埋地鋼質(zhì)管道直流雜散電流腐蝕機(jī)理及影響因素研究

李長春　李志宏　王晨　安成名

摘 要：本文通過實(shí)驗(yàn)對埋地鋼質(zhì)管道直流雜散電流腐蝕機(jī)理及影響因素進(jìn)行研究，認(rèn)為：（1）直流雜散電流腐蝕機(jī)理為陽極區(qū)金屬失去電子由鐵變?yōu)殍F離子，陰極區(qū)發(fā)生電解水化學(xué)反應(yīng)；（2）直流雜散電流腐蝕速率與電流強(qiáng)度呈線性相關(guān)；（3）雜散電流強(qiáng)度相同，腐蝕速率隨土壤電阻率增大而下降；（4）直流雜散電流電壓相同，腐蝕速率隨土壤電阻率減小而增大。

關(guān)鍵詞：直流雜散電流；腐蝕；影響因素

中圖分類號：TG174 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0.引言

國內(nèi)地鐵軌道交通以直流供電第三軌回流作為主要供電方式，由于第三軌與大地不能做到完全絕緣，導(dǎo)致部分電流流入大地進(jìn)而流入與地鐵緊鄰的鋼質(zhì)管道上，造成直流雜散電流腐蝕。本文對直流雜散電流腐蝕機(jī)理及影響因素進(jìn)行研究，旨在從本質(zhì)上了解埋地鋼質(zhì)管道直流雜散電流腐蝕，為直流雜散電流防護(hù)提供一定依據(jù)。

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及制備

（1）腐蝕試片。實(shí)驗(yàn)試片為I型標(biāo)準(zhǔn)腐蝕試片，尺寸50×25×2（mm），裸露面積28cm2，材質(zhì)為埋地鋼質(zhì)管道常用的20#鋼。（2）腐蝕介質(zhì)。直流雜散電流腐蝕機(jī)理實(shí)驗(yàn)采用NaCl溶液（模擬土壤中的主要鹽類）作為腐蝕電解質(zhì)，與純凈水按質(zhì)量1∶30的比例組成電解質(zhì)溶液。直流雜散電流腐蝕影響因素實(shí)驗(yàn)采用4組不同土壤電阻率的土壤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，土壤電阻率分別為9.4Ω·m、54.5Ω·m、 94Ω·m、258Ω·m（取所測量土壤電阻率處表層土壤）。（3）實(shí)驗(yàn)前試片的表面處理。用高級脂肪酸鈉溶液洗掉表面油污，清洗后的干凈試片放置于干燥器內(nèi)數(shù)小時(shí)后稱重，記錄每片試片的初始重量mL。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

以恒流源模擬直流雜散電流，試片通過導(dǎo)線與電源正極相連，模擬管道的腐蝕區(qū)域，輸出的電流通過試片、電解質(zhì)溶液、銅導(dǎo)線電極形成回路。試片和銅電極分別作為腐蝕電池的陽極和陰極。

1.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

直流雜散電流腐蝕機(jī)理及電流強(qiáng)度影響實(shí)驗(yàn)參數(shù)：電流強(qiáng)度分別為0.1A、0.5A、1A、1.5A、3A，腐蝕時(shí)間均為1h。雜散電流強(qiáng)度相同，土壤電阻率對腐蝕速率影響實(shí)驗(yàn)參數(shù)：土壤電阻率9.4Ω·m、54.5Ω·m、94Ω·m、258Ω·m，腐蝕時(shí)間為132h，電流強(qiáng)度為0.01A。直流雜散電流電壓相同，土壤電阻率對腐蝕速率影響實(shí)驗(yàn)參數(shù)：土壤電阻率9.4Ω·m、54.5Ω·m，腐蝕時(shí)間為8h，直流電壓50V。

1.4 腐蝕產(chǎn)物的清除、稱重、腐蝕速率計(jì)算

完成腐蝕實(shí)驗(yàn)后，取出試片，按以下步驟去除表面的腐蝕產(chǎn)物：（1）用純凈水沖洗去除試片表面的疏松腐蝕產(chǎn)物；（2）用橡膠皮擦洗試片表面直至疏松腐蝕產(chǎn)物清除干凈；（3）將試片烘干，用天平稱量試片的重量，記為m2；（4）腐蝕速率計(jì)算：

