雜散電流對X70鋼干擾影響的腐蝕試驗

楊 燕，李自力，文 闖

（中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，青島266580）

早在1812年Davy［1］便發現了直流電對金屬的腐蝕作用。近年來，隨著高壓輸電線及電氣化鐵路的發展，雜散電流腐蝕問題更加突出［2-6］。當埋地管線與周圍環境發生作用時，若有電流通過則會對管線產生強烈的腐蝕作用，這個過程稱為雜散電流腐蝕。雜散電流分為兩種，即交流和直流雜散電流。很長一段時間人們關注于直流腐蝕，而忽視交流腐蝕的破壞作用，因為交流腐蝕強度與等量直流腐蝕相比要低很多。Hayden發現鉛的交流腐蝕率為相同條件下直流腐蝕的0.5%。McCollum推測交流腐蝕量是同等情況下直流腐蝕量的一個比例系數，且在60Hz交流電流密度為5A·m-2的情況下進行多次試驗發現該系數不超過1%。Bertocci［7］通過展示大多數正弦交流電和較高頻率的諧波被雙電層電容分流而“沒有造成電極界面物質的擴散穿越”，來解釋相對于直流，交流電的腐蝕效率相對較低的原因。但有學者發現盡管交流電誘導腐蝕強度要比直流腐蝕強度低得多，但在外界強電場作用下，交流電的集中腐蝕比直流電更加明顯，危害也更大［8-9］。目前，針對交流腐蝕的研究尚處于起步階段，許多問題仍有待澄清，大量基礎試驗需要開展。本工作以室內模擬試驗為平臺，研究埋地管道雜散電流腐蝕的產生方式和腐蝕特征；明確雜散電流密度對管線鋼腐蝕速率的影響規律，對比交、直流及交直流混流對埋地管道的不同作用，為雜散電流腐蝕的科學探索及現場防護工作提供科學依據。

1 試驗

1.1 試驗材料及溶液

試驗采用X70鋼，其化學成分（質量分數／%）：C 0.061，Si 0.24，Mn 1.53，P 0.011，S 0.000 9和Fe余量。試樣尺寸為20mm×12.5mm×2.5mm。試驗前將試片進行冷鑲嵌，留有一面為工作面，背面焊接導線，其余面用環氧樹脂＋固化劑封裝，暴露面積為250mm2。將試樣用水磨砂紙逐級打磨至1 200＃，然后用丙酮脫脂，去離子水清洗，無水乙醇脫水后放入干燥器中備用。試驗溶液配比為0.2g·L-1NaHCO3，0.35g·L-1NaCl，0.45g·L-1Na2SO4，以模擬青島某地區土壤。試驗池采用容積為2L的低型燒杯，交流電流通過JJ98DD053A型變頻電源輸出，直流電流通過DH1718E型直流電源輸送，室內通風良好，平均溫度為20℃左右。

1.2 試驗裝置及方法

試驗裝置連接如圖1所示。開關S1／S2分別用來控制交／直流電路的切換；電容器及電感器在交直流混流試驗中用以隔離直交流電路，使電流在各自回路中流動。試驗采用相同處理的試樣分別進行交、直流電流密度為0～200A·m-2；交流電頻率為50Hz下的浸泡試驗，周期為7d，每組試驗重復3次，取其平均失重量。交流電流從試片1的工作面流出，流經土壤模擬溶液和碳棒，再從試片2的工作面流入，測定在同一試驗條件下，交流電流密度及流動方向對管線鋼的影響。

圖1 雜散電流腐蝕試驗裝置

交直流混流試驗時，輔助電極改為30cm2的鈦網電極，每組試驗重復3次，取其平均失重量。浸泡試驗結束后，將試片取出直接放入干燥箱中干燥，然后用清水＋軟刷去除表面腐蝕產物后將其放入配有鹽酸緩蝕劑的除銹液中10min，清除附著在試樣表面的致密腐蝕銹層，去離子水清洗，酒精棉球脫水，干燥后用電子天平稱量，腐蝕速率按照以下公式進行計算：

