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交流腐蝕——實踐與標準的新動向

2021-02-01 13:53:48 作者：本網整理來源：管道保護分享至：

交流腐蝕——實踐與標準的新動向

劉國牟南翔葛彩剛

北京凱斯托普科技有限公司

摘要：鋼質管道的交流腐蝕是交流干擾帶來的負面影響之一，至今尚無一致認可的交流腐蝕機理，是目前腐蝕學界的研究熱點，而有交流干擾情況下的陰極保護準則也是管道界的研究熱點和難點。介紹了交流腐蝕早期研究概況及堿土金屬離子/堿金屬離子腐蝕機理，重點分析了各國標準對交流腐蝕的評估條件。指出應使用1 cm2的埋地試片實測交流電流密度；用交流電流密度評價發生交流腐蝕的可能性；交流腐蝕主要出現在FBE和3LPE防腐層管道上，應限制極化電位水平，避免較負的電位引起交流腐蝕加速。建議修訂國內交流腐蝕可能性評價準則。

關鍵詞：金屬管道；交流腐蝕；陰極保護；極化電位；試片；機理；標準

當金屬管道與交流輸電線路、交流牽引鐵路并行和/或交叉時，可能因電磁感應、電阻性耦合或電容性耦合導致管道受到交流干擾。鋼質管道的交流腐蝕是交流干擾帶來的負面影響之一。人們很久以前就已經認識到交流電會引起鋼的腐蝕，但在很長一段時間內業界認為交流腐蝕遠小于等量直流電流所造成的腐蝕，而且普遍認為用陰極保護可以很容易緩解交流腐蝕。20世紀90年代起，在受到良好陰極保護的管線上發生了很多起交流腐蝕失效事件，引起了人們對交流腐蝕問題的重新審視。交流腐蝕的機理是目前腐蝕學界的一個研究熱點，但尚無一致認可機理。

1 交流腐蝕機理簡介

1.1 早期交流腐蝕研究

1900年，人們就注意到交流腐蝕問題。美國國家標準局早期研究認為60?Hz的交流電流引起的腐蝕僅為等量直流電流造成金屬腐蝕的1%，其交流/直流腐蝕失重百分比見圖1[1]。圖中所有的實驗數據都基于5A/m2交流電流密度。

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圖1交流腐蝕與直流腐蝕造成的失重比（鐵電極）

在交流腐蝕問題的早期研究中，諸多研究者都認為可以通過陰極保護來緩解交流腐蝕[2]。1990年，德國某聚乙烯防腐層管道發生腐蝕穿孔失效，該管道與一條交流（16.67Hz）牽引的鐵路平行。Prinz等人[3]在對該腐蝕失效事件進行調查后，將腐蝕的原因歸結為鐵路系統引起的交流腐蝕。在腐蝕失效地點，管道的極化電位為﹣1?000?mVCSE，腐蝕產物的pH值為10，這些數據表明陰極保護系統運行正常，滿足相關工業標準要求。

到目前為止，研究的多個交流腐蝕機理都沒有得到一致認可，包括氧化膜/銹層機理[4]、堿性化機理[5]、堿土金屬離子/堿金屬離子機理[6]等。

1.2 堿土金屬離子/堿金屬離子機理

CEOCOR[6]介紹了不同種類離子對破損點遠地電阻（擴散電阻）的影響。堿土金屬離子（如Ca2+和Mg2+）與堿金屬離子（如Na+，K+，L+）的濃度比似乎對交流腐蝕行為有重要的影響。

陰極保護的陰極反應令破損點周邊的pH值升高，富集氫氧根離子。如果破損點周邊有堿土金屬離子，就有可能生成Mg（OH）2和/或CaCO3等不溶物。這些不溶物導致破損點的擴散電阻升高。與此相反，如果破損點周邊有大量的堿金屬離子，會生成溶解度很高、具有強烈吸濕性的反應產物。這些反應產物令破損點周邊的局部電阻率顯著下降，又進一步增大了直流電流密度以及交流電流密度，而增大的直流電流密度又導致破損點周邊的氫氧根離子濃度增大…形成了惡性循環：高直流電流密度（很負的電位）導致交直流電流密度進一步增大，見圖2。

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圖2電流密度的惡性循環示意圖

圖3展示在某管道實測的試片極化電位與交流電流密度的關系。該管道與交流輸電線路長距離并行，在管道附近埋設1?cm?試片，實測試片交流電流密度，其與試片極化程度有一定相關性，試片極化電位越負，交流電流密度越高。

