埋地金屬管道交流干擾腐蝕

許立寧，朱金陽，徐 欣，余和初，路民旭

（1.北京科技大學 新材料技術研究院 腐蝕與防護中心，北京100083；2.北京聲迅電子股份有限公司，北京100085）

隨著全球經濟的快速發展，能源需求日益旺盛，輸送石油或天然氣的埋地管道也加速建設。埋地金屬管道如果與高壓交流輸電線路等電力設施并行建設，可能遭受交流干擾而發生嚴重腐蝕［1］，國內外已發生多起管道泄漏事故。1991年，加拿大的Kitchener市發現輸氣埋地管道受間隔14m遠的高壓線影響，交流干擾電壓達8V，運行四年后出現腐蝕失效［2］。交流干擾腐蝕已成為腐蝕研究領域的熱點，每年有大量文獻報道。早期試驗研究集中于交流電位或電流極化對金屬腐蝕速率的影響上，普遍認為隨著交流峰值電壓的增大，腐蝕速率加快［3］。后來研究發現，交流腐蝕速率并不直接受交流電壓的影響，起主要作用的是交流電頻率和交流電流密度［4］。Gummow［5］根據前人的研究和對交流腐蝕案例的調查得出，面積為1～3cm2的缺陷具有最高的交流腐蝕速率。Nielsen［6］根據案例調查和現場試驗，認為埋地管道涂層缺陷處局部環境堿性化和交流電壓在金屬／介質界面的振蕩作用誘發埋地管道發生交流腐蝕。目前，腐蝕產物特性對交流干擾腐蝕的影響仍然缺乏系統的研究，本工作搭建了交流干擾腐蝕模擬試驗裝置，研究了腐蝕產物沉積隨交流電流密度的變化規律，并觀察了腐蝕產物微觀形貌，初步探討了交流干擾腐蝕規律。

1 試驗

采用圖1所示的裝置來進行交流干擾試驗，利用交流電源，在試樣上施加交流電流，模擬管道上感應的交流電。雖然埋地管道實際服役環境中，多是由于電感耦合而產生交流腐蝕，但是在實驗室進行模擬試驗時，為了能夠準確控制交流電流的加載，選用了電阻耦合方式來施加交流電，這種方法也能很好地反映交流干擾腐蝕規律。

圖1 模擬交流干擾腐蝕試驗裝置示意圖

交流電源型號BP6005，蘇州沃森電設備有限公司生產。選用飽和甘汞電極作為參比電極，使用碳棒作為輔助電極。工作電極為X70管線鋼，加工成φ3mm×15mm的圓柱形試樣，如圖2所示。試樣工作面為圓柱的底面，試驗前將試樣表面逐級打磨至1 500＃砂紙，去離子水清洗，丙酮除油，冷風吹干后對試樣進行標號，稱量見圖1。連接導線后，除工作面外用硅膠封涂，保證其余部分不發生腐蝕。腐蝕介質為模擬土壤溶液，成分及含量見表1。

圖2 模擬交流干擾腐蝕試驗所用的試樣

表1 模擬土壤溶液成分 %

具體試驗條件見表2。試驗過程中每隔一定時間記錄試樣的交流電壓和交流電流值，試驗周期為96h，每組試驗采用3個平行樣。表2中給出的交流電流密度值是試驗開始時的加載值，隨著試驗的進行，由于腐蝕產物沉積等因素，電流或電流密度可能下降，在試驗過程中，未對交流電源的輸出進行調節。

試驗結束后，對試樣表面腐蝕產物進行體式顯微鏡觀察、拍照，然后利用SEM觀察腐蝕產物表面形貌。酸洗去除腐蝕產物后稱量，并利用SEM觀察試樣表面形貌。酸洗按照GB／T 16545進行，酸洗液配比為HCl（500mL，ρ＝1.19g·mL-1）＋去離子水（500mL）＋六次甲基四胺（3.5g）。

表2 交流干擾腐蝕試驗條件

2 結果與討論

2.1 腐蝕失重

不同初始交流電流密度下腐蝕失重如圖3所示。當初始電流密度為21×103A·m-2時，試樣的腐蝕失重是初始電流密度為14×103A·m-2試樣的20多倍，說明加載于試樣上的交流電流密度增大后，腐蝕速率可能會顯著增大，與文獻［7］結論相符，交流電流密度是影響交流干擾腐蝕的主要因素之一。