式中：vcorr為腐蝕速率，mm·a-1；K為單位常數，8.76×104；S為試樣面積，cm2；T為試樣腐蝕時間，h；D為試樣密度，g·cm-3；ΔW為實際失重量，g。

2 結果與討論

通入交流電后，用肉眼觀察試樣的腐蝕變化。兩燒杯中的試片表面均有小氣泡冒出，光亮的表面逐漸被一層青黑色產物所覆蓋，而后表面漸漸生長有青綠色絮狀物，又逐漸被棕紅色腐蝕產物所覆蓋。當試片表面被腐蝕產物完全覆蓋時氣泡冒出量逐漸減少，同時電流表顯示的數值亦有下降。這是由于試樣表面形成的腐蝕產物在一定程度上阻滯了腐蝕的發生，使得腐蝕程度有所減緩。但隨著交流電流密度的增加，氣泡的冒出數量增多，棕紅色腐蝕產物層增厚，顏色加深。通入直流電后，裝置中的試片1表面，同交流腐蝕的現象一致的，不同的是程度較前者更加劇烈，具體反映在氣泡數量更多，體積更大；腐蝕產物的形成時間更快而且產物層也更厚，顏色更深。而試片2表面，在試驗過程中沒有發現腐蝕產物，但表面有小氣泡連續產生，且電流密度越大，氣泡的數量和產生速率也越大且隨著電流密度的增高，試片表面開始出現少量圓形白色坑點。沒有施加任何電流干擾的試片僅發生微弱的腐蝕。

采用失重法計算出不同交、直流電流密度干擾下，雜散電流流出處（試片1）及流入處（試片2）的平均腐蝕速率，試驗數據如表1及圖2所示。

表1 交／直流腐蝕的平均腐蝕速率

圖2 雜散電流密度對X70鋼腐蝕速率的影響

由圖2可見，遭受雜散電流干擾的X70鋼試樣相比無干擾試樣的腐蝕速率有大幅度提高，隨著電流密度的提高，腐蝕速率近似線性規律增長。試驗數據表明，交流電和直流電對金屬的作用方式及影響有著很大的不同。首先，對于直流電來說，電流的流動方向是一直不變的，外界的直流電通過由金屬、介質等組成的腐蝕電池時，若金屬與電源陽極相接，金屬溶解，若與陰極相接，則金屬處于被保護狀態。但交流電的流動方向不斷變化，外界交流電對金屬腐蝕中的電化學反應、腐蝕產物生長與破壞均產生不可忽視的作用。由于其方向是不斷變化的，因此只要有交流電流流過的地方都會發生腐蝕。其次，在相同情況下交流腐蝕的強度比直流腐蝕要低。直流腐蝕速率要高于交流腐蝕速率，且電流密度值越大，差別也就越明顯。但平均腐蝕速率的差別并不能代表交流腐蝕的危害可以輕視。因為雖然交流腐蝕的腐蝕量同直流腐蝕相比較小，但通過對腐蝕后的試片進行圖像表征后可以發現，交流腐蝕的集中腐蝕性更明顯。因此，單憑測量腐蝕速率和計算平均腐蝕失重量是不能準確反映交流腐蝕特性的。

試驗證實當金屬遭受交流腐蝕時，裝置中試片1，2表面均有氣泡冒出，產生的大量氣泡會加速實際管線外涂層的剝離、老化。當交流電流密度較高時，會促使大量的氫在金屬表面聚集，容易造成高強度鋼的氫脆斷裂。同時，交流腐蝕產生的局部腐蝕問題更加不容忽視，除去腐蝕產物后，利用采用EOS550D數碼相機及日立S4800型場發射掃描電子顯微鏡拍攝X70鋼試片的形貌圖像，如圖3，4所示。由圖4可見，當交流電流密度低于100A·m-2時，試片表面的蝕坑形成率不高，腐蝕形式主要以均勻腐蝕為主，但在高電流密度下試片表面出現大量圓形或近圓形的蝕坑，且隨著電流密度的增高，蝕坑直徑變大，深度增大，密度增高。直流腐蝕與交流腐蝕形貌類似，即低電流密度時以均勻腐蝕為主，高電流密度下試片表面也有凹坑產生，但局部腐蝕特征不如交流腐蝕明顯。圖4顯示，當電流密度達到200A·m-2時，交、直流的試片表面均變得非常粗糙，不同的是交流腐蝕表面蝕坑縱向深度發展，直流腐蝕則是許多小淺坑連成線，沒有較大圓形蝕坑出現。由此可以判斷，雖然交流腐蝕的腐蝕量同直流腐蝕相比要小，但通過對腐蝕后的試片進行圖像表征后可以發現，交流腐蝕的集中腐蝕性更強，容易誘發局部腐蝕從而造成管道穿孔。因此，單憑測量腐蝕速率和計算平均腐蝕失重量是不能準確反映交流腐蝕特性的。研究交流電引起的局部腐蝕問題，更具有實際意義。

