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交流腐蝕——實(shí)踐與標(biāo)準(zhǔn)的新動(dòng)向

2021-02-01 13:53:48 作者：本網(wǎng)整理來源：管道保護(hù) 分享至：

交流腐蝕——實(shí)踐與標(biāo)準(zhǔn)的新動(dòng)向

劉國(guó) 牟南翔葛彩剛

北京凱斯托普科技有限公司

摘要：鋼質(zhì)管道的交流腐蝕是交流干擾帶來的負(fù)面影響之一，至今尚無一致認(rèn)可的交流腐蝕機(jī)理，是目前腐蝕學(xué)界的研究熱點(diǎn)，而有交流干擾情況下的陰極保護(hù)準(zhǔn)則也是管道界的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。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(jī)理，重點(diǎn)分析了各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)交流腐蝕的評(píng)估條件。指出應(yīng)使用1 cm2的埋地試片實(shí)測(cè)交流電流密度；用交流電流密度評(píng)價(jià)發(fā)生交流腐蝕的可能性；交流腐蝕主要出現(xiàn)在FBE和3LPE防腐層管道上，應(yīng)限制極化電位水平，避免較負(fù)的電位引起交流腐蝕加速。建議修訂國(guó)內(nèi)交流腐蝕可能性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。

關(guān)鍵詞：金屬管道；交流腐蝕；陰極保護(hù)；極化電位；試片；機(jī)理；標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)金屬管道與交流輸電線路、交流牽引鐵路并行和/或交叉時(shí)，可能因電磁感應(yīng)、電阻性耦合或電容性耦合導(dǎo)致管道受到交流干擾。鋼質(zhì)管道的交流腐蝕是交流干擾帶來的負(fù)面影響之一。人們很久以前就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到交流電會(huì)引起鋼的腐蝕，但在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)業(yè)界認(rèn)為交流腐蝕遠(yuǎn)小于等量直流電流所造成的腐蝕，而且普遍認(rèn)為用陰極保護(hù)可以很容易緩解交流腐蝕。20世紀(jì)90年代起，在受到良好陰極保護(hù)的管線上發(fā)生了很多起交流腐蝕失效事件，引起了人們對(duì)交流腐蝕問題的重新審視。交流腐蝕的機(jī)理是目前腐蝕學(xué)界的一個(gè)研究熱點(diǎn)，但尚無一致認(rèn)可機(jī)理。

1 交流腐蝕機(jī)理簡(jiǎn)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(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局早期研究認(rèn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(rèn)為可以通過陰極保護(hù)來緩解交流腐蝕[2]。1990年，德國(guó)某聚乙烯防腐層管道發(fā)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(duì)該腐蝕失效事件進(jìn)行調(diào)查后，將腐蝕的原因歸結(jié)為鐵路系統(tǒng)引起的交流腐蝕。在腐蝕失效地點(diǎn)，管道的極化電位為﹣1?000?mVCSE，腐蝕產(chǎn)物的pH值為10，這些數(shù)據(jù)表明陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行正常，滿足相關(guān)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

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

1.2 堿土金屬離子/堿金屬離子機(jī)理

CEOCOR[6]介紹了不同種類離子對(duì)破損點(diǎn)遠(yuǎn)地電阻（擴(kuò)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(duì)交流腐蝕行為有重要的影響。

陰極保護(hù)的陰極反應(yīng)令破損點(diǎn)周邊的pH值升高，富集氫氧根離子。如果破損點(diǎn)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(dǎo)致破損點(diǎn)的擴(kuò)散電阻升高。與此相反，如果破損點(diǎn)周邊有大量的堿金屬離子，會(huì)生成溶解度很高、具有強(qiáng)烈吸濕性的反應(yīng)產(chǎn)物。這些反應(yīng)產(chǎn)物令破損點(diǎn)周邊的局部電阻率顯著下降，又進(jìn)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(dǎo)致破損點(diǎn)周邊的氫氧根離子濃度增大…形成了惡性循環(huán)：高直流電流密度（很負(fù)的電位）導(dǎo)致交直流電流密度進(jìn)一步增大，見圖2。

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圖2電流密度的惡性循環(huán)示意圖

圖3展示在某管道實(shí)測(cè)的試片極化電位與交流電流密度的關(guān)系。該管道與交流輸電線路長(zhǎng)距離并行，在管道附近埋設(shè)1?cm?試片，實(shí)測(cè)試片交流電流密度，其與試片極化程度有一定相關(guān)性，試片極化電位越負(fù)，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(guān)系

