埋地陰極保護管線的交流干擾腐蝕

閆茂成，石薇，王彬彬

專題——金屬材料土壤腐蝕及控制技術

埋地陰極保護管線的交流干擾腐蝕

閆茂成1，石薇2，王彬彬3

（1.中國科學院金屬研究所 國家金屬腐蝕控制工程技術研究中心，沈陽 110016；2.廣東腐蝕科學與技術創新研究院，廣州 510535；3.國家管網集團西南管道有限責任公司，成都 610000）

通過陰極保護管道交流腐蝕案例，總結了交流輸電線路等交流設施對埋地管道的干擾規律、陰極保護管道交流腐蝕的特征、發生條件及影響因素等。綜述了交流電對管道鋼材料活化和鈍化體系的電極過程和極化行為的主要影響規律；高陰極保護水平對交流腐蝕的協同加速作用。系統闡述了陰極保護條件下管道發生交流腐蝕的機理及評估準則等方面的最新研究進展；梳理了交流干擾腐蝕機理模型中的主要觀點和影響因素，同時闡述了交流干擾下陰極保護技術面臨的主要問題。

埋地管道；陰極保護；雜散電流干擾；交流腐蝕

我國幅員遼闊，電力等能源的應用上有著明顯的“荷源分離”現象，約80%的能源分布在西北部，而70%的電力負荷集中于中部和東部。在此背景下，近幾年，我國電力輸送、鐵路系統及油氣輸送管線建設實現了跨越式發展。近10年來，我國已投運及已建成的500 kV及以上交流超高壓、特高壓輸電工程已多達數十項。我國油氣管線建設快速推進，2020年，油氣管網規模達到1.69×105km，到2025年，管網規模將達2.4×105km。管線和高壓輸電線路常使用相同的路由通道，大量油氣管線與電氣化鐵路和大功率高壓輸電線路交叉或平行，交流干擾引發的埋地管道腐蝕問題也受到越來越多的關注。

交流輸電線路在穩態運行時，對臨近埋地金屬管道會產生感應電壓，引起持續的交流干擾腐蝕。故障狀態下，瞬時強電流也會影響管道防腐層和陰極保護設備，甚至會增加管道被擊穿的風險。雜散電流進入管線后，通過絕緣性良好的管線傳導，并從涂層缺陷處流出，造成此處腐蝕劇烈。故障狀態下，瞬時強電流也會影響管道防腐層和陰極保護設備，甚至會造成泄漏、爆炸等，威脅管道運行安全。

埋地管道交流雜散電流主要來源于高壓交流輸電系統和交流電氣化鐵路，其主要通過電阻耦合、電感耦合和電容耦合等不同形式對管道造成交流干擾。當輸電線路短路或故障時，阻性耦合便會發生；容性耦合在管道建設期間主要對人體安全產生危害；感應耦合由架空線路傳輸的交流電流產生的交變磁場引起，對臨近金屬結構物的腐蝕存在顯著影響。交流電源系統發生短路情況下，電源導線中部分電流會通過塔架或變電站的地基和接地系統流入大地，引起管道附近的地電位升高，相對于遠地電位通常上升數千伏，在金屬管道防腐層上產生很大的交流電壓。交流輸電線路中的交流電會在導體周圍產生交變磁場，在防腐層管道中感應出交流電。對于三相交流系統，三相電流大小相等，并且3個架空導線與管道軸線的距離相等，管道上不會感應出任何電壓。但是，更常見的情況是三相導體和管道間不對稱，進而產生感應交流電壓[1]。