圖3試片（1?cm?）交流電流密度與極化電位的關系

受陰極電流的影響，破損點的擴散電阻可能升高，也可能降低，這取決于堿土金屬離子與堿金屬離子的濃度比。該濃度比也影響了破損點的交流電流密度和交流腐蝕行為。

2 交流腐蝕可能性評估

交流電壓一度與交流電流密度、直流電流密度、防腐層破損大小以及土壤電阻率等因素一起被列為評價交流腐蝕可能性的重要指標。歐洲DD?CEN-TS 15280:2006 標準[7]中曾提出：

為了消除埋地管道上交流腐蝕，在管道沿線選定的測試樁上測得的交流電壓不應超過以下限值：在土壤電阻率高于25??·m地段，交流電壓值不超過10?V；在土壤電阻率低于25??·m地段，交流電壓值不超過4?V。這是歐洲腐蝕工作者長期實踐總結出來的，是顯著控制管道交流腐蝕的極限值。

該標準中仍將交流電壓作為重要的評價指標，但是在最新的BS?EN 15280:2013[8]版本中刪除了以上關于交流電壓限值的描述。

GB/T50698―2011[9]標準中也提出了管道交流電壓的限值：當管道上的交流干擾電壓不高于4V時，可不采取交流干擾防護措施；高于4?V時，應采用交流電流密度進行評估，交流電流密度可按下式計算：

式中：JAC評估的交流電流密度，A/m；V交流干擾電壓有效值的平均值，V；ρ土壤電阻率，·m；d 破損點直徑，m。（注：①ρ值應取交流干擾電壓測試時，測試點處與管道埋深相同的土壤電阻率實測值。② d 值按發生交流腐蝕最嚴重考慮，取0.0113。）

根據業界最近的研究和實踐，交流電壓不能作為交流腐蝕嚴重程度的評價指標。事實上不存在評判交流腐蝕風險高低的交流電壓門檻值，即使交流電壓很低，交流電流密度也可能遠超公認的臨界值100A/m。如圖4所示案例，某管道埋設環境電阻率較低（10??·m左右），管道實測交流電壓很低（低于4V），但是使用試片實測的交流電流密度超過1?000?A/m?，最大值為1699A/m。按照GB/T?50698―2011的規定，管道上的交流干擾電壓不高于4 V時可不采取交流干擾防護措施，但是該管道的交流電流密度極大，具有很高的交流腐蝕風險。此外，從圖 4發現，使用公式（1）計算得到的交流電流密度仍低于100A/m?，與實測交流電流密度有很大的誤差。

圖4案例中交流電壓與交流電流密度曲線

ISO18086[10]中使用交流電流密度以及交流電流密度與直流電流密度的比值來評價交流腐蝕的風險，標準要求如下：

“……滿足ISO15589―1:2015表 1中規定的陰極保護電位以及以下要求可以有效地減緩交流腐蝕：

在代表性時間段內（如24h）維持1cm?試片或探針的平均交流電流密度（rms）低于30A/m，或者如果平均交流電流密度（rms）超過30A/m?，則在代表性時間段內（如24h）維持1cm?試片或探針的平均陰極電流密度低于1A/m?，或者在代表性時間段內（如24h）維持交流電流密度（Ja.c.）與直流電流密度（Jd.c.）之比低于5。

NACESP21424[11]標準中針對有效陰極保護情況下的交流腐蝕控制提供了以下電流密度準則：

除非已由其他方式證明交流腐蝕控制是有效的，平均交流電流密度值不應超過以下數值：

30A/m，如直流電流密度超過1A/m；

100A/m，如直流電流密度小于1A/m?。

上述交流電流密度和直流電流密度是使用試片實測的數值。

由于破損點附近局部土壤電阻率對電流密度有很大的影響，所以使用公式（1）計算得到的交流電流密度不會等同于實際的交流電流密度。這是因為地表測量得到的土壤電阻率是一定深度范圍內的平均電阻率，而破損點周邊的局部電阻率與這個平均電阻率可能有很大的不同，尤其是有陰極保護的時候。這也是NACE?SP21424以及ISO?18086標準推薦使用試片實測交流電流密度的原因。

試片或ER腐蝕速率探針可以用于交流腐蝕的檢測評價以及腐蝕緩解有效性評價。ISO?18086和NACE?SP21424都推薦使用1?cm?試片進行交流腐蝕風險的評估，這與評價陰極保護的有效性是不同的，在陰極保護應用中試片用于模擬防腐層上有可能出現的最大的破損點。

有一點應該引起業界注意，近年來報道的交流腐蝕案例主要出現在FBE和3LPE防腐層管道上。這些防腐層有非常優異的介電絕緣性能，防腐層上的破損點也比較少。在受到外界干擾時，防腐層的絕緣性能越好，破損點的交流電流密度越大，發生交流腐蝕的風險就越高。從陰極保護的角度看，需要優異的防腐層，減少破損點的數量和面積、擴大陰極保護系統的保護長度/范圍；但是從雜散電流干擾的角度看，防腐層性能越優異，雜散電流干擾越強烈。

