土壤異質性對模擬直流場環境下X70鋼的腐蝕行為影響

2021-03-05 03:48:28田倩倩王志高蘭新生白曉春

四川電力技術 2021年1期

田倩倩，王志高，丁德，蘭新生，吳健，耿植，白曉春

(1.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川成都 610041；2.國網陜西省電力公司電力科學研究院，陜西西安 710054)

0 前言

隨著中國經濟的高速發展，電力需求迅速增長，建設以特高壓電網為骨干網架的堅強智能電網正成為國家電力建設的戰略目標。遠距離、大容量的特高壓直流輸電工程日益增多。目前已有向家壩—上海、錦屏—蘇南、宜賓—金華、哈密—鄭州等多條±800 kV特高壓直流輸電工程投運，還有多條特高壓直流輸電工程在建[1-2]。直流輸電工程在運行中，單極-大地運行和雙極不平衡運行方式都會有一定量的電流通過接地極流入大地，在很大范圍內形成一個恒定的直流電流場。由于存在土壤電阻，這個電場會有不同程度的壓降，當電場所處的土壤中埋設有連接不同等電位線的油氣管道、輸電線路桿塔接地體或變電站接地網等地下金屬設施時，低電位點處的金屬構件將會發生電化學腐蝕[3-5]。

據報道，受三峽—上海±500 kV高壓直流輸電工程單極運行影響，西氣東輸管道芙蓉至上海段陰極保護設備出現異常，管道電位正向或負向大幅偏移，正向偏移幅度最高達830 mV(VS.CSE)，負向偏移幅度最高達1410 mV(VS.CSE)[6]。溪洛渡—從化±500 kV直流輸電工程在單極運行時，廣東翁源接地極附近的西氣東輸管道受其干擾，在管道上產生較高的干擾電位，可能會導致管體腐蝕[7]。加拿大魁北克—新英格蘭±450 kV直流輸電系統發生故障，1200 A電流流入大地，附近管道上產生了300～700 mV的電位偏移[8]。

電位差是發生電化學腐蝕的必備條件，當金屬結構處于穩定電場中，具有一定電位差，作為腐蝕原電池導線回路的土壤則成為腐蝕體系的主要影響因素。現有的一些研究建立了接地極在土壤中的電場分布模型，但將土壤視為均一性[9]。實際中由于地形、土壤成分、結構的復雜性，土壤性質對埋于其中的金屬腐蝕作用有顯著的不同，如含Cl-時易發生局部腐蝕；有較多碳酸鹽時，結構表面易形成堅硬腐蝕產物層，阻擋腐蝕進一步擴展等。由此可以看出，土壤的性質大體決定了金屬在其中的腐蝕行為，但是目前對于直流接地極存在時的有關土壤性質的腐蝕行為研究還較少。

根據對四川宜賓±800 kV復龍換流站接地極附近輸氣管道腐蝕的調研情況發現，在距接地極相同距離的條件下，不同土壤環境下管道腐蝕穿孔的數量分布不均，這可能跟該管段所處的土壤性質有直接關系。因此，針對具體的直流接地極，研究了典型管線鋼X70在不同土壤中的電化學腐蝕特性，對其腐蝕規律和腐蝕機理進行了分析，為評估直流接地極附近埋地金屬設施的腐蝕影響和新建特高壓直流工程接地極的設計規劃選址提供一定的依據。

1 實驗方法

1.1 實驗材料

電極材料選用X70高強管線鋼，其化學成分見表1。

1.2 土壤理化性質分析

1.2.1 土壤樣品采集

土壤樣品采集于四川宜賓±800 kV復龍換流站接地極附近，該接地極水平敷設，采用同心雙圓環的方式，外環和內環半徑分別為315 m和240 m，截面為0.6 m×0.6 m，內環埋設深度3.5 m，外環埋設深度4.0 m，均采用焦炭填充。土壤樣品分別取自距復龍接地極等距離(距接地極極心約800 m)的不同位置。其中，S1號土樣取自水田，S2號土樣取自泥灘，S3號土樣取自道路旁，S4號土樣取自水渠邊，S5號土樣取自村舍。各取樣點與接地極的相對位置見示意圖1。取樣深度均為距地表深度80 cm。采集的土壤樣品進行自然風干，風干后的土壤樣品密封備用。