最初，金屬管道中的感應交流電壓主要被視為管道操作人員的安全隱患，因為根據管道的接地條件，電壓很容易達到50~100 V。根據美國國家標準局早期研究結果，交流電引起的腐蝕遠小于等量直流電流引起的腐蝕，前者僅占后者的1%。Williams也認為，與等量的直流電流引起的腐蝕相比，交流電流誘發的腐蝕微不足道[2]。這些結果致使人們忽略了交流干擾對管道的危害，更多地關注直流腐蝕問題。由交流電引發的埋地管線腐蝕，很少被管線運營商關注，直到1986年德國的一條陰極保護良好的管道上發生了嚴重的交流腐蝕[3]。隨后幾年，由于交流干擾的作用引發管道腐蝕失效的情況越來越多，且很多交流腐蝕案例出現在滿足陰極保護標準的管道上[4-7]。1991年，加拿大安大略基奇納市的一條僅服役4年的天然氣管道發生泄漏，現場調研發現，該管線與一條高壓輸電線路并行4.4 km，管道上的交流電壓高達28 V[8]。1994年，多倫多一條直徑250 mm的輸油管道與一條高壓輸電線長距離并行，內檢測發現，管道發生了嚴重點蝕，最大坑深達管壁厚度的88%，測試發現，此處管道的交流感應電壓為15 V[9]。2002年，一段直徑為300 mm、壁厚為6.35 mm的天然氣管線在美國奧斯威戈發生泄漏，該管道與一條115 kV和一條345 kV的高壓輸電線并行[10]。2004年，美國得克薩斯州一條直徑為203.2 mm的液態丁烷管道發生泄漏，經調查發現，該事故與管道交流腐蝕有關[6]。

早在19世紀初，人們就知道交流會造成金屬加速腐蝕的風險[2,9]，但關于交流對管道腐蝕影響的早期研究得出，可以通過提高陰極保護系統的陰極電流輸出來解決這一威脅[11]。陰極保護電位是影響交流腐蝕的一個關鍵參數[12-14]，陰極保護可能有效緩解部分交流腐蝕，但過保護（電位低于?1.2 V（vs.CSE））會導致交流腐蝕速率增大，加大交流腐蝕風險。一些交流干擾情況下，即使滿足?0.850 V的陰極保護標準，管線也可能發生交流腐蝕。

交流電導致的金屬腐蝕行為是一個較復雜的問題。盡管目前人們對油氣管道交流腐蝕已有較深入的認識，許多交流腐蝕發生的條件和因素已經被很好地理解，交流腐蝕仍然對管道的完整性構成嚴重威脅，從而對人員和環境安全構成威脅。交流腐蝕過程復雜，不僅受交流干擾電壓、交流電流密度及陰極保護水平影響，還與土壤環境（pH、Ca2+、Mg2+等）和防腐層缺陷大小等因素有關。國內外研究人員圍繞埋地管道交流干擾形式、交流干擾的測試及評估、交流腐蝕特征及機理等方面開展了眾多研究。由于腐蝕過程復雜，影響因素眾多，各機理都存在局限性，未能達成一致，也沒有統一的評價指標和方法。文中系統闡述了交流設施對管道的干擾規律，交流干擾下管道的腐蝕行為，同時列舉了交流干擾下陰極保護面臨的問題及交流腐蝕機理的研究進展等。

1 陰極保護管線交流腐蝕識別

交流腐蝕案例中，腐蝕處表面形貌具有明顯特征，多為小而深的腐蝕坑，且腐蝕處周圍土壤發生明顯變化。陰極保護管道交流干擾引起的腐蝕的典型特征：腐蝕是局部的，通常發生在直徑幾厘米的小防腐層處；腐蝕產物從防腐層缺陷中突出；周圍的土壤可能會形成半球形的硬殼，直徑可達幾十厘米；管道腐蝕坑表面常呈碗狀，表面光滑或有凹痕；可測到較高的交流電壓。

圖1為開挖后管道表面出現交流腐蝕的一個典型案例，可觀察到管道表面形成了大塊石質土殼。此外，在剝離防腐層后，可以觀察到下方管道表面的外觀發生了變化，并出現了特征性的“點狀”外觀。Ragault[15]和Williams[2]對AC干擾腐蝕產物進行的研究表明，AC干擾下管道的主要腐蝕產物是磁鐵礦，有時與土壤結合。

圖1 管道交流腐蝕處形成大塊石質土殼

Linhardt和Ball（2006）對陰極保護管道[16]上的交流腐蝕事件進行了失效分析。如圖2所示，在腐蝕破損頂部觀察到石質土殼的形成。圖2d顯示了石質硬土層由A、B和C三種不同的相組成，A為含氧化鐵（主要是Fe3O4）的黑色化合物；B為含Na、K、Ca和Mg的灰色土壤，靠近破損點處，Na的濃度顯著增加；C為NaHCO3和Na2CO2的混合物，pH為9.6。

