交流雜散電流密度對X80管線鋼腐蝕行為的影響

, (中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院，青島 266580)

隨著國民經濟發展對石油和天然氣需求量的日益增長，我國長輸管道朝著大口徑、高壓力和高等級鋼等方向發展，X80管線鋼是目前國內長輸管線應用中等級最高的鋼材，已在西氣東輸二線、三線等管網中廣泛應用[1-2]。埋地管道與高壓輸電線路、交流電氣化鐵路、地鐵等高壓交流電網的交叉和并行難以避免，因此由交流干擾引起的管道局部腐蝕和應力開裂不容忽視。交流電通過容性耦合、阻性耦合和磁感應耦合在管道上形成感應電壓，當管道防腐層的破損面積為1 cm2時，交流腐蝕最嚴重[3-4]。許多研究表明[5-9]，交流雜散電流的協同作用不僅能導致土壤模擬溶液中金屬表面鈍化膜破裂，加速金屬腐蝕，引發點蝕，還能造成陰極保護系統的陰極保護電流激增，保護電位嚴重波動，甚至引起犧牲陽極極性逆轉等危害。交流腐蝕機理十分復雜，目前國內外對交流腐蝕機理尚無統一認識。而研究X80管線鋼在我國典型海濱土壤環境中的腐蝕行為對認識交流腐蝕機理具有重要意義[10-11]。

本工作通過電化學測試技術以及圖像表征技術研究了不同交流雜散電流密度下X80管線鋼在土壤模擬溶液中的腐蝕形貌和腐蝕行為，為X80管線鋼的腐蝕防護提供一定的參考。

1 試驗

1.1 試樣制備

試驗材料選用X80管線鋼，其主要化學成分(質量分數)為：0.09% C，1.85% Mn，0.42% Si，0.005% S，0.022% P，0.11% Nb，0.06% V，0.025% Ti，0.008% N，余量Fe，裂紋敏感性指數(Pcm)為0.23。試片尺寸為10 mm×10 mm×3 mm，背面焊接導線，試樣焊接導線面和四個側面用環氧樹脂封裝，只留出工作面(面積為100 mm2)，控制封裝時間保證試片工作表面無氣泡和溝槽。試驗前對試片編號，并采用320～1 500號防水砂紙和金相砂紙逐級打磨至鏡面，再用無水乙醇和去離子水清洗、干燥后備用。

腐蝕介質為土壤模擬溶液，根據我國典型海濱土壤，用NaCl、Na2SO4、NaHCO3及去離子水配制，具體組分(質量分數)為0.426% Cl-，0.159 4% SO42-，0.043 9% HCO3-。試驗采用的試劑均為分析純。

1.2 試驗裝置

圖1和圖2分別為電化學試驗裝置和浸泡試驗裝置。圖中AC表示交流干擾電源；mA表示交流毫安表；WE表示工作電極(X80管線鋼)；RE表示參比電極(飽和甘汞電極)；CE表示輔助電極(鉑電極)。

圖1 電化學試驗裝置圖Fig. 1 Schematic diagram for electrochemical testing

圖2 浸泡試驗裝置圖Fig. 2 Schematic diagram of immersion testing

電化學試驗裝置包括交流干擾和電化學測試兩部分。交流干擾部分主要包括JJ98DD053A型程控變頻電源和石墨電極，其主要作用是在試片上形成穩定的交流雜散電流；電化學測試部分主要包括電化學工作站PARATAT2273，其主要作用是通過三電極系統來測試不同交流雜散電流密度下工作電極的極化曲線。經反復試驗及參考文獻[12]，在交流回路中設置了電容。

1.3 試驗方法

1.3.1 電化學測試

按圖1連接好相關儀器后，首先對試片的開路電位進行測試，當開路電位達到穩定(300 s內電位最大變化不超過3 mV)后再進行極化曲線測試，設置掃描電位范圍為-250～250 mV(相對于開路電位)，掃描速率為0.016 7 mV/s，測試在不同交流雜散電流密度下X80管線鋼的極化曲線。

1.3.2 浸泡試驗

按圖2連接好試驗裝置后，在不同交流雜散電流密度下進行浸泡試驗，浸泡時間為72 h，取出試片后用除銹液除銹，并用去離子水沖洗，干燥后觀察試片表面腐蝕特征。

2 結果與討論

2.1 電化學測試結果

從圖3(a)中可以看出：交流雜散電流密度對陰極極化的影響程度遠遠大于陽極極化，在低交流雜散電流密度(≤100 A/m2)下，隨交流雜散電流密度增加，自腐蝕電位正移，自腐蝕電流密度增大；當交流雜散電流密度為150 A/m2時，極化曲線開始出現兩個零電流電位，隨著交流雜散電流密度的增大，自腐蝕電位正移，自腐蝕電流密度基本不變；當交流雜散電流密度為250 A/m2時，兩個零電流電位逐漸消失，變為一個自腐蝕電位，并且自腐蝕電位負移，自腐蝕電流密度增大。

(a) 0～250 A/m2

(b) 150,200 A/m2圖3 不同交流雜散電流密度下X80管線鋼在土壤模擬溶液中的極化曲線Fig. 3 Polarization curves of X80 pipeline steel in soil simulation solution at different AC densities

