摘要

利用電化學測試、表面分析及失重分析技術，研究了模擬高鐵動態交流干擾下管道鋼的腐蝕行為和規律及陰極保護的有效性。結果表明，動態交流干擾下，陰極保護電位向負方向偏移，交流干擾增大管道的陰極保護電流密度；動態交流干擾下，隨干擾水平增加，管道鋼腐蝕程度增加，點蝕坑明顯加深。陰極保護明顯減緩交流干擾試樣的腐蝕程度，腐蝕速率降為不施加陰極保護試樣的一半；本實驗條件下，-1.0 V陰極保護電位可充分保護低于水平100 A/m2的動態交流干擾腐蝕。

關鍵詞： 管道鋼 ; 雜散電流 ; 交流干擾 ; 交流腐蝕 ; 陰極保護

近年來我國油氣管道和電氣化鐵路建設發展迅猛，截至2020年底，中國鐵路營業里程達14.6×104 km，其中高速鐵路3.8×104 km；《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》明確指出，到2035年，全國鐵路網運營里程20×104 km，其中高速鐵路7×104 km。由于地理位置的限制，埋地管道與電氣化鐵路平行或交叉鋪設情況越來越多，形成了錯綜復雜的能源輸送網和電氣化鐵路網，來自高鐵的雜散電流干擾問題日益普遍和嚴重，引起地下管道直接腐蝕或氫損傷，導致管道泄露、爆炸等安全事故，干擾腐蝕案例國內外均有大量報道[1-3]。

我國高鐵采用工頻單相25 kV交流供電制式，額定頻率50 Hz，一般采用AT供電方式[1]。使用軌道和大地作為返回路徑返回牽引變電站。鐵路可能通過容性耦合、阻性耦合和感性耦合等方式干擾地下管道。不同于電感耦合引起的電力系統的穩態交流干擾[3]，鐵路牽引電力系統的干擾是電感耦合與電阻耦合作用下的瞬時交流干擾[4, 5]。無有效保護措施或長期干擾下，管線會產生嚴重腐蝕，危及運輸和運行安全，并對附近的人員和與之連接的設備造成危害[6]。

人們對穩態交流干擾下的腐蝕行為及風險評估進行了大量研究，取得了較大進展[7-11]。Lalvani和Zhang[12]指出，交流干擾可以減少陽極和陰極極化，降低金屬的鈍化，增加腐蝕速率。Song等[13]的研究表明，陰極保護電位低于-1.0 V (vs. CSE) 時，交流腐蝕速率不受交流電壓影響，而主要受頻率和交流電流密度影響。Weng和Wang[14]的研究結果表明，碳鋼的交流腐蝕速率與交流電流密度 (0~250 A/m2) 遵循冪函數關系；涂層存在微缺陷或表面破損時，交流干擾下即使采用陰極保護，管道的腐蝕也可能非常嚴重[15]。現有的研究結果不能有效地預測碳鋼的交流腐蝕。不同于高壓交流輸電線路的穩態交流干擾，高鐵對管道的干擾是動態的，其干擾特征與牽引供電方式和機車運行狀態密切相關。動態交流干擾影響因素和影響過程復雜，除了干擾強度、頻率及干擾時間等因素外，還與管線陰極保護水平密切相關。目前人們對動態交流干擾下金屬/土壤界面電化學過程、金屬腐蝕行為規律等仍缺乏深入了解。

本研究構建動態交流干擾管道腐蝕模擬實驗裝置，利用電化學和失重方法研究動態交流干擾下管線鋼電化學極化特征及腐蝕行為。利用掃描電子顯微鏡 (SEM) 和激光共聚焦顯微鏡 (CLSM) 對腐蝕產物和腐蝕形貌進行表征。研究動態交流干擾強度及陰極保護水平等對管道鋼腐蝕的影響，為受高鐵線路干擾管道的評估及防護措施的制定提供依據。

1 實驗方法

實驗基材為X65管線鋼。試樣切割成面積為1 cm2、厚度5 mm的圓形試片。用于電化學極化測試的試樣由環氧樹脂封固，裸露工作面積為1 cm2，在試樣背部焊接導線并將除工作面外其余表面采用環氧樹脂密封。用于長期試驗并進行失重測試的試樣采用特制的有機玻璃盒封裝，背面用銅線連接，工作面暴露面積為1 cm2。試樣工作面用砂紙逐級打磨至1000#，用去離子水和無水乙醇清洗，冷風吹干，備用。

實驗介質采用土壤模擬溶液飽和的石英砂 (80~100目)，土壤模擬溶液為含5 mmol·L-1 Na2SO4+2.5 mmol·L-1 NaHCO3+10 mmol·L-1 NaCl的去離子水溶液。

根據高鐵動態交流干擾特點，設計了動態交流干擾模擬電路及試驗裝置，如圖1所示。電路包括交流電源、循環時間繼電器、電容、電感、恒電位儀、輔助電極、參比電極和X65鋼工作電極。通過交流電源施加交流電流并使用繼電器控制連接或斷開交流干擾電源或直流陰極保護電源，模擬動態交流干擾。

