(1. 中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司，廊坊 065000； 2. 中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京100192； 3. 中國(guó)石油天然氣管道局工程有限公司 東南亞項(xiàng)目經(jīng)理部，廊坊 065000)

我國(guó)地域廣闊，能源主要分布在西部區(qū)域，而人口和工業(yè)則主要集中在東部地區(qū)，因此遠(yuǎn)距離、大容量的能源輸送發(fā)展戰(zhàn)略應(yīng)運(yùn)而生，長(zhǎng)輸油氣管道和高壓直流工程也因此進(jìn)入建設(shè)高峰期[1-2]。

隨著西電東送，西氣東輸工程的建設(shè)，直流接地極與埋地油氣管道鄰近的情況已不可避免。而高壓直流輸電系統(tǒng)在運(yùn)行期間會(huì)有大量電流通過接地極入地，在接地極附近形成恒定的直流電流場(chǎng)[3]，并伴隨出現(xiàn)大地電位的升高。如果接地極附近存在金屬管道，由于金屬的電阻率遠(yuǎn)小于土壤電阻率，電流將會(huì)在管道防腐蝕層破損點(diǎn)處流入流出，不僅使金屬管道存在腐蝕和氫脆的風(fēng)險(xiǎn)，還會(huì)給管道附屬設(shè)備以及人員的安全帶來危險(xiǎn)[4-5]。

隨著我國(guó)特高壓直流輸電工程快速發(fā)展，接地極的額定入地電流也由3 kA增大至4 kA甚至5 kA，接地極入地電流對(duì)埋地油氣管道的影響問題日漸凸顯[6-9]，已引起石油天然氣和電力兩大行業(yè)的高度關(guān)注[10]。而關(guān)于直流接地極對(duì)金屬管道腐蝕的針對(duì)性研究并不多見[11-12]，并且對(duì)于大電流密度下法拉第電解定律的適用性也鮮有研究。本工作分別對(duì)不同管道材料、土壤pH、土壤電阻率、泄漏電流密度、持續(xù)時(shí)間等參數(shù)開展金屬腐蝕試驗(yàn)，以研究直流接地極入地電流對(duì)埋地油氣管道的腐蝕影響規(guī)律，同時(shí)驗(yàn)證法拉第電解定律在大電流密度下的適用性。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試樣材料為X65、X70、X80鋼，將試驗(yàn)材料制成尺寸分別為10 mm×10 mm×12 mm和50 mm×20 mm×12 mm的試樣，所有試樣在試驗(yàn)前均用水磨砂紙(至800號(hào))打磨。試驗(yàn)所用試劑有氯化鈣、氯化鈉、無水硫酸鈉、無水硫酸鎂、硝酸鉀、碳酸氫鈉、氫氧化鈉、濃鹽酸，均為分析純，購(gòu)于天力化學(xué)試劑有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

搭建穩(wěn)態(tài)條件下的腐蝕試驗(yàn)系統(tǒng)[13-14]，為消除試驗(yàn)誤差，試驗(yàn)設(shè)置三組平行試樣，此外每次試驗(yàn)均添加空白樣以消除自腐蝕誤差。為保證回路電流一致，采用串聯(lián)回路，電源選擇恒流模式，回路示意圖如圖1所示。當(dāng)回路電阻小時(shí)，使用PS-12恒電位儀，回路電阻大則使用HIPS-1C直流穩(wěn)壓電源。

圖1 腐蝕試驗(yàn)回路示意圖Fig. 1 Schematic diagram of corrosion testing loop

為保證試驗(yàn)過程中工作電極和輔助電極(鉑電極)間距離一致，采用定制電解槽，如圖2所示。電解槽側(cè)面配置密封圈以安裝對(duì)應(yīng)尺寸的試樣，試驗(yàn)過程中在其中一側(cè)安裝試樣，在不安裝試樣的另一側(cè)用對(duì)應(yīng)尺寸的密封墊密封，電解槽蓋子配有圓孔以安裝輔助電極。用FLUKE 289C萬用表對(duì)試驗(yàn)過程中的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖2 試驗(yàn)定制電解槽Fig. 2 Customized electrolytic cell for test

試驗(yàn)前采用XSE 205DU電子天平對(duì)試樣進(jìn)行稱量及尺寸測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)束后參照GB 16545-2015《金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除》清除腐蝕產(chǎn)物[15]，然后再次對(duì)試樣進(jìn)行稱量。

2 結(jié)果與討論

2.1 管材的影響

參考文獻(xiàn)[16-19]分別配制具有代表性的庫(kù)爾勒土壤模擬溶液和鷹潭土壤模擬溶液，調(diào)節(jié)溶液pH即土壤pH分別為8.0和4.0，電阻率調(diào)至30 Ω·m。在恒定陽極電流密度9 mA/cm2下對(duì)尺寸為10 mm×10 mm×12 mm的X65、X70、X80管線鋼試樣進(jìn)行加速腐蝕，腐蝕時(shí)間為1 d。由于試驗(yàn)過程中電流密度存在微小的波動(dòng)，故試驗(yàn)值是將實(shí)際測(cè)量值折算成電流密度為9 mA/cm2時(shí)的值，腐蝕試驗(yàn)后不同管材的質(zhì)量損失情況見表1。

