直流雜散電流對X65鋼腐蝕行為的影響

楊超，張成斌，李自力，趙雅蕾，崔淦，丁小勇

（1.中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，青島266580；2.北京油氣調控中心，北京100007）

直流雜散電流對X65鋼腐蝕行為的影響

楊超1，張成斌1，李自力1，趙雅蕾1，崔淦1，丁小勇2

（1.中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，青島266580；2.北京油氣調控中心，北京100007）

采用電化學方法對不同直流干擾下X65鋼的自腐蝕電位、極化曲線和電化學阻抗譜進行了測試，研究了直流雜散電流對X65鋼腐蝕行為的影響。結果表明：當直流干擾小于0.5 A時，X65鋼會發生鈍化，腐蝕速率降低；當直流干擾大于0.5 A時，保護膜被溶解，腐蝕轉向活性溶解過程，X65鋼腐蝕加劇。

直流雜散電流；X65鋼；腐蝕；自腐蝕電位；極化曲線；電化學阻抗譜

能源需求的快速發展，電力基礎設施和天然氣管道工程的快速建設，將會造成局部管道不可避免地進入直流輸電干擾影響區內。高壓直流輸電系統、直流電氣化鐵路和軌道交通［1］等直流電氣化設施在運行過程中一部分運行電流不可避免地會進入到土壤中形成雜散電流，對埋地管道產生腐蝕。尤其是近年發展的新技術高壓直流輸電，目前在國內已建成許多換流站接地極，在單極運行期間，雖然影響周期短，但影響范圍卻很廣，影響程度極其劇烈。2005年，國家發展和改革委員會發布了DL／T 5224－2005《高壓直流輸電大地返回系統設計技術規定》，規定了“如果接地極與地下金屬管道最小距離（d）小于10 km，或者地下金屬管道的長度大于d，應計算接地極電流對這些設施產生的不良影響”。但在實際的工程建設中發現，當直流接地極單極運行時，距離直流接地極50 km遠處的干擾程度都不能忽視。

目前，國內外對埋地管道交流雜散電流干擾的研究已經比較成熟，對交流干擾的檢測方法、干擾程度的判斷方法以及相關的排流措施等都有了一套相對完善的系統；與交流雜散電流相比，直流雜散電流腐蝕量大，排流點的腐蝕破壞嚴重［2］，而對于直流雜散電流干擾的研究，國內管道相關部門卻未起步。因此，本工作研究不同強度直流電流對X65鋼的腐蝕規律，以期探究直流雜散電流對埋地管線鋼的腐蝕規律以及相關的防護措施。

1 試驗

1.1 試樣及溶液

試驗材料為X65鋼，其化學成分為：wC0.03％，wSi0.17％，wMn1.51％，wP0.024％，wS0.005％，wNi0.17％，wCu0.04％，wMo0.16％，wN0.006％，wNb0.06％，wAl0.02％，wTi0.01％，wFe97.795％。

試樣尺寸為10 mm×10 mm×2 mm，將銅線焊接在試樣背面并用環氧樹脂對試片的背面和側面進行封裝，留下1 cm×1 cm工作面。砂紙逐級打磨試樣的工作面至1 200號呈光亮鏡面，用丙酮和去離子水清洗試片表面，并放入干燥箱內干燥備用。

為了更加準確地測試直流干擾對X65鋼腐蝕行為的影響，試驗溶液使用土壤模擬溶液［3-5］，溶液成分為0.1 mol／L Cl－+0.1 mol／L SO42－+ 0.1 mol／L HCO3－。

1.2 試驗方法

整個試驗包括直流干擾和電化學測試兩部分，見圖1。直流干擾部分主要包括可穩定追蹤的直流電源SS2323以及正負石墨電極，它的主要作用是通過恒電流或恒電位輸出在土壤模擬溶液中產生穩定的直流雜散電流；電化學試驗采用PARATAT2273電化學工作站，試驗采用三電極體系，工作電極為試樣，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），輔助電極為鉑片。文中電位若無特指，均相對于SCE。

采用SS2323直流，施加不同恒電流，測試不同恒電流作用下，試樣在腐蝕溶液中的開路電位。極化曲線測試掃描范圍為Ecorr±250 mV，掃描速率為1 mV／min。電化學阻抗譜的測試頻率為5 m Hz～100 k Hz，擾動信號為幅值10 mV正弦波。

將整個試驗裝置置于GDJS-408恒溫恒濕箱中，當試驗系統穩定后，通過電化學工作站先測試工作電極的開路電位，然后再依次測試電化學阻抗譜和極化曲線［6-9］。

2 結果與討論

2.1 直流干擾對X65開路電位的影響

金屬的開路電位是指在無外加電流的情況下，金屬達到穩定腐蝕狀態時的電位，也就是金屬的自腐蝕電位（Ecorr）。開路電位越負，表示金屬被腐蝕的趨勢也就越大［10］。

由圖2可見，當直流干擾小于0.5 A時，X65鋼的Ecorr反而正于無干擾時的，此時X65鋼的腐蝕傾向變小；當直流干擾大于0.5 A時，隨著直流干擾繼續增大，X65鋼的Ecorr迅速變負，此時X65鋼的腐蝕傾向增大。