受陰極電流的影響，破損點(diǎn)的擴(kuò)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(diǎn)的交流電流密度和交流腐蝕行為。

2 交流腐蝕可能性評(píng)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(píng)價(jià)交流腐蝕可能性的重要指標(biāo)。歐洲D(zhuǎn)D?CEN-TS 15280:2006 標(biāo)準(zhǔn)[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(cè)試樁上測(cè)得的交流電壓不應(yīng)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(zhǎng)期實(shí)踐總結(jié)出來的，是顯著控制管道交流腐蝕的極限值。

該標(biāo)準(zhǔn)中仍將交流電壓作為重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，但是在最新的BS?EN 15280:2013[8]版本中刪除了以上關(guān)于交流電壓限值的描述。

GB/T50698―2011[9]標(biāo)準(zhǔn)中也提出了管道交流電壓的限值：當(dāng)管道上的交流干擾電壓不高于4V時(shí)，可不采取交流干擾防護(hù)措施；高于4?V時(shí)，應(yīng)采用交流電流密度進(jìn)行評(píng)估，交流電流密度可按下式計(jì)算：

式中：JAC評(píng)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(diǎn)直徑，m。（注：①ρ值應(yīng)取交流干擾電壓測(cè)試時(shí)，測(cè)試點(diǎn)處與管道埋深相同的土壤電阻率實(shí)測(cè)值。② d 值按發(fā)生交流腐蝕最嚴(yán)重考慮，取0.0113。）

根據(jù)業(yè)界最近的研究和實(shí)踐，交流電壓不能作為交流腐蝕嚴(yán)重程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。事實(shí)上不存在評(píng)判交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)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(yuǎn)超公認(rèn)的臨界值100A/m。如圖4所示案例，某管道埋設(shè)環(huán)境電阻率較低（10??·m左右），管道實(shí)測(cè)交流電壓很低（低于4V），但是使用試片實(shí)測(cè)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(guī)定，管道上的交流干擾電壓不高于4 V時(shí)可不采取交流干擾防護(hù)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(fēng)險(xiǎn)。此外，從圖 4發(fā)現(xiàn)，使用公式（1）計(jì)算得到的交流電流密度仍低于100A/m?，與實(shí)測(cè)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(píng)價(jià)交流腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，標(biāo)準(zhǔn)要求如下：

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

在代表性時(shí)間段內(nèi)（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(shí)間段內(nèi)（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(shí)間段內(nèi)（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(biāo)準(zhǔn)中針對(duì)有效陰極保護(hù)情況下的交流腐蝕控制提供了以下電流密度準(zhǔn)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(yīng)超過以下數(shù)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(shí)測(cè)的數(shù)值。

由于破損點(diǎn)附近局部土壤電阻率對(duì)電流密度有很大的影響，所以使用公式（1）計(jì)算得到的交流電流密度不會(huì)等同于實(shí)際的交流電流密度。這是因?yàn)榈乇頊y(cè)量得到的土壤電阻率是一定深度范圍內(nèi)的平均電阻率，而破損點(diǎn)周邊的局部電阻率與這個(gè)平均電阻率可能有很大的不同，尤其是有陰極保護(hù)的時(shí)候。這也是NACE?SP21424以及ISO?18086標(biāo)準(zhǔn)推薦使用試片實(shí)測(cè)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(cè)評(píng)價(jià)以及腐蝕緩解有效性評(píng)價(jià)。ISO?18086和NACE?SP21424都推薦使用1?cm?試片進(jìn)行交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估，這與評(píng)價(jià)陰極保護(hù)的有效性是不同的，在陰極保護(hù)應(yīng)用中試片用于模擬防腐層上有可能出現(xiàn)的最大的破損點(diǎn)。

有一點(diǎn)應(yīng)該引起業(yè)界注意，近年來報(bào)道的交流腐蝕案例主要出現(xiàn)在FBE和3LPE防腐層管道上。這些防腐層有非常優(yōu)異的介電絕緣性能，防腐層上的破損點(diǎn)也比較少。在受到外界干擾時(shí)，防腐層的絕緣性能越好，破損點(diǎn)的交流電流密度越大，發(fā)生交流腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)就越高。從陰極保護(hù)的角度看，需要優(yōu)異的防腐層，減少破損點(diǎn)的數(shù)量和面積、擴(kuò)大陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)長(zhǎng)度/范圍；但是從雜散電流干擾的角度看，防腐層性能越優(yōu)異，雜散電流干擾越強(qiáng)烈。