3 有交流干擾情況下的陰極保護準則

有交流干擾情況下的陰極保護準則是目前管道界的一個研究熱點和難點，交流電流密度超過100?A/m?時，即使滿足陰極保護準則也可能會發生交流腐蝕。許多學者都試圖確定在交流干擾情況下的陰極保護電位準則。Wakelin[12]的實驗表明即使在-1.15?VCSE的極化電位情況下，仍然有交流腐蝕發生；Ormellese[13] 提出當極化電位介于﹣1.00～ ﹣1.15?VCSE、交流與直流電流密度比低于200且沒有過保護時，陰極保護可以抑制交流腐蝕。

杜艷霞[14]最新的研究表明：當交流電流密度大于30?A/m2時，如果逐步增大極化水平，從﹣0.84 VCSE變化至﹣1.27?VCSE（﹣0.77～﹣1.20?VCSE），腐蝕速率逐步降低，在﹣1.07～﹣1.17?VCSE（﹣1.00 ～﹣1.10?VCSE）時達到最低，但是當極化電位負于﹣1.17?VCSE（﹣1.10?VCSE）時，腐蝕速率出現快速上升（圖？5）。應控制陰極保護極化電位避免發生析氫，進而避免增大交流腐蝕風險。在該研究中提出了在有交流干擾時基于土壤類型的陰極保護電位準則（圖？6）。

圖5土壤模擬溶液（4?g/L?Na2SO4）極化電位與腐蝕速率的關系

圖6交流干擾情況下低碳鋼的陰極保護準則

（土壤模擬溶液：4g/LNa2SO4）

雖然在交流干擾情況下的陰極保護準則尚無定論，但是過負的陰極保護電位可以促進交流腐蝕這一結論是得到廣泛認可的。近年來國內發生了多起交流腐蝕案例，在事后調查中發現這些案例中的埋地管道有多個共同點（其中包含保護電位過負）：與高壓輸電線路或交流電氣化鐵路長距離并行、防腐層性能優異（3LPE或FBE）、土壤電阻率很低、交流電流密度超過100?A/m?以及極化電位很負。圖？7展示的交流腐蝕案例的現場測試數據符合上述的所有共同點，在現場使用1?cm?試片測試斷電電位和交流電流密度，試片的斷電電位很負（接近﹣1?200?m?VCSE）。

圖7某長輸管道的實測交流電流密度與斷電電位

綜上所述，在交流腐蝕風險較高的區域，應限制極化電位的水平，避免較負的電位引起交流腐蝕加速。某些標準推薦使用更大的保護電流密度（更負的極化電位）來抑制交流腐蝕，這有可能會加速交流腐蝕。

4 結論與建議

（1）不宜使用交流電壓作為評價交流腐蝕風險的指標，應使用交流電流密度評價發生交流腐蝕的可能性。

（2）使用式（1）計算得到的交流電流密度不等同于防腐層破損點處的實際交流電流密度，應使用1 cm2的埋地試片實測交流電流密度；交流電流密度的限值可參考ISO 18086和NACE SP21424等標準的規定。

（3）在存在交流干擾的工況下，﹣850 mVCSE極化電位準則未必能提供有效的保護。

（4）在交流及直流電流密度都很低的情況下，可以使用陰極保護來緩解交流腐蝕，但是當交流或直流電流密度很高時，陰極保護未必能緩解交流腐蝕。過負的陰極保護電位有可能促進交流腐蝕。

（5）國內相關標準中交流腐蝕可能性的評價準則以及陰極保護對交流腐蝕的緩解作用等內容亟待修訂。

（6）埋地管道如滿足以下多個或全部條件，即視為具有很高的交流腐蝕風險，應予以特別注意：①在地表測試得到的平均土壤電阻率很低，比如低于25?·m； ②直流電流密度很大（大于1A/cm2）或極化電位過負；③交流電流密度很大（大于100A/m2）；④防腐層絕緣性能優異（如FBE或3LPE防腐層）；⑤與交流輸電線路或交流電氣化鐵路長距離并行。

參考文獻：

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[3]W. Prinz, Alternating Current Corrosion of Cathodically Protected Pipelines, Proceedings of the 1992 International Gas Research Conference, held November 16-19, 1992 （Government Institutes Inc., Rockville, MD: 1993）。

[4]BS EN 15280:2013, Evaluation of a.c. corrosion likelihood of buried pipelines applicable to cathodically protected pipelines （Brussels, Belgium: CEN）。

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[8]BS EN 15280:2013, Evaluation of a.c. corrosion likelihood of buried pipelines applicable to cathodically protected pipelines, London, England: BSI.

[9]中國石油天然氣集團公司。埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準：GB/T 50698-2011[S].2011-05-12.

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