表1 管材對(duì)腐蝕質(zhì)量損失的影響Tab. 1 Effect of pipe material on mass loss after corrosion

從表1可以看出：在相同的電流密度下，三種鋼材的腐蝕后的質(zhì)量損失相差不大，試驗(yàn)平均值與計(jì)算值(按法拉第電解定律計(jì)算)的相對(duì)誤差不超過2%，因此恒定陽極電流密度下管線鋼的腐蝕量受鋼材類型影響不大。

2.2 土壤pH的影響

根據(jù)文獻(xiàn)[17,19-20]分別制備鷹潭、拉薩、庫(kù)爾勒土壤模擬溶液，溶液pH分別調(diào)節(jié)至4、7、8，電阻率調(diào)節(jié)至30 Ω·m，試樣為50 mm×20 mm×12 mm的X80管線鋼，電流密度為0.3 mA/cm2，腐蝕時(shí)間為3 d，研究不同土壤pH對(duì)金屬腐蝕行為的影響。同樣，試驗(yàn)值是折算成電流密度為0.3 mA/cm2時(shí)的值，經(jīng)恒定電流密度0.3 mA/cm2加速腐蝕后的腐蝕質(zhì)量損失情況見表2。

表2 土壤pH對(duì)腐蝕質(zhì)量損失的影響Tab. 2 Effect of soil pH on mass loss after corrosion

從表2可以看出：在相同電流密度、不同土壤pH下腐蝕后管線鋼的質(zhì)量損失也相差不大，試驗(yàn)值與計(jì)算值(按法拉第電解定律計(jì)算)的相對(duì)誤差不超過5.10%，故恒定陽極電流密度下管線鋼的腐蝕質(zhì)量損失受土壤pH影響不大。

2.3 土壤電阻率的影響

試驗(yàn)溶液選用庫(kù)爾勒土壤模擬溶液，將溶液pH調(diào)節(jié)至8.0，電阻率分別調(diào)節(jié)為10、30、100、500、1 000、1 500 Ω·m，試樣為50 mm×20 mm×12 mm的X80管線鋼，電流密度為0.3 mA/cm2，腐蝕時(shí)間為3 d，研究土壤電阻率對(duì)金屬腐蝕行為的影響。經(jīng)恒定電流密度0.3 mA/cm2加速腐蝕后管線鋼的質(zhì)量損失情況見表3，其中試驗(yàn)值是折算成電流密度為0.3 mA/cm2時(shí)的值。

從表3中可以看出：在恒定的電流密度、不同土壤pH下腐蝕后管線鋼的質(zhì)量損失相差很小，試驗(yàn)值與計(jì)算值(按法拉第電解定律計(jì)算)的相對(duì)誤差不超過5.10%，恒定陽極電流密度下管線鋼的腐蝕質(zhì)量損失受電阻率影響很小。

2.4 泄漏電流密度的影響

本節(jié)試驗(yàn)所用試驗(yàn)溶液為庫(kù)爾勒土壤模擬溶液，將溶液pH調(diào)節(jié)至8.0，電阻率調(diào)節(jié)至30 Ω·m。為避免腐蝕質(zhì)量損失過小(電流密度較小時(shí))引入較大測(cè)量誤差，對(duì)于電流密度為0.01、0.3、1 mA/cm2的試驗(yàn)采用50 mm×20 mm×12 mm的X80管線鋼試樣，腐蝕時(shí)間為6 d；對(duì)于電流密度3、9、40、90 mA/cm2的試驗(yàn)，采用10 mm×10 mm×12 mm的X80管線鋼試樣，腐蝕時(shí)間為1 d。陽極極化加速腐蝕試驗(yàn)結(jié)束后觀察試樣的質(zhì)量損失情況，通過金屬腐蝕速率對(duì)比研究不同泄漏電流密度對(duì)金屬腐蝕的影響規(guī)律。

表3 土壤電阻率對(duì)腐蝕質(zhì)量損失的影響Tab. 3 Effect of soil resistivity on mass loss after corrosion

表4為電流密度0.01～1 mA/cm2條件下X80管線鋼的腐蝕情況，表5為電流密度3～90 mA/cm2條件下X80管線鋼的腐蝕情況。根據(jù)表4和表5數(shù)據(jù)，對(duì)電流密度-腐蝕質(zhì)量損失和電流密度-腐蝕速率分別作圖，結(jié)果如圖3和圖4所示。