在試驗設置的交流干擾范圍內，X80管線鋼在土壤模擬溶液中的自腐蝕電位隨交流干擾的變化規律與在常規單一電解質溶液中的有所不同，呈先增大后減小趨勢，這是由于自腐蝕電位不只受交流干擾強度影響，也與電解質種類有關。CHIN[13]、姜子濤[14]等研究發現交流干擾會使硫酸鈉、硝酸鈉和高氯酸鈉溶液中低碳鋼的自腐蝕電位負移，使氯化鈉、碳酸鈉溶液中低碳鋼的自腐蝕電位正移。試驗采用的土壤模擬溶液為非單一電解質的海濱鹽堿土壤溶液，在低交流雜散電流密度下，自腐蝕電位受電解質種類影響，隨干擾強度增加而增大；在高交流雜散電流密度下，交流干擾誘發點蝕的發生，導致腐蝕電位下降[12]。

當交流雜散電流密度為150，200 A/m2時，極化曲線形狀不同于其他交流雜散電流密度下極化曲線，存在兩個零電流電位，其極化曲線放大圖如圖3(b)所示。這是因為當交流雜散電流密度較小時，其對試片產生的腐蝕量較小，腐蝕產物在試片表面的生成速率和積聚速率遠小于擴散速率；隨著交流雜散電流密度的增大，腐蝕速率增大，試片表面腐蝕產物膜生成速率和積聚速率與擴散速率相差不大，因此在測試過程中出現了兩個零電流電位；當交流雜散電流密度為250 A/m2時，腐蝕產物在試片表面的生成速率和積聚速率大于擴散速率，因此在試片表面生成了較為穩定的腐蝕產物膜，誘發點蝕的發生，導致自腐蝕電位下降。FU等[15-17]認為，不同電化學反應的生成與溶解導致兩個零電流電位出現，但需結合XPS進一步分析腐蝕產物。

2.2 X80管線鋼的腐蝕形貌

浸泡試驗開始后，X80管線鋼試片四周有少量氣泡生成，試片表面逐漸變黑；1 h后，試片周圍溶液逐漸變為淺黃綠色，試片表面生成一層黑色腐蝕產物薄膜，黑色薄膜表面有少量紅褐色產物；隨著時間推移，產物層增厚，試片表面完全被紅褐色產物層覆蓋，容器底部有紅褐色沉淀。浸泡結束后在清洗試片表面的腐蝕產物時發現，當交流雜散電流密度大于100 A/m2時，試片表面形成了一層難以清洗的黑色腐蝕產物。

由圖4可見：當交流雜散電流密度小于100 A/m2時，試片腐蝕以均勻腐蝕為主，隨著交流雜散電流密度的增大，試片表面開始變得凹凸不平，腐蝕形態由均勻腐蝕逐漸向點蝕轉變；當交流雜散電流密度為150 A/m2時，出現了明顯的局部腐蝕坑點，這與電化學測試結果是一致的。

圖5給出了交流雜散電流密度為150 A/m2時，試片最深點蝕坑三維形貌圖，通過冷暖色調區分X80管線鋼試片表面起伏高低狀態，顏色越藍距試片基體表面深度越大，此時最大蝕孔深度為47 μm。

點蝕隱蔽性強、破壞性大，一旦出現應給予足夠的重視。研究表明[18-19]，交流干擾頻率高、周期短，高強度干擾的交變磁場增加了干擾發生的頻率。由于反應介質和鋼材具有不均勻性，管道表面凹凸不平，加之腐蝕產物在管道表面生成堆積，使得管道各點處磁場強度相差較大，易引起某些部位點蝕。強電場誘導理論很好地解釋了腐蝕形貌的轉變，如圖4所示，交流干擾強度較大時誘發點蝕可能性增加，管道運行安全性降低。

圖6為失重法測得不同交流雜散電流密度下X80管線鋼的腐蝕速率。由圖6可見：交流腐蝕速率明顯高于自然腐蝕速率，當交流雜散電流密度為100 A/m2時，其腐蝕速率為0.469 mm/a，是無交流干擾時的5.7倍；交流雜散電流密度較低時(≤100 A/m2)，腐蝕速率增長較快；交流干擾增強，腐蝕速率增加，但趨勢變緩，表明金屬質量損失減小。這可能是由于交流雜散電流密度增大后，反應物或反應產物傳遞太慢，引發濃差極化，且電極表面生成的產物和溶液阻值變化都減緩了腐蝕。但結合形貌觀察，此時交流干擾誘發點蝕可能性增強，所以不能僅通過失重得出的平均腐蝕速率評價管線鋼的腐蝕程度，結合局部腐蝕速率評價管線鋼腐蝕程度安全性更高。

(a) 0 A/m2 (b) 50 A/m2 (c) 100 A/m2

(d) 150 A/m2 (e) 200 A/m2 (f) 250 A/m2圖4 不同交流雜散電流密度下X80管線鋼在土壤模擬溶液中的腐蝕形貌Fig. 4 Corrosion morphology of X80 pipeline steel in soil simulation solution at different AC densities

圖5 交流雜散電流密度為150 A/m2時最深點蝕坑三維形貌圖Fig. 5 3-dimension image of the deepest pit at AC current density of 150 A/m2

圖6 模擬土壤溶液中交流雜散電流密度對X80管線鋼腐蝕速率的影響Fig. 6 Effect of AC density on corrosion rate of X80 pipeline steel in simulated soil solution

3 結論

(1) 交流干擾對X80管線鋼的陰極極化影響程度遠大于其對陽極極化的，當腐蝕產物膜的形成與溶解速率相差不大時，極化曲線表現為兩個零電流電位。自腐蝕電位變化與交流干擾強度和電解質種類有關。

(2) 交流雜散電流密度較高時，最大蝕坑深度顯著增加，X80管線鋼的腐蝕形態由均勻腐蝕向點蝕轉變，此時不能僅通過失重法得出的平均腐蝕速率評價管線鋼的腐蝕程度。交流雜散電流密度大于100 A/m2時，用局部腐蝕速率評價X80管線鋼腐蝕程度更合理。

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