2.2 直流干擾對X65鋼極化曲線的影響

由圖3可見，直流雜散電流對X65鋼陰極極化曲線的影響更加劇烈。總的來說，直流雜散電流的增加使得X65鋼的自腐蝕電位向負向偏移，當直流雜散電流為0.5 A和1 A時，X65鋼的自腐蝕電位略正大于無干擾時的，這表明此時試樣的腐蝕速率略有下降。隨著直流干擾進一步增大，腐蝕電位負移，腐蝕速率增大。

由表1可見，無直流干擾時，陽極Tafel常數βa與陰極Tafel常數βc比較接近，此時腐蝕過程由陽極和陰極混合控制。隨著直流干擾的增大，陽極Tafel常數βa與陰極Tafel常數βc的差值逐漸變大，腐蝕過程由混合控制逐漸向陽極控制轉變。

2.3 直流干擾對X65鋼電化學阻抗譜的影響

由圖4可見，當直流干擾為0.5 A時，圓弧直徑最大，也就是說此時X65鋼表面的反應電阻最大，而直流干擾為0 A和1 A時的電極表面反應電阻基本相等。不同直流干擾下的X65鋼表面反應電阻Rs的變化趨勢見圖5。

表1 不同直流干擾下的X65鋼的極化曲線擬合結果Tab.1 Fitting results of polarization curves for X65 steel electrode with different DC interference

由圖5可見，當直流干擾為0.5 A時，X65鋼的表面反應電阻明顯比沒有干擾時的電極表面反應電阻大；而隨著交流干擾電壓的進一步增大，X65鋼的表面反應電阻迅速減小。綜合圖1、圖3和圖5，當直流干擾為0.5 A時，與沒有干擾時的相比，X65鋼表面反應電阻增大，粒子的擴散阻力增大，轉移速率變慢，從而腐蝕傾向變小，腐蝕速率變慢。

直流干擾對X65鋼的影響是通過在溶液中形成電場來實現的，與交流干擾相比，通過比較X65鋼在不同直流干擾下的自腐蝕電位、極化曲線和電化學阻抗譜，從鈍化的角度來分析，當外加電流較小時，在溶液中形成的電場使得X65鋼表面發生鈍化，X65鋼的自腐蝕電位升高，腐蝕傾向變小，同時表面反應電阻增大，反應動力減小，腐蝕速率較低；當外加電流增大時，鈍化膜的溶解速率大于形成速率，X65鋼的自腐蝕電位減小，電位差增大，腐蝕過程轉向活性溶解過程，此時X65鋼更容易被腐蝕［11-14］。

3 結論

（1）當直流干擾小于0.5 A時，與沒有干擾時的相比，X65鋼表面反應電阻增大，自腐蝕電位變正，自腐蝕電流密度減小；當直流干擾較小時，會使X65鋼發生鈍化，使得腐蝕傾向和腐蝕速率降低。

（2）當直流干擾大于0.5 A時，隨著直流干擾繼續增大，X65鋼的表面反應電阻迅速減小，自腐蝕電位變負，自腐蝕電流密度迅速增大；說明當直流干擾較大時，會將X65鋼表面的防護膜擊穿，使得腐蝕速率隨著直流干擾的增加迅速增大。

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Effects of Direct Current Interference on Corrosion Behavior of X65 Steel

YANG Chao1，ZHANG Cheng-bin1，LI Zi-li1，ZHAO Ya-lei1，CUI Gan1，DING Xiao-yong2
（1.College of Pipeline and Civil Engineering in China University of Petroleum，Qingdao 266580，China；2.Oil and Gas Control Center in Beijing，Beijing 100007，China）

Electrochemical experiments were performed to test the free corrosion potential，polarization curve and EIS of X65 steel under the influence of different direct current interference，and the effects of direct current interference on corrosion behavior of X65 steel were investigated.The results showed that when DC stray current＜0.5 A，X65 steel was in passivation and corrosion rate lowered.When DC stray current＞0.5 A，the film was dissolved，corrosion of X65 turned into active dissolution process and corrosion rate increased.

DC stray current；X65 steel；corrosion；free corrosion potential；polarization curve；EIS

U177

：A

：1005-748X（2016）11-0873-03

10.11973／fsyfh-201611003

2015-07-06

國家科技重大專項（2008ZX05017-04-01）

李自力（1963－），教授，主要從事油氣儲運系統安全工程的研究工作，15053293355，cygcx＠163.com