圖2 防腐層破損處管道表面交流腐蝕形成的石質土殼[16]

Nielsen和Cohn[17]描述了AC干擾下防腐層缺陷表面生長的堅硬土壤腐蝕結節，包含腐蝕產物和土壤的混合物。需要特別指出的是，結節的電阻率明顯低于周圍土壤。另外，結節的有效面積明顯大于原始的防腐層缺陷。這些參數的組合導致腐蝕過程中相關防腐層缺陷的擴展阻力降低，從而使腐蝕過程具有自催化性。

2 陰極保護管線交流腐蝕評估準則

埋地管道交流腐蝕風險評判一般采用參考交流干擾電壓、交流電流密度和交-直流電流之比等指標。BS EN 15280—2013[18]和ISO 18086—2015[19]提出了避免交流腐蝕的限值（低交流腐蝕風險）（如圖3所示）：在一段時間范圍內（如24 h），埋地管道上測得的交流電壓AC<15 V；埋地管道防腐層缺陷處AC<30 A/m2；AC>30 A/m2時，則需要維持陰極保護電流密度DC< 1 A/m2；交/直流電流之比AC/DC<5（或采用更加嚴苛的條件AC/DC<3）。

有效的交流電緩解也可通過腐蝕速率測量來驗證，可接受的腐蝕速率水平根據具體情況確定，常見的是<10 μm/a[20]。

圖3 ISO 18086—2015中減輕AC腐蝕的保護標準

實際上當AC高于某極限值時，陰極保護無法抑制交流腐蝕[21-24]。然而，BS EN 15280—2013[19]和ISO 18086—2015[18]并未對陰極保護電流密度和交流電流密度的限值做出明確規定。故2018年NACE更新NACE SP21424交流干擾下埋地金屬管道陰極保護評判準則[25]，對交流電流密度和陰極保護電流密度的限值進行了補充：DC≥1 A/m2時，AC<30 A/m2，交流腐蝕風險低；DC<1 A/m2時，AC<100 A/m2，交流腐蝕風險低。

3 交流電對管道鋼電化學過程的影響

交流電對金屬腐蝕過程作用較復雜，可從腐蝕電化學理論加以解釋。大量國內外的研究結果表明，交流電不但影響管道鋼材料的電位，還可能影響甚至改變電化學活化和鈍化電極體系的極化行為。交流電干擾使管線鋼的電位偏移，促進局部腐蝕的發生，而且交流電頻率越低，腐蝕效率越高。據此，研究人員提出了多種交流電促進金屬腐蝕的模型，如整流模型、電場誘導模型、震蕩模型等。

3.1 交流電對管道電位的影響

交流電影響管道鋼極化，從而使管地電位產生偏移。Lalvani等[26]研究了金屬極化與交流電之間的關系，用化學動力學理論推導出了金屬開路電位與交流干擾的金屬電位間的關系。結果表明，交流干擾使腐蝕電位發生偏移，當（=a/c）>1時，交流電使金屬電位正移；<1時，交流電使金屬電位負移；=1時，腐蝕電位不偏移。在交流影響下，腐蝕電流密度總是增大。交流電壓峰值越大，電位偏移量越大。

3.2 交流電對活化腐蝕體系的影響

交流干擾對鋼的直流極化特性有很大的影響。Bolzoni等[27]在碳鋼上施加不同密度的AC電流，觀察在自由腐蝕以及陽極和陰極極化條件下碳鋼的變化。結果表明，交流電流對陽極和陰極的極化行為以及自由腐蝕電位都有影響，如圖4所示。可以看出，AC降低了陽極過程的超電勢。交流電增加了還原氧的極限電流密度，這可能是由于電極處擴散層的溫度升高所致。AC降低了氫的超電勢，導致陰極反應的電勢增加。厭氧條件下，析氫反應占主導地位，并且可以從圖4b中看出，在陰極曲線給定電勢下，交流電增強了該反應。氧氣還原反應和析氫反應這兩種情況下，陽極過程的過電位都隨交流電的增大而減小。

