交流干擾對埋地管道陰極保護電位的影響分析

中國石油管道局工程有限公司

隨著石油、天然氣、電力等行業迅速發展，相應的基礎建設大量增加，使油氣管網與高壓輸電網遍布各地，不可避免地出現了架空的高壓交流輸電線路或交流供電的電氣化鐵路與埋地管道共用“公共走廊”現象。高壓輸電線路和城市地鐵交流牽引系統的交流電源會使與其平行的埋地金屬管道感應出交流電壓，由此而產生交流電流，并誘發交流腐蝕。

目前國內外開展交流腐蝕研究采用的手段是實驗室模擬加速實驗，主要研究干擾源特性（包括干擾電壓、干擾電流密度、交流電波形、交流電頻率等）對交流腐蝕速率和鈍化特性等腐蝕行為的影響，并取得了一定的成果[1-2]。目前國內研究主要針對陰極保護相關準則的修訂方面，而對于交流干擾對管道陰極保護電位的影響尚未明確，并且交流干擾下的陰極保護電位范圍仍沒有統一定論[3-5]。因此，本文針對交流干擾對埋地管道陰極保護電位的變化進行了分析，并提出了交流干擾下的陰極保護電位范圍。

1 現場測試結果分析

干擾管線地處長江三角洲經濟發達地區，主要用于海上LNG 氣化后天然氣遠輸。線路總長為149 km，設計壓力為6.3 MPa，管道規格Φ508 mm×7.1 mm，管材為X80 高強鋼，采用加強級3PE 防腐層；管道沿途設置3 座陰極保護站。

圖1 為在穩態交流干擾下、不同陰極保護通/斷狀態下的管道電位測試示意圖。如圖中所示，將面積為1 cm2的X80 鋼試片通過測試樁與埋地管道相連接，試片與管道埋深相同，裸露闊面背向管道并與管道軸向平行，兩者相距30 cm；在管道與試片中間設置中斷器，設置中斷時間為1 min；中斷器與試片之間并聯電壓表，電壓表紅表筆與管道相連接，黑表筆與參比電極（CSE）相連接，打到直流檔記錄示數，記錄數據順序為“通2 min-斷1 min-通1 min”，每10 s 記錄1 次試片電位；同時通過土壤pH 計測試試片埋設處的土壤pH 值并記錄。

圖1 不同陰極保護狀態下管道電位測試原理圖Fig.1 Schematic diagram of pipeline potential test under different cathodic protection states

圖2 為不同測試點處試片上陰極保護電位的變化曲線。測試點處土壤pH=7.1～7.6，為近中性土壤；其交流干擾電壓為2.5～8.9 V(CSE)，交流電流密度為14.02～84.06 A/m2，土壤電阻率為22.61～40.19 Ω·m。

從圖中可以看出，在第1 階段“通2 min”內，試片電位在一定較小的范圍內進行波動，其中測試點4 和35 處的陰極保護電位位于標準所要求的陰極保護電位范圍內〔-0.85～-1.2 V(CSE)〕，而測試點7 和30 處的陰極保護電位正于要求的-0.85 V(CSE)，推測可能是由于陰極保護不足或存在其他交/直流雜散電流導致的，但是在這一個階段，4 個測試位置處的試片電位均保持穩定。當中斷器處于“斷開”狀態時，即在第2 階段“斷1 min”內，試片電位迅速上升，此時即為在當前環境下X80 鋼試片的自然電位，可以看出在所考慮的穩態交流干擾下，X80 鋼試片正向偏移的程度表現出不同的規律，但是在第2 階段，試片電位波動程度也較大。當陰極保護重新連通，即進入第3階段“通1 min”階段時，試片電位迅速負向偏移，但是在測試時間內，電位仍正于第1 階段內電位，無法迅速達到之前的狀態；推測隨著第3 階段時間的推移，試片電位均逐漸負向偏移，逐漸趨向于第1 階段的狀態。

圖2 不同陰極保護狀態下試片電位變化規律Fig.2 Change law of sample potential under different cathodic protection states

圖3 為交流干擾電壓和交流電流密度與陰極保護電流正向偏移的關系。從圖中可以看出，與交流干擾電壓相比，交流電流密度與試片電位正向偏移值呈現更好的線性關系，這是因為交流電流密度體現了直接作用在試片上的干擾大小，而交流干擾電位中包含了土壤、防腐層等因素影響。因此在后續的工作中將采用交流電流密度開展相關實驗。

