劉凱峰

（中國石油管道公司沈陽檢測技術(shù)分公司， 遼寧 沈陽 110168）

隨著石油、天然氣、電力等行業(yè)的迅速發(fā)展，相應的基礎(chǔ)建設(shè)大量增加，油氣管網(wǎng)與高壓輸電網(wǎng)遍布各地，不可避免地出現(xiàn)了架空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(xiàn)象[1]。高壓輸電線路和城市地鐵交流牽引系統(tǒng)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(chǎn)生交流電流，并誘發(fā)交流腐蝕[2]。

目前國內(nèi)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，并取得了一定成果。然而對交流腐蝕機理的探討一直存在爭議，尚無一有效機理得到學術(shù)界的廣泛認可[3]。

國外對交流腐蝕機理已經(jīng)做了很多探索。部分研究者通過極化曲線建立腐蝕動力學模型，圍繞陰陽極塔菲爾斜率的不對稱性展開討論；部分研究者分析交流干擾下電極界面的氧化還原反應和腐蝕產(chǎn)物，探討電化學反應過程。然而，現(xiàn)有研究工作對交流干擾下動力學和熱力學機理的研究往往是分開進行的，彼此間缺乏應有的聯(lián)系和支持。因此本文針對埋地管線鋼的交流腐蝕行為進行了總結(jié)和分析，以期為管道交流干擾防護提供借鑒。

1 研究現(xiàn)狀

文獻資料和現(xiàn)場調(diào)研均表明，交流腐蝕速率僅占同等情況下的直流腐蝕速率的1%，然而交流腐蝕的影響是不容忽視的。前人認為交流腐蝕的主要影響因素為交流干擾電壓，但是后來的研究發(fā)現(xiàn)，事實上交流腐蝕起主要作用的是交流干擾源的交變頻率和作用于金屬上的交流電流密度[4,5]。

Funk等針對沙土和茹土兩種土壤環(huán)境通過試片（面積為10cm2）進行了電流密度為10～30A/m2和300～1000A/m2的現(xiàn)場試驗，當陰保較?。?A/m2）、交流干擾較大（30A/m2）時，其腐蝕速率高達0.1mm/a。而Goidanich等發(fā)現(xiàn)當10A/m2的交流干擾會使金屬的腐蝕速率增大一倍。

而交流干擾源的頻率主要影響了電化學腐蝕體系過程中腐蝕方程的動力學變化過程，尤其是金屬與腐蝕介質(zhì)表面的非法拉第反應過程；但是在相關(guān)的研究中發(fā)現(xiàn)，在不同的腐蝕體系中總是存在一個臨界頻率，因此這也就使得交流腐蝕的動力學機理更加復雜。

目前對交流腐蝕的研究主要包括失重和電化學實驗兩種方法，其干擾加載方法主要分為形成交流電流密度和交流干擾電場施加兩種。目前交流腐蝕的動力學機理分析仍然存在爭議，還有待更加深入、細致的研究。

1.1 交流干擾對金屬鈍化行為的影響

交流干擾對金屬鈍化的影響主要體現(xiàn)在陽極極化方面，因此在電化學研究中多采用陽極極化曲線、M-S曲線和EIS來分析其表面形態(tài)。Wendt和Chin發(fā)現(xiàn)，在較大的交流電壓下，金屬的鈍化膜幾乎無法形成，整個試片表面處于膜層的形成與破壞的交替過程中。

Chin等針對交流電流密度對金屬的陽極鈍化區(qū)進行了分析，發(fā)現(xiàn)當電流密度為20A/m2時就已經(jīng)不存在鈍化區(qū)，同時指出頻率對鈍化區(qū)的寬度基本沒有影響，但是對其鈍化臨界電流密度有較大影響。

1.2 交流腐蝕機理

1.2.1 交流腐蝕理論模型

（1）法拉第整流效應

該理論首次由McCollum提出，用于解釋交流干擾加速金屬腐蝕的原因，其主要思想為交流的正/負兩個半周期過程中產(chǎn)生的電流不相等，導致腐蝕反應的不可逆；Haring更加詳細地指出交流腐蝕發(fā)生的原因主要是由于整流對金屬膜層的影響導致的。Kulman也指出氧化膜的形成與破壞是整流作用的一個重要影響因素。

（2）陽極反應不可逆性

而Goidanich指出，交流腐蝕的最主要原因應該是陽極反應，即交流干擾正半周期的不可逆造成的。

曹楚南提出陽極反應的E-I曲線為非線性形式，陽極溶解電流密度Ia是E的指數(shù)函數(shù)（式1），當V/βa不大時，可通過式2來估計交流電感應的影響。

式中：Ia—陽極溶解電流密度；Icorr—腐蝕電流密度；△E —正弦波的交流電（幅值為V）；βa—陽極Tafel斜率。

（3）陽極反應的去極化作用

在交流干擾下，Jones發(fā)現(xiàn)低合金鋼和碳鋼在除氧溶液中的陽極Tafel斜率降低，因而提出交流干擾主要是對陽極的去極化過程產(chǎn)生影響；而在有氧的條件下，主要受到溶解氧的限制。事實上，該理論仍然是針對交流干擾正負周期對金屬表面膜的影響提出的。

