交流干擾影響下的最小陰極保護電位

楊 濤，曹 備，吳蔭順，和宏偉，楊 江

（1.北京科技大學 腐蝕與防護中心，北京100083；2.北京市燃氣集團有限責任公司，北京100011）

隨著國民經濟的迅速發展，大型電氣化鐵路、輸電線等交流供電線路的大規模建立。根據路權擇優的原則，交流供電線路與埋地管線通常并行或者交叉布置。這就導致交流電流輸送過程中產生的交流雜散電流對埋地管線產生交流干擾和誘發交流腐蝕。根據研究表明，在交流干擾的影響下，傳統的陰極保護準則-850mV陰極保護電位不再適用［1］。本工作針對交流干擾影響破壞陰極保護系統，探究新的適用于交流干擾下的陰極保護準則［2］。

1 試驗

試驗裝置見圖1。試驗裝置由兩條回路組成，一條是由信號發生器、1 000Ω電流密度的標準電阻、碳棒以及試樣組成的干擾回路，負責對試樣施加交流干擾；電流密度用來確定流過試樣表面的干擾。另一條是測量回路，由ps-268A測試儀、試樣和碳棒組成的，負責對試樣進行測量以及提供陰極保護。此外，在測量回路中的碳棒一端加入5μF的電容并在干擾回路中的碳棒一端加入10H的電感線圈，使干擾和測量兩條回路避免互相干擾。

圖1 試驗裝置圖

試驗材料為Q235鋼，試驗介質為北京地區土壤模擬溶液，成分配比：0.25%NaCl＋0.1%NaNO3＋0.1%Na2SO4＋0.05%Na2CO3（純化學試劑配制）。首先利用ps-268電化學工作站分別進行0，30，50，70，100A·m-2交流干擾下-0.035mA·cm-2恒電流極化試驗。然后利用交流信號發生器將流過浸泡于模擬溶液中的試樣表面交流電流密度分別確定為0，30，50，70，100A·m-2，同時利用pS-268電化學工作站進行不同電位的恒電位極化試驗。本工作保護電位值均相對于飽和硫酸銅參比電極（CSE）。交流干擾信號為50Hz方波。試驗過程中，試樣浸入模擬溶液中后延遲10min雙電層穩定后進行極化，極化時間均為200min。

2 結果與討論

2.1 恒電流極化試驗

圖2為不同交流電流密度干擾下-0.035mA·cm-2恒電流下保護電位隨時間的變化圖。由圖2可見，在無交流干擾情況下-0.035mA·cm-2恒電流極化下得到的保護電位基本穩定在-900mV左右，當交流干擾存在時，保護電位曲線出現波動。當存在交流干擾時，保護電位波動范圍內的電位值較無干擾情況下向正向移動，并且隨著干擾增大，整個波動范圍有整體向正向移動的趨勢。這說明交流干擾有陽極極化的作用，與陰極極化有相反的趨勢。

圖2 不同交流電流密度干擾下-0.035mA·cm2恒電流極化圖

無交流干擾存在情況下，保護電流密度用于金屬表面上陰極保護膜的建立與維持，在過度保護的情況下（達到析氫過電位）提供析氫反應電流密度，即提供溶液中去極化作用需要的電荷。當交流干擾存在時，保護電流密度又要提供交流干擾帶來的陽極極化作用所消耗的電荷。由此，傳統的陰極保護準則不再適用。

2.2 交流雜散電流密度干擾下保護電流密度趨勢曲線試驗

按照試驗裝置圖連接好試驗電路，測量各個干擾下保護電流密度隨時間的變化曲線，通過線性擬合后得到的斜率判斷曲線的趨勢，改變極化電位尋找最小陰極保護電位。

圖3 無交流干擾情況下恒電位極化圖

圖3 為無干擾下的各個恒電位極化圖。由圖3可見，當極化電位為-800mV時，保護電流密度曲線呈現水平趨勢。

圖4為在30A·m-2交流電流密度干擾下的各個趨勢曲線圖。

圖4 30A·m-2交流干擾下恒電位極化圖

圖4中曲線在交流干擾影響下出現了小范圍密集的波動，這是由于交流干擾破壞了雙電層并且阻礙了雙電層的穩定存在，所以為了保持恒定的電位，保護電流密度必將上下波動以抵抗交流干擾的影響。由圖4還可發現，當極化電位為-850mV時，曲線呈現出水平趨勢。