圖3 交流干擾電壓和交流電流密度與試片電位正向偏移的關系Fig.3 Relationship between disturbance voltage/AC current density and positive deviation of sample potential

2 不同條件下管道電位變化研究

2.1 實驗設置

在上述現場測試結果分析的基礎上，在實驗室中建立了不同交流電流密度和陰極保護條件下的管道電位測試實驗裝置，如圖4 所示，整個實驗裝置包含兩個回路。

圖4 不同交流電流密度和陰極保護條件下的管道電位測試實驗裝置Fig.4 Experimental apparatus for testing pipeline potential under different AC current density and cathodic protection

回路1 為交流干擾回路，其中交流電流密度通過交流信號源施加，頻率設置為與高壓交流輸電線路相同的工頻頻率（50 Hz），將X80 鋼試片與交流信號源一極相連接，另一極設置為石墨電極，設置輸出為正弦交流電流信號。

回路2 為陰極保護回路，在本文中，陰極保護通過電化學工作站PARSTAT2263 恒電位模式施加，主要以工作電極（WE）X80 鋼試片（化學成分見表1；裸露面積為1 cm2，除留有一個闊面外，其他面通過環氧樹脂封裝，并在背部焊接一根連接銅導線）與輔助電極（CE）Pt 電極形成陰極保護回路，通過電壓表V1 和參比電極R1 監測所施加的陰極保護電位；同時通過電化學工作站本身設置陰極保護的通斷[6]。

表1 工作電極X80 鋼化學成分Tab.1 Chemical composition of X80 steel used for working electrode 質量分數

為防止兩個回路之間的相互干擾，在回路1 中串聯電容以屏蔽直流信號，在回路2 中串聯電感以屏蔽交流信號；通過電壓表V2 和參比電極R2 測試不同交流電流密度和陰極保護信號下的X80 鋼試片的電位。

參比電極R1 和R2 采用飽和甘汞電極（SCE，在本文中忽略SCE 和CSE 電位的差異，兩者的差異約為0.022 4 V，測得的電位包含IR降）；為了避免測試數據受到電化學工作站（陰極保護輸出）的干擾，采用兩個參比電極并對其電位進行校正，使得兩者差值不超過1 mV。實驗用土壤模擬溶液采用分析純NaHCO3和去離子水配置，溶度為0.02 mol/L，通過冰醋酸調節溶液pH 值為近中性環境，并記錄土壤模擬溶液的實際pH 值。

每組實驗設置5 個測試階段，每個階段300 s，每60 s 記錄一次數據：①自然腐蝕階段OCP；②陰極保護階段CP；③陰極保護和交流干擾共同作用階段CP+AC；④交流干擾階段AC；⑤第2 個自然腐蝕階段OCP。

陰極保護電位分別為：-0.85、-1.0和-1.2V(SCE)，交流電流密度分別為10、30、50、100 A/m2。

2.2 實驗結果

圖5 為不同AC 和CP 下X80 鋼試片在不同階段的電位變化情況（pH=7.1～7.2）。從圖中可以看出，在近中性的NaHCO3溶液中，X80 鋼的自腐蝕電位均約為-0.72 V(SCE)。GB/T 21448—2008 標準中指出，一般情況下，管道的陰極保護電位應處于-0.85～-1.2 V(CSE)之間，因此根據上述準則，在本文中選取了-0.85、-1.0 和-1.2 V(SCE)作為實驗條件（忽略CSE 和SCE 的電位差異）。