3 有交流干擾情況下的陰極保護(hù)準(zhǔn)則

有交流干擾情況下的陰極保護(hù)準(zhǔn)則是目前管道界的一個(gè)研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)，交流電流密度超過100?A/m?時(shí)，即使?jié)M足陰極保護(hù)準(zhǔn)則也可能會(huì)發(fā)生交流腐蝕。許多學(xué)者都試圖確定在交流干擾情況下的陰極保護(hù)電位準(zhǔn)則。Wakelin[12]的實(shí)驗(yàn)表明即使在-1.15?VCSE的極化電位情況下，仍然有交流腐蝕發(fā)生；Ormellese[13] 提出當(dāng)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(hù)時(shí)，陰極保護(hù)可以抑制交流腐蝕。

杜艷霞[14]最新的研究表明：當(dāng)交流電流密度大于30?A/m2時(shí)，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(shí)達(dá)到最低，但是當(dāng)極化電位負(fù)于﹣1.17?VCSE（﹣1.10?VCSE）時(shí)，腐蝕速率出現(xiàn)快速上升（圖？5）。應(yīng)控制陰極保護(hù)極化電位避免發(fā)生析氫，進(jìn)而避免增大交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。在該研究中提出了在有交流干擾時(shí)基于土壤類型的陰極保護(hù)電位準(zhǔn)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(guān)系

圖6交流干擾情況下低碳鋼的陰極保護(hù)準(zhǔn)則

（土壤模擬溶液：4g/LNa2SO4）

雖然在交流干擾情況下的陰極保護(hù)準(zhǔn)則尚無定論，但是過負(fù)的陰極保護(hù)電位可以促進(jìn)交流腐蝕這一結(jié)論是得到廣泛認(rèn)可的。近年來國(guó)內(nèi)發(fā)生了多起交流腐蝕案例，在事后調(diào)查中發(fā)現(xiàn)這些案例中的埋地管道有多個(gè)共同點(diǎn)（其中包含保護(hù)電位過負(fù)）：與高壓輸電線路或交流電氣化鐵路長(zhǎng)距離并行、防腐層性能優(yōu)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(fù)。圖？7展示的交流腐蝕案例的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)符合上述的所有共同點(diǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)使用1?cm?試片測(cè)試斷電電位和交流電流密度，試片的斷電電位很負(fù)（接近﹣1?200?m?VCSE）。

圖7某長(zhǎng)輸管道的實(shí)測(cè)交流電流密度與斷電電位

綜上所述，在交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)較高的區(qū)域，應(yīng)限制極化電位的水平，避免較負(fù)的電位引起交流腐蝕加速。某些標(biāo)準(zhǔn)推薦使用更大的保護(hù)電流密度（更負(fù)的極化電位）來抑制交流腐蝕，這有可能會(huì)加速交流腐蝕。

4 結(jié)論與建議

（1）不宜使用交流電壓作為評(píng)價(jià)交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)，應(yīng)使用交流電流密度評(píng)價(jià)發(fā)生交流腐蝕的可能性。

（2）使用式（1）計(jì)算得到的交流電流密度不等同于防腐層破損點(diǎn)處的實(shí)際交流電流密度，應(yīng)使用1 cm2的埋地試片實(shí)測(cè)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(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

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

（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(hù)來緩解交流腐蝕，但是當(dāng)交流或直流電流密度很高時(shí)，陰極保護(hù)未必能緩解交流腐蝕。過負(fù)的陰極保護(hù)電位有可能促進(jìn)交流腐蝕。

（5）國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中交流腐蝕可能性的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則以及陰極保護(hù)對(duì)交流腐蝕的緩解作用等內(nèi)容亟待修訂。

（6）埋地管道如滿足以下多個(gè)或全部條件，即視為具有很高的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)予以特別注意：①在地表測(cè)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(fù)；③交流電流密度很大（大于100A/m2）；④防腐層絕緣性能優(yōu)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(zhǎng)距離并行。

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