50A·m-2交流干擾下曲線也出現了波動（見圖5），由曲線的趨勢判斷-915mV為此干擾下的出現水平趨勢的電位。

圖5 50A·m-2交流干擾下恒電位極化圖

圖6 與圖7所示分別為70A·m-2與100A·m-2交流干擾下的趨勢曲線圖，出現水平趨勢的極化電位分別為-955mV和-990mV。

由以上趨勢曲線可以發現，在不同的極化電位下，保護電流密度隨時間的變化曲線出現了上升、水平以及下降三種情況。這是由于陰極極化是抵抗去極作用和交流干擾陽極極化作用的過程，當極化電位恰好可以提供合適驅動力的時候，曲線趨于水平，驅動力過高時曲線上升而過低時曲線下降。

圖8為最小陰極保護電位確定因素圖。結合以上的分析以及保護電流密度的作用得出結論：當曲線為上升趨勢的時候，對試樣的保護處于過保護狀態；當曲線為下降趨勢的時候，對試樣的保護為欠保護狀態；而當曲線為水平趨勢的時候就是希望得到的最小（最正值）陰極保護電位。

圖8 交流干擾下極化驅動力分析圖

圖9為通過對以交流電流密度為橫坐標以最小陰極保護電位為縱坐標的各個點進行擬合可以得到最小陰極保護電位曲線。

由圖9中曲線可以得出最小陰極保護電位的限值公式。在0～100A·m-2交流電流密度干擾范圍內，最小陰極保護電位限值公式為：

圖9 最小陰極保護電位擬合曲線圖

式中：Ep為確定交流電流密度干擾下的相應最小陰極保護電位，mV；JAC為交流干擾電流密度，A·m-2。

利用公式可以在已知交流干擾電流密度的情況下計算出在該干擾下應提供陰極保護電位的最正值，對埋地管線施加有效保護進行指導幫助或者評估已有保護是否達到保護要求；在已知埋地管線陰保電位的情況下，可以計算得到此電位可抵抗的最大交流干擾電流密度，作為相應陰保下埋地管線腐蝕風險評價準則。總而言之，當保護電位負于或等于一定交流干擾電流密度下的最小陰極保護電位，保護為有效保護；在一定陰極保護電位保護下，干擾電流密度大于此保護電位可抵抗的最大交流干擾，埋地管線存在腐蝕危險。

3 結論

（1）交流干擾可以破壞陰極保護系統，其對于溶液中的試樣具有陽極極化作用，原有陰保準則只考慮溶液反應帶來的去極化作用而忽略了陽極極化驅動力導致經典的陰極保護電位準則失效。

（2）通過保護電流密度隨時間的變化曲線趨勢可以得到交流干擾下的最小陰極保護電位：當曲線為上升趨勢的時候，對試樣的保護處于過保護狀態；當曲線為下降趨勢的時候，對試樣的保護為欠保護狀態；而使曲線為水平趨勢的電位為最小陰極保護電位。

（3）在0～100A·m-2交流干擾電流密度范圍內的最小陰極保護電位限值公式為Ep＝-1 030＋230／［1＋（JAC／52）×2.4］。

［1］杜晨陽，曹備，吳蔭順.交流電干擾下-850mV（CSE）陰極保護電位準則的適用性研究［J］.腐蝕與防護，2009，30（6）：655-659.

［2］杜晨陽，曹備，吳蔭順.交流干擾下新的保護電位準則的探討［J］.腐蝕與防護，2010，31（8）：847-850.