交直流混流試驗采用固定交流電流密度，改變直流電流密度的方式考察在交流電作用下混入部分直流電后對管線鋼腐蝕的影響。計算后得到X70鋼的平均腐蝕速率，試驗數據如圖5所示。

圖5 交直流混流對X70鋼腐蝕速率的影響

交直流混流時各自的電流密度不受疊加影響，在電流密度較小的時候，混流中的交流電成分將陽極溶解的部分金屬在反向沉積過程中還原，此時交直流疊加的腐蝕速率比直流時要小，由于增加了直流電成分，混流的腐蝕速率比交流電單獨作用下要高。隨著電流密度的增大，交直流疊加混流的腐蝕速率高于直流腐蝕速率，這是因為在高電流密度的直流電影響下正向溶解過程更加劇烈，而交流電的反向沉積過程受到陰極析出氫氣的影響，沉積速率大大減緩，且由于交流電的振蕩作用加強了金屬表面的活化過程，促使腐蝕速率高于直流腐蝕的情形。

交流電對金屬腐蝕的作用機理非常復雜，簡單理解可認為，由于高強度鋼對外界影響的敏感性強，當有交流電流流過時金屬會發生陽極溶解而腐蝕。隨著時間的推移，當腐蝕產物將金屬表面覆蓋后，致密的產物膜將起到一定的保護作用，可抑制交流腐蝕失重量的增加。在交流電流強度較低時，不足以破壞腐蝕產物膜的保護性，金屬的腐蝕速率呈現逐漸減小的趨勢，宏觀上反應為均勻腐蝕。但隨著電流密度的增加，氫氣大量逸出，致密的產物膜不易形成。但在正半波周期內金屬成為陽極而腐蝕，產物膜遭受破壞，其阻擋腐蝕的能力被大大減弱，在產物膜破裂處便容易形成腐蝕坑點。隨著電流強度的增加，對產物膜的破壞力度加大，腐蝕加劇，小坑點逐漸融合形成較大的蝕坑。因此，從宏觀上看當交流電流密度較低時容易發生均勻腐蝕，而當電流密度增高時，更容易產生局部腐蝕。

3 結論

（1）交流電的流動方向一直在變化中，外界交流電對金屬腐蝕中的電化學反應、腐蝕產物生長與破壞均均產生不可忽視的作用。由于其方向是不斷變化的，因此只要有交流電流流過的地方都會發生腐蝕。

（2）遭受雜散電流干擾的X70鋼試樣相比無干擾試樣的腐蝕速率有大幅度提高。隨著電流密度的增大，腐蝕速率近似線性規律增長，遵循法拉第電解定律，即雜散電流密度越高，腐蝕速率越大。

（3）交流腐蝕的腐蝕量同直流腐蝕相比要小，但交流腐蝕的集中腐蝕性更強，更易誘發局部腐蝕。因此，單一采用平均腐蝕失重量不能準確反映交流腐蝕特性。在相同條件下，直流雜散電流的平均腐蝕速率要高于交流雜散電流的平均腐蝕速率。交直流混流情況較為復雜，當體系中混入直流電時金屬的腐蝕速率較單一的交流電作用下會大幅度提高。

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