圖3 未施加陰極保護電位下交流電流密度對腐蝕失重的影響

2.2 宏觀腐蝕形貌

圖4 為上述兩電流密度條件下去除腐蝕產物后表面宏觀形貌，電流密度為21×103A·m-2試樣除了腐蝕狀況更嚴重外，表面不同部位的腐蝕深度差別也較大，圓柱試樣中心發生了嚴重的腐蝕，形成深坑，可能是中心部位主要發生陽極反應所致。

圖4 交流腐蝕后試樣去除腐蝕產物表面形貌

此外，由圖3可知，初始電流密度為14×103A·m-2時（2＃試樣），試樣的腐蝕失重小于電流密度為7×103A·m-2的試樣（1＃試樣），為了找到初始腐蝕電流較高而腐蝕失重較低的原因，監測了不同時間下1＃和2＃兩試樣的腐蝕電流，如圖5所示。2＃試樣的初始交流電流（100mA）是1＃試樣的一倍，但在腐蝕中、后期，交流電流急劇降低（至0.8mA）；而1＃試樣雖然腐蝕后期交流電流也下降，但試驗結束時仍保持9.6mA，因而交流電流密度降低是導致2＃試樣比1＃試樣腐蝕輕微的主要原因。而交流電流的降低與表面沉積的腐蝕產物密切相關，因此對交流干擾產生的腐蝕產物進行了深入分析。

圖5 3個試樣交流電流隨時間的變化規律

2.3 腐蝕產物分析

對交流腐蝕后試樣表面沉積的腐蝕產物進行了體式顯微鏡觀察，結果如圖6所示。2＃試樣的腐蝕產物呈火山口狀堆積，而1＃試樣表面均勻覆蓋著較為致密腐蝕產物。在去除腐蝕產物過程中，發現2＃試樣腐蝕產物的致密度高于1＃試樣，因此認為電流密度為14×103A·m-2試樣（2＃）腐蝕失重下降的原因可能與腐蝕產物的保護性有關。

對比1＃和2＃試樣的腐蝕產物沉積過程可知，1＃試樣在整個試驗周期內沒有觀察到宏觀氣泡從表面逸出，腐蝕產物均勻堆積，逐漸變厚。而2＃試樣腐蝕初期表面有大量氣體生成，隨后氣體逸出量變小；腐蝕中期腐蝕產物形成中間有孔的火山狀堆積，之后表面不再有氣體生成，同時交流電流急劇降低接近零，說明此時火山口處也被腐蝕產物堵塞，因而去除腐蝕產物后試樣中心腐蝕深度與周圍差別不大，見圖4（a）。圖7為1＃和2＃試樣腐蝕產物膜的微觀形貌。在1＃試樣表面沉積的腐蝕產物中，存在一定的孔洞和裂紋，而2＃試樣腐蝕產物連續完整，內部缺陷較少。因此，交流干擾腐蝕的嚴重程度，除了與初始電流密度直接相關外，還與表面腐蝕產物的沉積有關。當腐蝕產物沉積較為致密時，會使腐蝕電流下降，腐蝕速率有降低的傾向。

3＃試樣的試驗結果也基本上體現了這一規律，試驗完畢后，3＃試樣表面覆蓋的腐蝕產物宏觀形貌如圖8所示，腐蝕產物較為疏松。3＃試樣的電流隨腐蝕的進行，逐漸增大（見圖5），最大時為247mA（初始電流為150mA），而1＃和2＃試樣的電流隨時間延長而顯著降低。因而3＃試樣腐蝕失重明顯高于1＃和2＃試樣的原因是電流的升高，而電流的升高與腐蝕產物特性可能存在一定關聯，這將在后續試驗中重點加以研究。

圖8 3＃試樣表面腐蝕產物宏觀形貌

本工作所采用的試驗裝置較為簡單，可能無法真實還原埋地管道所處的交流干擾環境，但試驗結果中所反映出的規律，有助于深化對交流腐蝕的理解。交流干擾可能會使管道附近土壤中pH發生變化，此外，不同條件下生成的腐蝕產物，其成分也會變化，這些將在后續研究中重點進行分析。

3 結論

（1）利用電阻耦合的方式施加交流干擾，腐蝕的嚴重程度與交流電流密度直接相關；

（2）如果不對交流電源的輸出進行調節，交流電流密度會隨著致密腐蝕產物的沉積而顯著降低。

［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，楊燕.金屬管道交流腐蝕研究新進展［J］.石油學報，2012，33（1）：164-171.

［4］胡士信，路民旭，杜艷霞.管道交流腐蝕的新觀點［J］.腐蝕與防護，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.