（4）金屬/腐蝕表面的周期循環(huán)作用

Nielsen指出埋地管道涂層缺陷附近環(huán)境發(fā)生堿化和交流電在金屬/環(huán)境介質(zhì)界面的振蕩作用促進了管道的腐蝕。

（5）強電場誘導效應

發(fā)生交流腐蝕時的電場遠遠高于自然腐蝕狀態(tài)，且變化周期比一般腐蝕的電化學反應時間要小幾個數(shù)量級，因此可能會影響相關(guān)反應的進程甚至會影響某些腐蝕反應的發(fā)生。交變電場不均勻，強電場處會發(fā)生局部腐蝕，表現(xiàn)為與直流干擾相似的腐蝕現(xiàn)象。

1.2.2交流腐蝕熱力學機理研究進展

Ibrahim等研究了陰極保護下的交流腐蝕，結(jié)果表明交流電流使陰極保護效果降低，同時提出交流電流作用下腐蝕產(chǎn)物膜的不斷氧化還原過程導致了交流腐蝕：陽極電流增大，在每個交流周期內(nèi)，F(xiàn)e-Fe2O3/Fe3O4-FeO的周期性轉(zhuǎn)變導致碳鋼的腐蝕。同時，Ibrahim等人做出了在陰極保護和交流干擾同時存在的情況下通電電位和斷電電位的波動圖。

D.T.Chin研究小組針對不同波形、溶液以及干擾電壓中的金屬鋁交流腐蝕行為進行了相關(guān)研究，指出對金屬鋁表面鈍化膜破壞最嚴重的波形為三角波。

Y.F.Cheng等人于2010年研制了一項DAQ數(shù)據(jù)采集技術(shù)，可以將直流信號和交流信號從總的記錄信號中分離出來，為交流干擾存在時鋼鐵的腐蝕提供機理信息。其研究表明，在0～400A/m2內(nèi)，隨著交流電流密度增加，腐蝕加強；繼續(xù)增加至600～800A/m2，腐蝕速率減小。這歸因于在較高交流電流密度下鋼鐵表面形成了緊密腐蝕產(chǎn)物層。研究還表明只有一小部分的交流電流參與了金屬腐蝕，即充當了法拉第電流，大部分交流電流作為非法拉第電流參與了雙電層的充放電過程，或者是參與了水的氧化還原。

Y.F.Cheng等人研究了X65鋼在含有Na2CO3、NaHCO3、NaCl的溶液中，交流電流對鈍化區(qū)的影響：交流干擾越大，鈍化區(qū)波動越大。作者認為正是由于交流電流對鈍化區(qū)域的破壞，使鈍化膜無法形成從而導致了交流腐蝕。而曹備等分析了交流干擾對金屬自腐蝕電位的影響：AC正半周，金屬產(chǎn)生陽極極化，自腐蝕電位正移；AC負半周陰極極化，自腐蝕電位負移。

1.2.3 交流腐蝕動力學機理研究進展

在理論研究方面，Gellings發(fā)現(xiàn)交流干擾只會影響非線性的E-I體系，即r=βa/βc≠1：若r＜1，則腐蝕電位減?。蝗魊＞1，腐蝕電位增大；若r=1，腐蝕電位不變。而Bertocci根據(jù)活化控制理論也得到了相同的結(jié)論。

考慮到腐蝕過程中的擴散過程，Bosch等提出了陽極過程分別為活化控制和混合控制下的理論模型，證明了交流腐蝕速率的增加受擴散電流密度的制約，交流感應電壓對腐蝕行為的影響程度取決于塔菲爾參數(shù)。

同時，Chin等贊同Jones的陽極反應去極化觀點，并發(fā)現(xiàn)隨著交流電流密度的增加，陽極鈍化膜會被擊穿。研究小組還根據(jù)Gellings的穩(wěn)定狀態(tài)下金屬失重與交流電信號之間關(guān)系的數(shù)學模型，提出了在Tafel極化區(qū)腐蝕電流密度與給定直流腐蝕電位之間的關(guān)系。

2 結(jié)論

針對交流干擾對腐蝕速率、金屬鈍化行為的影響，從動力學和熱力角度解釋交流腐蝕機理進行了文獻總結(jié)，發(fā)現(xiàn)在不同的體系中，交流腐蝕行為和機理表現(xiàn)出較大的差異性。因此，解釋特定體系下的交流腐蝕行為和機理，確定其防護措施，對保證金屬的完整性有著十分重要的意義；同時根據(jù)現(xiàn)場實際情況，制定交流雜散電流的正確處理方式，對埋地管道的安全運行以及節(jié)約費用方面是非常有必要的。

◆參考文獻

[1] H.X.Meng,J.W.Liang,L.Xue,et al.Analysis on three-phase current unbalance in triple-circuits of 500kV transmission lines from Changzhi to Jiu’an in Shanxi Province[J].Power System Technology,2013,37(3):641-646.

[2] D.D.Micu,G.C.Christoforidis,L.Czumbil.AC interference on pipelines due to double circuit power lines:A detailed study[J].Electric Power Systems Research,2013,103:1-8.

[3] H.Isogai,A.Ametani,Y.J.Hosokawa.An investigation of induced voltage to an underground gas pipeline from an overhead transmission line[J].Electrical Engineering in Japan,2008,164(1):43-50.

[4] 王帥華. 高壓輸電線對埋地管道耦合干擾規(guī)律研究[D].青島：中國石油大學（華東），2009.

[5] 何曉. 高壓輸電線路對埋地金屬管道的腐蝕影響研究[D].武漢：華中科技大學，2011.