從圖5a 可以看出：①在0～300 s 范圍內，X80鋼試片自腐蝕電位基本穩定在-0.72 V(SCE)。②當對其施加陰極保護后，試片電位迅速負移至-0.85 V(SCE)并在300～600 s 范圍內保持穩定。③在600 s 時，啟動交流干擾源施加4 個不同數值的交流電流密度對試片進行干擾，可以看出，試片電位與預想結果不一致：均發生正向偏移或負向偏移；從初始時刻（660 s）來看，當IAC=10 A/m2和30 A/m2時，試片電位正向偏移；而當IAC=50 A/m2和100 A/m2時，試片電位負向偏移。當IAC=10、30 和100 A/m2時，在第3 階段（600～900 s）范圍內，試片電位基本保持穩定，而當IAC=50 A/m2時，隨著時間的推移，試片電位逐漸正向偏移，最終略正于第2 階段試片的陰極保護電位。④當到達第4 階段時（900～1 200 s），陰極保護斷開，只存在交流干擾，此時試片電位均出現大幅度正向偏移，并且在整個階段范圍內基本保持穩定；同時與第3 階段初始時刻的電位相比，第4 階段初始時刻的電位正向偏移程度隨著交流電流密度的增大而減小。⑤當進入第5 階段（1 200～1 500 s），交流干擾和陰極保護均斷開后，從理論上來說，試片電位應正常回歸到第1 階段的自腐蝕電位數值上，但是從圖中可以看出，在不同的交流電流密度條件下，此時試片的自腐蝕電位均發生了不同程度的偏移，當IAC=10 A/m2時，試片電位保持穩定但略小于第1階段試片的自腐蝕電位；當IAC=30 A/m2時，試片電位保持穩定并且與第1 階段試片的自腐蝕電位相等；當IAC=50 A/m2和100 A/m2時，在初始時刻試片電位迅速增大，并且遠遠大于第1 階段試片的自腐蝕電位，隨著時間推移，其試片電位逐漸降低，推測當達到一定時間后，其試片電位應與第1 階段試片的自腐蝕電位相等[7]。

從圖5b 可以看出：①在0～300 s 范圍內，X80鋼試片自腐蝕電位基本穩定在-0.72 V(SCE)。②當對其施加陰極保護后，試片電位迅速負移至-1.0 V(SCE)并在300～600 s 范圍內保持穩定。③在600 s 時，啟動交流干擾源施加4 個不同數值的交流電流密度對試片進行干擾，可以看出此時試片電位均發生正向偏移，并且隨著交流干擾的增大，正向偏移程度也增大，但在600～900 s 測試范圍內試片電位基本保持穩定，這與陰極保護電位為-0.85 V(SCE)時的測試結果不相同。④當到達第4階段時（900～1 200 s），陰極保護斷開，只存在交流干擾，此時試片電位再次出現大幅度正向偏移，但是在該測試階段，隨著時間的推移，試片電位持續正向偏移，并且交流干擾電流密度越小，變化速率越大。⑤當進入第5 階段（1 200～1 500 s），交流干擾和陰極保護均斷開后，從理論上來說，試片電位應正常回歸到第1 階段的自腐蝕電位數值上，但是從圖中可以看出，在不同的交流電流密度條件下，此時試片的自腐蝕電位均發生了不同程度的偏移，當IAC=10 A/m2時，試片電位保持穩定但略小于第一階段試片的自腐蝕電位；當AC=30 A/m2時，試片電位保持穩定并且與第1 階段試片的自腐蝕電位相等；當IAC=50 和100 A/m2時，在初始時刻試片電位迅速增大，并且遠遠大于第1 階段試片的自腐蝕電位[5,8]，隨著時間推移，其試片電位逐漸降低，與第1 階段試片的自腐蝕電位相等。

圖5 不同交流電流密度和陰極保護狀態下的電位變化規律Fig.5 Change law of potential under different AC current density and cathodic protection

從5c 可以看出：①在0～300 s 范圍內，X80 鋼試片自腐蝕電位基本穩定在-0.72 V(SCE)。②當對其施加陰極保護后，試片電位迅速負移至-1.2 V(SCE)并在300～600 s 范圍內保持穩定。③在600 s 時，啟動交流干擾源施加4 個不同數量的交流電流密度對試片進行干擾，可以看出此時試片電位均發生正向偏移，并且隨著交流干擾的增大，正向偏移程度也增大，但在600～900 s 測試范圍內試片電位基本保持穩定，這與ECP=-0.85 V(SCE)時的測試結果不相同，而與ECP=-1.0 V(SCE)時的測試結果相同。④當到達第4 階段時（900～1 200 s），陰極保護斷開，只存在交流干擾，此時試片電位再次出現大幅度正向偏移，并且交流電流密度越小，該階段初始時刻的正向偏移程度越大；同時在該測試階段，隨著時間的推移，試片電位持續正向偏移，并且交流干擾電流密度越小，變化速率越大。⑤當進入第5 階段（1 200～1 500 s），此時與圖5b 第5 階段規律相同。