圖1 土樣取樣點

1.2.2 土壤pH值測試

稱取通過20篩孔(1 mm)的風干土樣20 g，放在50 mL高型燒杯中。加入20 mL去離子水，在磁力攪拌器上攪動1 min，使土壤充分散開。放置30 min使其平衡，此時應避免空氣中有氨或揮發性酸。將pH電極插到下部懸液中，并輕輕搖動，隨后將甘汞電極插入上部清液中進行pH測定，數分鐘內即可測得穩定讀數。

1.2.3 土壤離子成分測試

土壤中各離子成分測試時取水土比為1∶1的土壤抽濾液各100 mL，陰、陽離子分別采用ICS-2100型離子色譜儀Ion Chromatography (Thermo Fisher Scientific Inc.)和iCAP 7000等離子發射光譜儀ICP-OES (Thermo Fisher Scientific Inc.)進行成分及其含量的測試。

表1 X70管線鋼化學成分

1.3 電化學測試

電化學實驗采用CS350型電化學工作站Electrochemical Workstation (Wuhan Corrtest Instruments Corp., Ltd.)進行三電極體系測量。在三電極體系兩端設置一個5 mV的電勢差，正負極間隔500 mm，用以模擬直流接地極的腐蝕電場。工作電極為10 mm×10 mm的X70高強度管線鋼，輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)。極化曲線zifu掃描速率為1 mV/s，掃描范圍設置為相對于自腐蝕電位±300 mV(相對開路電位)。電化學阻抗譜測量頻率范圍為0.05 Hz～100 kHz。所有實驗均在土壤∶水=1∶1的混合液中進行。

2 實驗結果

2.1 土壤理化性質

表2所示為本次實驗所用土壤的理化性質分析結果。從表2中可以看出，5種土壤樣品的理化性質有明顯的差異。S5號土壤為偏酸性土壤，S1號和S4號土壤為中性土壤，S2號和S3號土壤為偏堿性土壤。對于中性土壤，總含鹽量及Cl-含量由大到小依次為S1>S4。對于堿性土壤，總含鹽量及Cl-含量由大到小依次為S2>S3。

表2 不同土壤樣品理化性質

2.2 極化曲線

圖2為X70鋼在不同土壤中的極化曲線。X70鋼在不同土壤中的極化曲線形狀大體相似，在自腐蝕電位以下處于活化狀態，且活化區域較寬。當電位高于自腐蝕電位時，隨著陽極極化電位升高，陽極電流密度加快，陽極溶解反應發生，隨后增速降低，開始發生鈍化反應，X70鋼表面的陽極溶解反應受到阻礙，腐蝕速率降低。采用塔菲爾曲線對極化曲線進行擬合，相應的擬合結果見表3。

圖2 X70鋼在不同土壤樣品中的極化曲線圖譜

從表3中可以看出，土壤pH值對X70鋼的腐蝕速率影響顯著。偏酸性土壤中X70鋼的腐蝕速率最快，中性土壤中X70鋼的腐蝕速率相對于偏堿性土壤中X70鋼的腐蝕速率快。由表3中的極化電流密度和腐蝕速率可見，土壤的腐蝕性由大到小依次為S5>S1>S4>S2>S3。X70鋼在土壤的水溶液中的腐蝕過程，包括鐵的陽極溶解和溶解氧的陰極還原這組共軛反應。由陽極塔菲爾斜率/陰極塔菲爾斜率之比βa/βc可以看出，X70鋼在幾種土壤中的腐蝕過程都表現出較為強烈的陽極控制為主的混合控制的腐蝕體系。