圖4 交流電流對陽極極化和陰極極化影響

3.3 交流電對金屬鈍化行為的影響

交流電可使管道鋼在陰極保護高pH條件下形成的鈍化膜減弱，這可用交流電的力電效應來理解。交流電擊穿鈍化膜的機制可用膜內存在的高交變電場（約為106V/cm[28]）導致電致伸縮來解釋。對碳鋼和不銹鋼在堿性溶液或混凝土等鈍化體系的研究表明[29-35]，交流電影響金屬的鈍化行為，破壞鈍化膜，進而導致鈍化金屬的局部腐蝕。鈍化膜的損傷可能是由薄膜上存在的電場和界面張力產生的機電應力（電致伸縮張力）引起的。此外，AC提高了腐蝕電流密度和鈍化膜內點缺陷的濃度，降低了膜的穩定性和厚度，增加了膜破裂的可能性。

根據Vetter[36]和Sato[37]等提出的鈍化膜力電破壞理論，鈍化膜的破損是由電位突變引發。從熱力學角度，膜層張力主要由大氣壓0、膜層表面張力γ、電場導致電致伸縮張力E共同決定：

式中：0為真空介電常數；R為鈍化膜的相對介電常數；為單位長度的表面張力；為鈍化厚度。

外電場增強，電致伸縮張力隨之加大，當電場強度增強到臨界值BD時，伸縮張力使膜層應力R到達極限，導致膜層破損。臨界電場BD可通過式（2）計算。

Sato[37]和Strehblow[38]等研究結果表明，膜層破損的電場臨界值為106V/cm。

4 陰極保護管道交流腐蝕機理

20世紀60年代以來，交流干擾的危害和風險逐漸引起研究人員的注意。Kulman在1961年發文簡要闡述了交流腐蝕現象[39-41]。1971年，Peabody和Verhiel就交流輸電線路對埋地管道的影響進行了總結概括[42]。早期文獻中，無陰極保護條件下的交流腐蝕過程常用交流電的整流效應來解釋[43]。為解釋陰極保護管道交流腐蝕過程和現象，研究人員先后提出了如電位震蕩機理、鈍化膜氧化/還原機理、鈍化膜力電損傷機理、堿化機理及自催化機理等。

現有文獻中，對交流電的整流效應、電位震蕩等機理的引用和提及較多，此處不作詳細論述[44]。電位震蕩機理從化學熱力學原理角度解釋了交流腐蝕現象，交流電在金屬/電解質界面的循環振蕩作用誘發腐蝕，這種現象歸因于-pH圖上不同區域間（如鈍化區和免蝕區之間）腐蝕狀態的變化。

4.1 陰極保護管道交流腐蝕的局部環境

陰極保護管道交流腐蝕是一個多因素多控制步驟的復雜過程。交流腐蝕是在陰極保護產生的高pH局部環境中發生的。防腐層缺陷處在陰極保護電流作用下，陰極反應產生的OH?在管道缺陷處累積，導致了局部出現高pH環境。鋼表面最終的pH值取決于陰極保護水平（陰極保護電流密度）、土壤理化性質等，如圖5所示。

圖5 陰極保護電流密度與其導致的管道表面局部pH之間的關系

Nielsen等[45]基于交流干擾腐蝕研究結果，提出了交流腐蝕的堿化理論。該理論基于與交流干擾相關的2種效應：陰極保護電流作用下，防腐層缺陷處溶液堿化；存在交流干擾時，-pH圖中鋼的電位在鈍化區、免蝕區和高pH腐蝕區（HFeO2?穩定區）之間振蕩。交流腐蝕存在“潛伏期”，即金屬表面電解液達到臨界pH的時間。潛伏期過后，由于與鐵溶解（快）和鈍化膜形成（慢）相關的時間常數不同，電位振蕩可能導致腐蝕。高pH值（接近14）下，HFeO2?的形成可能會導致腐蝕，故不能通過高水平陰極保護來控制交流腐蝕。因此，存在AC時的保護標準比沒有AC時更嚴格，因為疊加AC會破壞沒有AC時具有保護作用的鈍化膜。他們建議最大真實電位保持在?1.22 V（vs. CSE）以下[46]。