圖6 為CP-CP+AC、CP+AC-AC 和AC-OCP 3個階段轉變時試片電位正向偏移程度變化規律。從圖中可以看出，在CP-CP+AC 轉變過程中，在ECP=-1.0 V(SCE)和-1.2 V(SCE)較負的陰極保護電位條件下，隨著交流電流密度的增大，試片電位正向偏移程度也逐漸增大，但是增大程度緩慢減小；同時，陰極保護電位越負，在相同的交流電流密度下，試片電位正向偏移程度越大。但是當ECP=-0.85 V(SCE)時，當施加了交流電流密度后，試片電位發生了負向偏移，并且交流電流密度越大，負向偏移程度越大。從CP+AC-AC 轉變過程可以看出，陰極保護電位越負，關閉陰極保護后試片電位正向偏移程度越大，而隨著交流電流密度增大，其偏移程度逐漸減小；同時減小量隨著陰極保護電位更負而更大。從AC-OCP 轉變過程中可以看出，在不同陰極保護電位下，關閉交流干擾后的電位正向偏移程度變化規律呈現很好的一致性，呈現出正相關關系；但是不得不指出的是，在ECP=-0.85 V(SCE) 時的電位正向偏移程度大于ECP=-1.0 V(SCE)時的結果。

2.3 分析與討論

從上述結果可以看出，在ECP=-0.85 V(SCE)時不同階段轉變時試片電位正向偏移的結果與ECP=-1.0 V(SCE)和-1.2 V(SCE)時的不盡相同。上述實驗結果可以從陰極保護和交流干擾共同作用下的試片表面的電荷轉移過程來闡述。

在交流干擾和陰極保護相互作用過程中，參與電極過程的眾多電流成分可被分為兩種類型：供應電子和消耗電子。供應電子的電流成分有陽極反應電流密度Ia、陰極保護電流密度ICP、交流電負半周電流密度I1-AC，消耗電子的成分有陰極反應電流密度Ic和交流電正半周電流密度I2-AC。其中I1-AC和I2-AC都是交流電中參與法拉第過程的部分，因為交流電中的電容電流，即參與雙電層充放電過程的電流，在正負半周的總和為0，而法拉第電流由于陰陽極反應的不對稱現象，是有凈電流的[8-9]。

圖6 不同陰極保護電位和交流電流密度施加條件下試片電位正向偏移程度變化規律Fig.6 Change law of positive deviation of sample potential under different cathodic protection and AC current density

當陰極保護電位為-0.85 V(SCE)時，陰極保護電流密度ICP相對較小。由陰極保護電流提供的電子非常少，不足以供交流電正半周I2-AC消耗。缺少的電子需要由陽極反應電流，即鐵的溶解反應電流提供，于是觸發了交流腐蝕。同時，在交流正負半周期間的陽極和陰極極化不對稱，交流負半周I1-AC所提供的剩余電子可使直流電位負移。此時，法拉第過程作為一個整流器，在交流流過的時候產生一個凈直流電流，使電位負移；陽極溶解是由外加交流電的正半周所驅動的，所產生的電子也被交流電正半周所消耗，電位負移不是造成陽極溶解的原因，也不是陽極溶解所造成的結果，而是由交流電負半周的剩余電子累積所造成的。

當陰極保護電位為較負的ECP=-1.0 V(SCE)和-1.2 V(SCE)時，陰極保護電流密度ICP相對較大。陰極保護電流提供了足夠多的電子被交流電正半周I2-AC消耗，陽極溶解反應沒有驅動力不會發生；同時，由于部分陰極保護電流被交流電正半周I2-AC消耗，原始較負的陰極保護電位值難以維持，發生正移[10]。

3 結論

本文針對交流干擾對管道電位的影響問題，通過現場測試和室內實驗對不同陰極保護和交流干擾條件下的試片電位進行了測試，并闡述了電位異常轉變的原因。研究表明：當陰極保護電位較小時，較大的交流干擾可能引起試片電位的持續負向偏移，當陰極保護電位較大時，交流干擾卻會引起試片電位的正向偏移；在無陰極保護條件下，交流干擾會引起試片自腐蝕電位的負向偏移；但是當斷開交流干擾后，試片電位迅速增大，甚至正于原來的自然腐蝕電位，然后逐漸恢復到原有水平。上述實驗現象可通過交流干擾和陰極保護過程中的電子供應和消耗的平衡關系來解釋。