表3 X70鋼在不同土壤中的極化曲線擬合參數

2.3 交流阻抗

對X70鋼在不同土壤樣品中的交流阻抗譜進行了研究，圖3的X70鋼阻抗圖譜表現為具有2個時間常數的雙容抗弧，即高頻部分的容抗弧(R1)和低頻部分的感抗弧(Rt)，其腐蝕受電荷傳遞過程控制。其中高頻的容抗弧反映的是溶液穿透表面層和腐蝕產物在基體表面形成雙電層的容抗和阻抗，低頻的容抗弧反映的是表面層和腐蝕產物膜對基體的保護作用，其等效電路圖如圖4所示。其中，R0為土壤水溶液電阻；R1為電極表面腐蝕產物與吸附的土粒的結合層的電阻；Rt為電荷轉移電阻；Ct為結合層電容；Cp為雙電層電容。

從圖3(a)中可以看出，S5、S1、S4、S2及S3土壤中的X70鋼結構的高頻部分的容抗弧(R1)逐漸減小。從圖3(b)中可以看出，低頻部分的感抗弧(Rt)逐漸增大。根據Corrtest軟件模擬的不同土壤交流阻抗擬合參數如表4所示。對于Rt而言，在偏酸性土壤中，高濕度條件下，鋼表面的腐蝕產物結合層不穩定，不能對電極反應形成阻礙，H+離子的還原反應易于進行，故S5號土壤的Rt最小，故而其腐蝕速率最大。而對于偏堿性的S3號土壤來說，隨著腐蝕反應的進行，鋼表面的腐蝕產物結合層越來越致密，且土壤中較低的離子濃度，嚴重阻礙氧的傳輸過程，造成Rt最大，相應的其腐蝕速率最小。

(a)X70鋼在不同土壤中的阻抗圖譜

(b) X70鋼高頻部分的容抗弧圖3 X70鋼在不同土壤中的Nyquist圖

圖4 X70鋼在不同土壤中的阻抗測試等效電路

可見，利用Rt的倒數可以作為鋼/土壤體系腐蝕性評價的指標。其結果與極化曲線擬合結果相一致。即偏酸性的S5號土壤，在高含水量條件下，H+離子的還原反應易于進行，腐蝕性最強。而偏堿性的S3號土壤表面的液膜及較低的離子濃度，嚴重阻礙氧的傳輸過程，腐蝕性最低。

2.4 分析與討論

由上述結果分析可見，在接地極不平衡電流場環境中，土壤性質對埋地金屬的腐蝕影響較大，特別是土壤中pH值的改變對土壤中X70鋼的腐蝕速率影響顯著。這是因為在酸性土壤中，以析氫腐蝕為主，而在中性及偏堿性體系中，以吸氧腐蝕為主。析氫腐蝕速率較吸氧腐蝕速率大，因此在酸性土壤中X70鋼的腐蝕速率較高[10]。此外，在土壤的飽和溶液中，酸性土壤中的H+離子的還原反應易于進行，故酸性土壤中的腐蝕速率最快。而在中性土壤和偏堿性土壤中，鋼結構表面的水膜以及腐蝕產物層阻礙了氧的傳輸過程，因此腐蝕速率較低。

土壤含鹽量增加了土壤的電導率，減少了電阻極化，增加了腐蝕速率。對于中性土壤，S1號土壤的腐蝕速率大于S4號土壤，這可能是因為S1號土壤中可溶性鹽離子的濃度為674.41 mg/L，比S4號土壤中的367.08 mg/L高約一倍，土壤電導率較高，易于氧的傳輸過程的進行。所以S1號土壤的腐蝕速率較快。同樣道理，偏堿性土壤，S2號土壤的總含鹽量以及Cl-含量大于S3號土壤，故S2號土壤的腐蝕速率較高。