圖1  動態交流干擾實驗裝置示意圖

動態交流干擾下管線鋼極化測量采用三電極體系，X80鋼為工作電極，鉑網為輔助電極，飽和甘汞為參比電極 (SCE)。采用交流電源對試樣分別施加0、30、100和300 A/cm2等不同水平交流電干擾，在施加交流干擾過程中測試管線鋼的極化曲線。極化曲線使用Gamry 600+進行測試，掃描速率為1 mV/s，掃描范圍為±250 mV (OCP)。

圖2是動態交流干擾實驗原理圖，交流干擾采用恒電流模式，每周期10 min：單次干擾時間4 min，間隔時間6 min。交流干擾電流密度分別為100和300 A/m2。實驗參數如表1所示。陰極保護電位通過恒電位儀施加。實驗過程中，使用uDL2數據記錄儀采集工作電極電位。

圖2  不同的交流電流密度干擾實驗原理圖

表1  動態交流干擾條件下的實驗參數設置

實驗后，取出試樣并使用無水乙醇脫水。干燥后，用FEG XL30掃描電子顯微鏡 (SEM) 觀察管線鋼試樣表面腐蝕產物。試樣用添加緩蝕劑的鹽酸 (500 mL HCl，500 mL去離子水和20 g六次甲基四胺) 清洗液除去腐蝕產物，用去離子水和無水乙醇清洗，干燥。用SEM和Zeiss LSM 510激光共聚焦顯微鏡 (CLSM) 觀察試樣微觀腐蝕形貌，利用Rigaku-D/max 2500PC X射線衍射儀 (XRD) 分析腐蝕產物的組成。對實驗前后試樣精確稱重，采用下式計算試樣的腐蝕速率vCR (mm/a)：

          (1)

其中，ΔW是試樣實驗前后質量損失 (g)，S是試樣暴露表面 (m2)，t測試持續時間 (d)。

2 結果與討論

2.1 交流干擾下管道鋼的極化行為

不同交流電流密度IAC干擾下試樣的極化曲線如圖3所示。可見，交流電干擾使自腐蝕電位和極化曲線偏移。無交流干擾時，自腐蝕電位為-0.599 V；IAC較小時，隨交流干擾電流密度的增加試樣的自腐蝕電位 (Ecorr) 負移。IAC為100 A/m2時，Ecorr為-0.909 V。IAC為300 A/m2時，自腐蝕電位正向移動。隨IAC增大，陰極電流和陽極電流增加，腐蝕電流增大，反應處于混合控制下，試樣表面溶液中Fe2+和O2的濃度會影響試樣的腐蝕速率[11,16,17]。動態交流干擾也涉及氧的消耗和擴散[15]，陰極保護電流導致氧的還原消耗，動態交流干擾過程中陰極保護的周期性施加，則Fe2+和O2很難擴散到樣品表面。因此，在這種條件下的腐蝕情況類似于穩定交流干擾[18]。

圖3  試樣在不同交流電流密度干擾水平下的極化曲線

陰極保護管道鋼試樣施加100和300 A/m2的動態交流干擾時電位變化如圖4所示。施加100和300 A/m2交流干擾時，試樣交流電位分別為15.3和22.6 V。動態交流干擾使試樣保護電位負向偏移，100 A/m2交流干擾施加瞬間試樣出現一較大負向電位脈沖，電位負向偏移較大，而后電位逐步升高，干擾停止后電位繼續上升。300 A/m2交流干擾時電位向負向偏移，干擾停止時電位出現負向脈沖，而后逐步上升。兩種交流干擾均顯著增大了試樣的陰極保護電流密度ICP。無交流干擾時ICP約為0.09，100和300 A/m2交流干擾下ICP分別為0.19和23.1 A/m2。

圖4  動態交流干擾下管道鋼試樣的陰極保護電位和交流電壓的變化

2.2 動態交流干擾下管道鋼腐蝕產物分析

無陰極保護動態交流干擾5 d后表面腐蝕產物形貌示于圖5。試樣表面腐蝕產物主要呈顆粒狀和鱗片狀[19]。XRD分析 (圖6) 表明，腐蝕產物主要成分為γ-FeOOH、Fe3O4和Fe2O3[20]。腐蝕產物隨干擾電流的增加而增加，腐蝕產物表面均存在局部開裂現象，這可能是由于試樣表面干濕交替的環境所導致。電流使試樣表面的水分蒸發，但動態交流干擾間隔時，溶液又擴散到試樣表面，形成干濕交替環境。

圖5  無陰極保護管道鋼試樣動態交流干擾試驗后表面腐蝕產物形貌

圖6  試樣表面腐蝕產物XRD譜

石英砂中陰極保護試樣動態交流干擾實驗5 d后試樣的宏觀照片和SEM形貌分別示于圖7和8。試樣表面的白色顆粒是石英砂，動態交流干擾下，試樣表面產生一些黑色和黃棕色腐蝕產物。圖8顯示腐蝕產物分為兩層，其中底部腐蝕產物為黑色，而上層為黃褐色。隨著交流干擾電流密度的增加，表面腐蝕產物變厚，表明施加動態交流干擾會加速試樣的腐蝕。去除腐蝕產物后可以明顯看出大電流密度交流干擾下點蝕坑更深。