擴展電阻是評估AC腐蝕風險的關鍵參數之一。它通過土壤電阻率和防腐層缺陷的幾何形狀，將管道上的交流電壓和直流電位與防腐層缺陷處的電流密度相關聯。陰極保護電流在防腐層缺陷處鋼表面產生高pH值環境，該環境使防腐層缺陷處擴散電阻降低，這被認為是引起交流腐蝕的一個重要因素。擴散電阻s可通過式(3)計算：

s=AC/AC(3)

式中：AC為交流電壓；AC為交流電流。

陰極保護影響管道防腐層缺陷處的擴散電阻，進而影響管道防腐層缺陷處的交流電流密度。高水平陰極保護引起防腐層缺陷處局部環境堿化，導致擴散電阻降低，較低的擴散電阻進一步提高了防腐層缺陷處的交流電流密度，使交流腐蝕進入自催化過程。同時，交流電對陰極保護具有去極化效應，在交流干擾下維持恒定陰極保護電位需要更大的陰極保護電流，如此循環，進而誘發交流腐蝕。

4.2 膜層氧化/還原機理

Büchler和Sch?enich在2009年提出了一種AC腐蝕的機械模型[13,47]。該模型如圖6所示，其中交變的陽極和陰極電流會導致碳鋼表面鈍化膜的形成和還原。交流電的正半波周期內，交流電對管道進行陽極極化，管道金屬被氧化，表面形成一層鈍化膜；交流電負半波周期內，鈍化膜被還原成非保護性多孔氫氧化物（如Fe(OH)2）膜層，該膜層可能不會再次轉換為鈍化膜。接下來的陽極循環中，一層新的鈍化膜在金屬和氫氧化物之間生長。如此周而復始，每一次循環周期都導致金屬腐蝕產物生產，管道基體不斷被氧化腐蝕。另外，交流頻率的影響也被考慮為是誘發腐蝕的一個因素，在其影響下，鈍化可能并不會在完整的交流電周期內發生。那么在隨后的正半波中，將可能發生鐵的溶解或其他還原產物的氧化（或兩者兼有），進而導致鋼基體腐蝕。此種情況下，鐵、氧化亞鐵和氧化鐵之間的轉化以及鈍化膜的破壞會被用來解釋交流干擾加速腐蝕的行為[14]。

圖6 氧化/還原交流腐蝕機理

4.3 鈍化膜力電損傷機理

交流干擾下，即使符合?0.850 V（vs. CSE）陰極保護標準，也可能發生交流腐蝕，陰極過度保護增加交流腐蝕風險[48-52]。最近，Brenna等人[14,44]認為，陰極保護管道的交流腐蝕是由交流電導致碳鋼表面鈍化膜破壞后產生的高pH腐蝕，提出了碳鋼在陰極保護下的兩步交流腐蝕機理：碳鋼表面的鈍化膜在交流電作用下發生力電損傷；碳鋼表面的鈍化膜破壞后，陰極保護造成的的高pH環境導致碳鋼腐蝕。

調節不同陰極保護水平，采集金屬氧化膜兩側交流電形成的極限電場，隨著陰極保護水平的提高，該電場增大。?1.2 V陰極保護下，金屬氧化膜兩側的電場強度達到1.4×106V/cm，超過臨界值而導致鈍化膜破裂。鈍化膜破裂后，持續施加陰極保護，導致裸鋼表面pH值升高，進而使管道鋼電位-pH處于高鐵酸鹽的活化區，加劇管道鋼腐蝕。

金屬氧化膜破裂后，金屬在陰極過保護狀態發生與電位無關的高pH腐蝕。根據-pH圖，這種高pH腐蝕可通過形成HFeO2?發生。該機制解釋了高陰極保護水平下管道鋼的腐蝕現象。盡管陰極保護電流作用下，碳鋼不會發生陽極氧化電化學反應，但可通過不依賴于電位的化學過程發生腐蝕[53]。

