埋地鋼質管道直流雜散電流腐蝕機理及影響因素研究

李長春　李志宏　王晨　安成名

摘 要：本文通過實驗對埋地鋼質管道直流雜散電流腐蝕機理及影響因素進行研究，認為：（1）直流雜散電流腐蝕機理為陽極區金屬失去電子由鐵變為鐵離子，陰極區發生電解水化學反應；（2）直流雜散電流腐蝕速率與電流強度呈線性相關；（3）雜散電流強度相同，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。

關鍵詞：直流雜散電流；腐蝕；影響因素

中圖分類號：TG174 文獻標識碼：A

0.引言

國內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，導致部分電流流入大地進而流入與地鐵緊鄰的鋼質管道上，造成直流雜散電流腐蝕。本文對直流雜散電流腐蝕機理及影響因素進行研究，旨在從本質上了解埋地鋼質管道直流雜散電流腐蝕，為直流雜散電流防護提供一定依據。

1.實驗設計

1.1 實驗材料及制備

（1）腐蝕試片。實驗試片為I型標準腐蝕試片，尺寸50×25×2（mm），裸露面積28cm2，材質為埋地鋼質管道常用的20#鋼。（2）腐蝕介質。直流雜散電流腐蝕機理實驗采用NaCl溶液（模擬土壤中的主要鹽類）作為腐蝕電解質，與純凈水按質量1∶30的比例組成電解質溶液。直流雜散電流腐蝕影響因素實驗采用4組不同土壤電阻率的土壤進行實驗，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）實驗前試片的表面處理。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數小時后稱重，記錄每片試片的初始重量mL。

1.2 實驗裝置

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

1.3 實驗參數

直流雜散電流腐蝕機理及電流強度影響實驗參數：電流強度分別為0.1A、0.5A、1A、1.5A、3A，腐蝕時間均為1h。雜散電流強度相同，土壤電阻率對腐蝕速率影響實驗參數：土壤電阻率9.4Ω·m、54.5Ω·m、94Ω·m、258Ω·m，腐蝕時間為132h，電流強度為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驗參數：土壤電阻率9.4Ω·m、54.5Ω·m，腐蝕時間為8h，直流電壓50V。

1.4 腐蝕產物的清除、稱重、腐蝕速率計算

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

2.實驗結果

2.1 直流雜散電流腐蝕現象及腐蝕機理

（1）腐蝕產物。電源接通后，陰極附近出現氣泡并在液面形成霧狀揮發物，陽極（腐蝕試片）表面逐漸生成淺綠色絮狀腐蝕產物，繼而變成紅棕色，幾分鐘之后，紅棕色腐蝕產物轉變為黑色，最終腐蝕產物形成黑色絮狀沉淀物，腐蝕試片表面呈現黑色、疏松的附著物。且隨著電流強度逐漸增大，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物，清水沖刷即脫落；去除表層腐蝕產物后，金屬表面附著黑色粉末狀腐蝕產物，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，變成二價鐵離子，二價鐵離子很不穩定，繼而被氧化成三價鐵離子。銅在陰極不參加反應，但水中的氫離子在陰極得到電子生成氫氣。土壤腐蝕實驗，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，有輕微氣泡產生，另外由于電流流動陽極的水分逐漸向陰極流動，致使陽極土壤硬化。實驗完成后，取出試片可以發現試片整體腐蝕嚴重，表層腐蝕產物成紅褐色（Fe2O3），去除表層腐蝕產物后發現黑色腐蝕產物（Fe（OH）2、Fe3O4），黑色腐蝕產物使用5%稀醋酸浸泡即可去除，去除腐蝕產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度關系

實驗參數見1.3，實驗結果見表1。可以發現：隨著電流強度的增大，試片腐蝕速率也隨之增大，腐蝕速率與電流強度呈線性相關。

2.3 直流雜散電流腐蝕速率與土壤電阻率關系（電流強度一定）

實驗參數見1.3，實驗結果見表2。可以發現在相同雜散電流強度下，土壤電阻率增大，試片腐蝕速率下降較為明顯，但2461試片腐蝕速率出現反差。這可能是因為土壤電阻率測量時是測量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，導致實驗結果出現細微誤差。對比表4和表5可以發現雖然土壤電阻率對直流雜散電流腐蝕速率有影響，但是影響程度遠遠小于電流強度。

2.4 直流雜散電流腐蝕速率與土壤電阻率關系（直流電壓一定）

實驗參數見1.3，實驗結果見表3。可以發現，在相同直流電壓下，土壤電阻率越小，雜散電流腐蝕越嚴重。因為土壤電阻率越小，在相同直流電壓下，流出試片的電流密度越大，導致雜散電流腐蝕越嚴重。

結語

通過上述實驗對埋地鋼制管道直流雜散電流腐蝕機理進行了合理解釋，通過對直流雜散電流腐蝕影響因素研究，發現直流雜散電流強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，但在相同的驅動電壓下，土壤電阻率越小，腐蝕越嚴重。直流雜散電流防護時尤其需要注意直流雜散電流強度大，土壤電阻率較小區域。

參考文獻

[1] SY/T 0029-2012，埋地鋼質檢查片應用技術規范[S].