圖7  陰極保護管道鋼動態交流干擾X65鋼試驗后試樣宏觀形貌

圖8  陰極保護管道鋼動態交流干擾試驗后試樣表面腐蝕產物形貌

2.3 動態交流干擾管道鋼腐蝕形貌

4種實驗條件試樣去除腐蝕產物后的表面腐蝕形貌示于圖9。可見，隨干擾電流密度增加，試樣表面腐蝕程度增加，點蝕坑明顯加深。陰極保護使管道鋼試樣的腐蝕速率明顯降低，但點蝕坑深度與無陰極保護條件相比未見顯著減小。

圖9  動態交流干擾試驗后管道鋼試樣表面腐蝕形貌SEM圖

使用激光共焦掃描電子顯微鏡 (CLSM) 對點蝕形態進行表征，如圖10所示。100和300 A/m2干擾下，無陰極保護時的最大點蝕坑深分別為45.7和 61.1 μm；而施加陰極保護時的最大點蝕坑深分別為38.9和57.9 μm。

圖10  動態交流干擾試驗后管道鋼試樣表面腐蝕坑CLSM形貌圖

由失重法計算得管道鋼試樣的腐蝕速率數值列于表1。100和300 A/m2動態交流干擾下，無陰極保護試樣腐蝕速率分別為0.046和0.195 mm/a；而施加陰極保護試樣的腐蝕速率分別為0.024 mm/a (＜0.025 mm/a) 和0.092 mm/a (＞0.025 mm/a)。腐蝕速率隨交流干擾電流密度的增加而增加，干擾電流密度300 A/m2下試樣腐蝕速率約是100 A/m2時的3倍；相同水平交流干擾條件下，無陰極保護試樣的腐蝕速率約是陰極保護試樣的2倍。

據NACE SP0169-2013 (埋地或水下金屬管道系統的外腐蝕控制) 準則中規定的0.025 mm/a的腐蝕速率限值，本實驗條件下，-1.0 V陰極保護電位可有效保護干擾水平低于100 A/m2的動態交流干擾，而不能有效保護300 A/m2水平的動態交流干擾。

2.4 動態交流干擾下管道鋼腐蝕機理分析

交流電是以一定頻率周期性交替變化的陽極和陰極電流。交流電的正半周期內產生陽極電流對管道進行陽極極化，管道金屬被氧化，表面生成鈍化膜 (如Fe2O3)；交流電負半周期內過多的陰極電流對管道進行陰極極化，促使點蝕電位負向偏移并使電極表面膜層的狀態發生改變，鈍化膜被還原成非保護性的二價多孔氫氧化物膜層，如Fe(OH)2，此腐蝕產物層沒有保護作用且膜層可能不會再次轉換為鈍化膜，且腐蝕產物在管道鋼表面的粘附狀態會在交變電場的影響下發生變化，從而導致腐蝕產物膜變松并且孔隙率增加[21]。在接下來的循環過程中，隨著鋼電極表面鈍化膜的氧化和還原，金屬和氫氧化物之間生成新的鈍化膜[22]，Fe2+被還原且反應不可逆，每一循環都導致腐蝕產物產生，結果管道基體不斷被氧化腐蝕。

陰極保護作用下，形成高pH局部環境，管道鋼表面可形成鈍化膜，而當陰極保護和交流干擾共同作用時，交流電流提高了腐蝕電流的密度、減少膜層厚度、降低穩定性。同時瞬時變化的電位在膜層表面電場和界面張力的作用下導致鈍化膜的機械破損，影響鈍化膜的致密性，使無保護的鋼基底直接暴露在腐蝕離子中加速管道的腐蝕。

3 結論

(1) 施加交流干擾電流時，管道鋼試樣陰極保護電位向負方向偏移。隨交流干擾電流密度的增加，促進陽極和陰極反應，導致腐蝕電流增加。交流干擾增大管道的陰極保護電流密度。

(2) 動態交流干擾下，管道鋼試樣腐蝕產物主要為顆粒狀和鱗片狀，主要成分為γ-FeOOH、Fe3O4和Fe2O3。隨干擾水平增加，管道鋼腐蝕程度增加，點蝕坑明顯加深。

(3) 動態交流干擾下，陰極保護試樣的交流腐蝕程度明顯減緩，腐蝕速率約為不施加陰極保護的一半。本實驗條件下，-1.0 V陰極保護電位可以有效保護100 A/m2水平的動態交流干擾，但不能保護300 A/m2水平的動態交流干擾。

(4) 交流干擾下，陰極保護狀態下的管道鋼發生局部陽極溶解，這歸因于交流電流正半周期中產生的陽極電流優先腐蝕鋼表面的活性部位破壞金屬鈍化膜，進而導致局部腐蝕。交流干擾情況下，即使符合陰極保護標準，也可能發生腐蝕。

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