓慢下降，最后逐渐趋于略有波动但幅度不大的趋势。对图2中电流密度的稳定值进行汇总，汇总结果见图3。由图3可知，电流密度与干扰电压呈现出正相关，干扰电压越大，电流密度越大。1.0 V干扰电压时电流密度稳定值的平均值约为2.6 A/m2，5.0 V干扰电压下电流密度稳定值的平均值约为8 A/m2，15.0 V干扰电压下电流密度稳定值的平均值约为16.5 A/m2；利用不同干扰电压下的电流密度值对实验过程中腐蚀反应进行分析。根据欧姆定律I=U/R(式中，U为施加的干扰电压，I为回路中的电流，即试片的电流，R为试片的对地电阻)，图2的电流密度显示随着干扰电压的增大，电流密度先迅速下降后缓慢下降，最终呈现出略有波动，但是波动幅度不大的状态，即证明在某一特定干扰电压下，试片对地电阻先增大后趋于稳定。同时，根据接地电阻计算公式R=ρ/2d(式中，R为试片接地电阻，d为实验试片的直径，ρ为试片周围土壤电阻率)，实验中，试片面积不变，即试片直径d不变，试片对地电阻的变化也反映了试片周围土壤成分的变化。综上分析，电流密度变化的原因如下：模拟试验为尽量还原现场情况，在每次施加干扰前，试片在-1.1 V的阴极保护电位下长时间处于极化状态；而当干扰开始时，正向的干扰电压会使试片迅速发生电化学反应，表面电流密度瞬间最高；此外，试片表面有电流存在时，土壤中会出现热效应，加速试片表面土壤中水分的蒸发，造成土壤电阻率升高，而在恒定的干扰电压条件下，电流密度将逐渐降低；当反应一段时间后，试片表面热量减少，由于水在试样周围土壤中形成了浓度梯度，发生了渗透现象，并且渗透作用与蒸发作用达到了平衡，因此电流密度在瞬间下降后保持相对稳定。

2.2 腐蚀形貌与腐蚀失重结果

X65钢试样在上海地区土壤中施加-0.2 V至15.0 V的干扰电压后腐蚀形貌，如图4所示。试片表面均未发现明显腐蚀坑，物理清洗后，1.0，5.0，15.0 V的试片表面黏附少量土壤，但未发现明显的腐蚀产物。化学酸洗后，15.0 V试片表面存在少量均匀减薄现象，而其它试片表面均未发现腐蚀坑，-0.2 V和0.3 V试片表面仍可见打磨磨痕和金属光泽。

高压直流干扰对管道腐蚀速率有影响是实际中最为关注的问题，一般情况下，高压直流接地极每年放电总时长占全年时间的比例不应超过1%，按照每年1%的放电运行时间，根据式(1)计算本实验不同干扰电压下试片的腐蚀速率实测值，计算结果如图5。由图5可知，在-0.2～15.0 V的干扰电压范围内，腐蚀速率与干扰电压呈现正相关，随着干扰电压的增加，腐蚀速率逐渐增大。

根据Faraday定律，金属的腐蚀快慢也可用腐蚀电流评价[17]，见式(2)和式(3)：

W=kQ=kIt

(2)

k=M/nF

(3)

其中，Q为通过的电量，C；k为比例常数，即电化学当量；I为流过试片的电流，A；t为通电时间，s；n为电化学反应中消耗或者生成的电子数；F为Faraday常数，96 500 C/g。

在干扰条件下，试片表面可能发生Fe=Fe2++2e的反应。

则X65管线钢试片理论失重见式(4)：

(4)

根据图2中不同干扰电压下的电流与时间的积分计算不同干扰电压下的理论腐蚀速率。-0.2，0.3，1.0，5.0，15.0 V的干扰电压下的腐蚀速率理论值和实测值的对比见表3。

表3 理论腐蚀速率与实际腐蚀速率对比

由表3可知，用干扰时的腐蚀电流与时间变化积分计算得到的腐蚀速率与实际腐蚀失重计算的相对误差随着干扰电压的增加而降低，当干扰电压大于0.3 V时，误差均在10%以内。结果证明实际管道受高压直流干扰时，监测干扰期间的电流，并用电流与时间的积分而获得腐蚀失重，可获得与实际数值接近的理论腐蚀速率。

2.3 上海地区管道腐蚀风险预测分析

管材的腐蚀是时间累积的结果，考虑到不同的管道由于壁厚、服役环境等不同，可接受的腐蚀速率不能一概而论。ISO 15589中规定[18]，阴极保护管道腐蚀速率应小于0.01 mm/a，NACE标准[19]中规定腐蚀速率小于0.025 4 mm/a，腐蚀风险低。此外，金属防腐蚀手册[20]认为腐蚀速率低于0.10 mm/a，材料耐蚀。本工作分别以0.10 mm/a和0.01 mm/a为腐蚀速率指标并结合实验室测试结果对上海地区管道受高压直流干扰腐蚀风险进行预测分析。根据腐蚀速率计算式(5)和式(6)：

ν=J×η×1.168

(5)

(6)

其中，ν为年腐蚀速率， mm/a；J为电流密度，A/m2；η为放电率；Q为单极运行入地电流能量，kA·h；I1为最大允许的持续入地电流，A；I2为实际单极运行入地电流，A；T为实际入地电流持续时间，h。由式(5)、式(6)可知，腐蚀蚀速率与电流密度和入地电流持续时间均有关。本工作的实验结果表明，在15.0 V的干扰电压范围内，电流密度先下降后缓慢下降，最后逐渐趋于略有波动但幅度不大的趋势，且电流密度稳定值与干扰电压正相关，因此对于高压直流干扰，腐蚀速率与入地电流持续时间有关。利用图3中不同干扰电压条件下的电流密度稳定值，并分别以0.100 0，0.025 4，0.010 0 mm/a的腐蚀速率边界对上海地区高压直流接地极放电对管道的干扰时长和干扰电压进行汇总，二者的安全边界分别见表4和图6。考虑到不同地区土壤特性差异较大，表4和图6中的安全边界只适合于上海地区土壤，但该腐蚀安全边界计算方法可以沿用至其它地区。