結(jié)果表明：試樣的腐蝕質(zhì)量損失與電流密度、腐蝕速率與電流密度均呈較好的線性關(guān)系，腐蝕質(zhì)量損失和腐蝕速率均隨著電流密度增大而增大；試驗(yàn)得到的腐蝕質(zhì)量損失平均值與按法拉第電解定律計(jì)算得到的計(jì)算值間的相對(duì)誤差隨著電流密度的增大而減小，除在0.01 mA/cm2電流密度下相對(duì)誤差較大外，其他電流密度下相對(duì)誤差均不超過5.00%。這是由于電流密度小到一定程度時(shí)，金屬在模擬溶液中由自腐蝕引起的質(zhì)量損失將大于由外加電流腐蝕產(chǎn)生的質(zhì)量損失，此時(shí)實(shí)際測(cè)量結(jié)果的誤差不僅來自于平行樣間金屬自腐蝕的差別，而且整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)因腐蝕質(zhì)量損失數(shù)值較小，測(cè)量誤差也會(huì)相應(yīng)增大。

表4 電流密度為0.01～1 mA/cm2時(shí)X80 管線鋼的腐蝕情況Tab. 4 Corrosion situation of X80 pipeline steel at current densities of 0.01-1 mA/cm2

表5 電流密度為3～90 mA/cm2時(shí)X80管線鋼 的腐蝕情況Tab. 5 Corrosion situation of X80 pipeline steel at current densities of 3-90 mA/cm2

從整體上看，腐蝕質(zhì)量損失的計(jì)算值和試驗(yàn)值基本上一致。這表明，金屬的腐蝕質(zhì)量損失很好地符合了電量-腐蝕質(zhì)量損失對(duì)應(yīng)的法拉第關(guān)系，根據(jù)外加電流大小和持續(xù)時(shí)間來計(jì)算金屬的腐蝕質(zhì)量損失是完全可行的。

(a) 0.01～1 mA/cm2

(b) 3～90 mA/cm2圖3 腐蝕質(zhì)量損失-電流密度關(guān)系曲線Fig. 3 Relationship between corrosion mass loss and current density

圖4 腐蝕速率-電流密度關(guān)系曲線Fig. 4 Relationship between corrosion rate and current density

2.5 腐蝕時(shí)間的影響

為進(jìn)一步了解管線鋼在恒電流下的腐蝕規(guī)律，掌握其在腐蝕過程中產(chǎn)生的腐蝕氧化物對(duì)其界面的影響及其界面是否對(duì)后續(xù)的反應(yīng)產(chǎn)生阻礙，開展了不同持續(xù)時(shí)間下的金屬腐蝕試驗(yàn)。

本節(jié)試驗(yàn)共設(shè)置3組不同時(shí)長(zhǎng)的腐蝕試驗(yàn)，分別是6 h、1 d、3 d，試樣為50 mm×20 mm×12 mm的X80管線鋼，腐蝕環(huán)境為庫(kù)爾勒土壤模擬液(電阻率30 Ω·m、pH 8)，為保證腐蝕試驗(yàn)中試樣產(chǎn)生足夠的腐蝕量以減小試驗(yàn)誤差，試驗(yàn)電流密度選用1 mA/cm2。表6為在1 mA/cm2恒定電流密度下腐蝕不同時(shí)間后X80的腐蝕質(zhì)量損失，其中試驗(yàn)值是折算成電流密度為1 mA/cm2時(shí)的值。圖5為腐蝕時(shí)間-腐蝕質(zhì)量損失的關(guān)系曲線。

結(jié)果表明：金屬的腐蝕質(zhì)量損失與腐蝕時(shí)間成正比，隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，腐蝕質(zhì)量損失呈線性增

表6 腐蝕時(shí)間對(duì)腐蝕質(zhì)量損失的影響Tab. 6 Effect of corrosion time on mass loss

圖5 腐蝕質(zhì)量損失-腐蝕時(shí)間關(guān)系曲線Fig. 5 Relationship between corrosion mass loss and corrosion duration

大，但腐蝕速率基本保持不變，金屬的腐蝕質(zhì)量損失與通過試樣表面的電量成正比。試驗(yàn)平均值與計(jì)算值(按法拉第電解定律計(jì)算)的相對(duì)誤差不超過2.4%。

3 結(jié)論

(1) 在其他試驗(yàn)條件一致的情況下，管線鋼的腐蝕質(zhì)量損失受鋼材類型、土壤pH以及土壤電阻率的影響不大，受泄漏電流密度的影響較大；管線鋼的腐蝕質(zhì)量損失和腐蝕速率均隨陽極電流密度的增大而增大，呈線性關(guān)系；腐蝕質(zhì)量損失與腐蝕時(shí)間成正比，腐蝕速率與腐蝕時(shí)間無關(guān)。

(2) 通過對(duì)腐蝕規(guī)律的研究，驗(yàn)證了法拉第定律在管道受大直流干擾腐蝕下的適用性，為后續(xù)仿真計(jì)算等效入地電流對(duì)管道產(chǎn)生的腐蝕量提供數(shù)據(jù)支持，為提出更具適用性的直流干擾評(píng)價(jià)指標(biāo)提供理論基礎(chǔ)。