5 結論

管線和高壓輸電線路常使用相同的路由通道，出現大量的高壓/特高壓輸電線路、電氣化鐵路等基礎設施與埋地油氣管道交叉、平行的情況。油氣管道受高壓輸電線路雜散電流干擾已成為常態，交流干擾引發的管道腐蝕問題受到越來越多的關注。國內外研究人員圍繞埋地管道交流干擾形式、交流干擾的測試及評估、交流腐蝕特征及機理等方面開展了廣泛研究。然而，多因素耦合作用下的交流干擾腐蝕行為復雜，交流腐蝕模型構建及機理分析均存在一定局限性，因此對于交流干擾腐蝕尚未形成統一認知，也未達成通用的評價準則和方法。近些年來，業界對交流腐蝕的理解及認識正在逐步提高，已有一些基于經驗數據的交流腐蝕評價標準，然而，陰極保護管道交流腐蝕的眾多過程、規律及機理仍不清楚，有待進一步深入研究。

1）防腐層缺陷處在陰極保護電流作用下，導致局部高pH環境。陰極保護下的交流腐蝕是在高pH局部環境中發生的。鋼表面最終的pH值取決于陰極保護水平（陰極保護電流密度）、土壤理化性質等。

2）通過高于一定閾值水平的陰極保護電流密度，可以顯著降低與防腐層缺陷有關的擴展電阻，較低的擴散電阻進一步提高了防腐層缺陷處的交流電流密度，使交流腐蝕進入自催化過程。同時，交流電對陰極保護具有去極化效應，交流干擾下保持恒定的陰極保護電位勢必需要更大的陰極保護電流，因此加劇腐蝕。

3）交流電流會破壞金屬鈍化膜，對金屬的鈍化行為產生影響，進而導致鈍化金屬的局部腐蝕。交流電可使管道鋼在陰極保護高pH條件下形成的鈍化膜減弱，這可用交流電的力電效應來理解。

4）管道上感應交流電壓可能導致陰極保護系統故障，陰極保護電位不當，可能會加劇管道的交流電腐蝕。在存在交流干擾的情況下，即使符合?0.850 V標準，也可能發生腐蝕。鈍化膜內存在的強交變電場內，電致伸縮應力可引起薄膜局部擊穿。

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Research on AC Interference Corrosion of Buried Pipeline with Cathodic Protection

YAN Mao-cheng1, SHI Wei2, WANG Bin-bin3

(1. Institute of Metals Research, Chinese Academy of Sciences, National Research Center of Metal Corrosion Control, Shenyang 110016, Liaoning, China; 2. Guangdong Institute of Corrosion Science and Technology Innovation, Guangzhou 510535, Guangdong, China;3. Pipe China Southwest Pipeline Company, Chengdu 610000, Sichuan, China)

Through the case study of AC corrosion on pipeline with cathodic protection, the interference trend of AC facilities such as AC transmission line on buried pipeline, the characteristics, occurrence conditions and influencing factors of AC corrosion of pipeline with cathodic protection are summarized. The main influence of alternating current on the electrode process and polarization behavior of pipeline steel material activation and passivation system, and the synergistic acceleration of high cathodic protection level on AC corrosion are summarized. This paper systematically describes the latest research progress in the mechanism and evaluation criteria of AC corrosion of pipelines under cathodic protection. The main viewpoints and influencing factors in the mechanism model of AC interference corrosion are discussed, and the problems in cathodic protection technology of pipeline under the condition of AC interference are expounded.

buried pipeline; cathodic protection; stray current interference; AC corrosion

2021-03-07；

2021-04-09

YAN Mao-cheng (1976—), Male, Ph.D., Associate researcher, Research focus: soil corrosion of oil and gas pipelines and coating/cathodic protection joint protection.

閆茂成, 石薇, 王彬彬. 埋地陰極保護管線的交流干擾腐蝕[J]. 裝備環境工程, 2021, 18(4): 001-008.

TG172

A

1672-9242(2021)04-0001-08

10.7643/ issn.1672-9242.2021.04.001

2021-03-07；

2021-04-09

閆茂成（1976—），男，博士，副研究員，主要研究方向為油氣管道土壤腐蝕及涂層/陰極保護聯合防護技術。

YAN Mao-cheng, SHI Wei, WANG Bin-bin. Research on ACinterference corrosion of buried pipeline with cathodic protection[J]. Equipment environmental engineering, 2021, 18(4): 001-008.