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 直流雜散電流腐蝕現(xiàn)象及腐蝕機(jī)理

（1）腐蝕產(chǎn)物。電源接通后，陰極附近出現(xiàn)氣泡并在液面形成霧狀揮發(fā)物，陽極（腐蝕試片）表面逐漸生成淺綠色絮狀腐蝕產(chǎn)物，繼而變成紅棕色，幾分鐘之后，紅棕色腐蝕產(chǎn)物轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏?，最終腐蝕產(chǎn)物形成黑色絮狀沉淀物，腐蝕試片表面呈現(xiàn)黑色、疏松的附著物。且隨著電流強(qiáng)度逐漸增大，腐蝕沉淀物越多，顏色越深，溶液越渾濁。（2）腐蝕形貌。試片表面附著腐蝕產(chǎn)物，清水沖刷即脫落；去除表層腐蝕產(chǎn)物后，金屬表面附著黑色粉末狀腐蝕產(chǎn)物，需用力搓洗方可去除；試片完全清洗干燥后，表面呈金屬光澤，電流流出端金屬損失較大，腐蝕后的金屬表面較光滑（圖1）。（3）直流雜散電流腐蝕機(jī)理分析。NaCl電解液腐蝕，接通電源后陽極的鐵原子失去電子，變成二價(jià)鐵離子，二價(jià)鐵離子很不穩(wěn)定，繼而被氧化成三價(jià)鐵離子。銅在陰極不參加反應(yīng)，但水中的氫離子在陰極得到電子生成氫氣。土壤腐蝕實(shí)驗(yàn)，接通電源后，陰極由于土壤中的水含氫離子得到電子生成氫氣，有輕微氣泡產(chǎn)生，另外由于電流流動(dòng)陽極的水分逐漸向陰極流動(dòng)，致使陽極土壤硬化。實(shí)驗(yàn)完成后，取出試片可以發(fā)現(xiàn)試片整體腐蝕嚴(yán)重，表層腐蝕產(chǎn)物成紅褐色（Fe2O3），去除表層腐蝕產(chǎn)物后發(fā)現(xiàn)黑色腐蝕產(chǎn)物（Fe（OH）2、Fe3O4），黑色腐蝕產(chǎn)物使用5%稀醋酸浸泡即可去除，去除腐蝕產(chǎn)物后腐蝕表面存在一些腐蝕凹坑（圖2）。

2.2 直流雜散電流腐蝕速率與電流強(qiáng)度關(guān)系

實(shí)驗(yàn)參數(shù)見1.3，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1?？梢园l(fā)現(xiàn)：隨著電流強(qiáng)度的增大，試片腐蝕速率也隨之增大，腐蝕速率與電流強(qiáng)度呈線性相關(guān)。

2.3 直流雜散電流腐蝕速率與土壤電阻率關(guān)系（電流強(qiáng)度一定）

實(shí)驗(yàn)參數(shù)見1.3，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2?？梢园l(fā)現(xiàn)在相同雜散電流強(qiáng)度下，土壤電阻率增大，試片腐蝕速率下降較為明顯，但2461試片腐蝕速率出現(xiàn)反差。這可能是因?yàn)橥寥离娮杪蕼y量時(shí)是測量1m深處土壤電阻率，但取土樣是取的表層土壤，二者存在差別，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)細(xì)微誤差。對比表4和表5可以發(fā)現(xiàn)雖然土壤電阻率對直流雜散電流腐蝕速率有影響，但是影響程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電流強(qiáng)度。

2.4 直流雜散電流腐蝕速率與土壤電阻率關(guān)系（直流電壓一定）

實(shí)驗(yàn)參數(shù)見1.3，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3?？梢园l(fā)現(xiàn)，在相同直流電壓下，土壤電阻率越小，雜散電流腐蝕越嚴(yán)重。因?yàn)橥寥离娮杪试叫。谙嗤绷麟妷合?，流出試片的電流密度越大，?dǎo)致雜散電流腐蝕越嚴(yán)重。

結(jié)語

通過上述實(shí)驗(yàn)對埋地鋼制管道直流雜散電流腐蝕機(jī)理進(jìn)行了合理解釋，通過對直流雜散電流腐蝕影響因素研究，發(fā)現(xiàn)直流雜散電流強(qiáng)度是影響腐蝕速率的主要因素，土壤電阻率對腐蝕速率影響相對較小，但在相同的驅(qū)動(dòng)電壓下，土壤電阻率越小，腐蝕越嚴(yán)重。直流雜散電流防護(hù)時(shí)尤其需要注意直流雜散電流強(qiáng)度大，土壤電阻率較小區(qū)域。

參考文獻(xiàn)

[1] SY/T 0029-2012，埋地鋼質(zhì)檢查片應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S].