萬紅霞，李婷婷，宋東東，陳長風

研究綜述

雜散電流對埋地管道的腐蝕及排流方式的研究進展

萬紅霞1，李婷婷1，宋東東2，陳長風1

（1.中國石油大學（北京），北京 102249；2.暨南大學，廣州 510632）

隨著人們對能源需求的不斷增加，輸油管道和電力設施建設迅速發(fā)展，由于空間地理位置限制，管線與電力設施不可避免地并行鋪設，雜散電流對埋地管道的腐蝕問題日益突出。根據(jù)干擾源不同，可將雜散電流分為直流干擾與交流干擾。分別從直流和交流雜散電流出發(fā)，介紹了雜散電流的主要來源、形成原因及腐蝕危害；了解了二者的腐蝕特征以及腐蝕速率差異。通過調(diào)研國內(nèi)外雜散電流腐蝕的相關研究，對直流腐蝕與交流腐蝕機理進行了系統(tǒng)論述與總結(jié)，并對交流腐蝕速率低于直流腐蝕速率的原因進行了分析與探討。分別介紹了直流雜散電流與交流雜散電流的排流方法與排流裝置，分析了每種排流方式的優(yōu)缺點及適用條件，為實際工況中排流方式的選取提供了參考。最后，針對目前雜散電流腐蝕難點，提出了有待解決問題的方法，并對這一領域的研究方向及發(fā)展前景進行了展望，為相關研究提供了借鑒。

雜散電流；埋地管線；排流方式；腐蝕行為

近年來，我國能源事業(yè)發(fā)展十分迅猛，各行業(yè)對于石油、天然氣等能源的需求日益增加，能源需求的增長及能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，使地下油氣長輸管道的鋪設量顯著增加[1-2]。由于受到空間、地理環(huán)境限制，越來越多的埋地管線與高壓電線、城軌供電系統(tǒng)等電力設施平行鋪設，使埋地管道受到電力設施產(chǎn)生的雜散電流干擾[3-6]。雜散電流會加速金屬構(gòu)件的腐蝕，使地下管道減薄，嚴重時會造成腐蝕穿孔，引發(fā)油氣泄露，從而造成資源浪費與環(huán)境污染，甚至人員傷亡[7-9]。

早在1969年，Schwalm和Sandor[10]就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了雜散電流的存在。根據(jù)雜散電流的大小和方向是否隨時間變化，可分為動態(tài)雜散電流和靜態(tài)雜散電流；根據(jù)干擾源，可分為直流雜散電流和交流雜散電流[11-12]。通常情況下，地下管道受到的直流干擾主要來自于直流電氣化鐵路、直流電力線、直流整流器、陰極保護裝置等；交流干擾主要來自于高壓交流輸電線，交流電氣化鐵路等[13-17]。近幾十年來，雜散電流的腐蝕問題日益嚴峻，國內(nèi)外報道了多起由交、直流雜散電流引發(fā)的地下管道腐蝕案例。1993年，法國對鋪設于400 kV交流輸電線附近并經(jīng)陰極保護的輸氣管道進行了檢測，在該管道表面檢測到31個腐蝕點[18]。美國一輸氣管道平行鋪設于交流高壓輸電線附近僅5個月，發(fā)現(xiàn)在管道表面有18處腐蝕穿孔[19]。上海地鐵2號線地下并行鋪設的DN300燃氣鋼管受地鐵運行過程中產(chǎn)生的雜散電流干擾，發(fā)生過多次燃氣泄露事故[20]，造成嚴重的財產(chǎn)損失和安全問題。

國內(nèi)外許多學者針對雜散電流腐蝕問題進行了很多研究，取得了一定的成果。但由于雜散電流腐蝕的影響因素眾多，腐蝕機理也不是很明確，使人們對雜散電流腐蝕的了解有限，對其進行準確預測和防護也尤為困難。本文分別針對直流和交流雜散電流，闡述了雜散電流腐蝕的成因、影響因素及腐蝕機制，并討論了雜散電流現(xiàn)場防護措施，對雜散電流腐蝕問題的研究前景及發(fā)展趨勢進行了展望，為相關的研究提供借鑒。

1 雜散電流腐蝕的成因及危害

雜散電流的干擾源主要有：高壓輸電線路、接地為回路的輸電系統(tǒng)、電氣化鐵路等。

對于輸電線路來說，當線路出現(xiàn)單向短路或遇到雷電天氣導致系統(tǒng)故障時，會有電流通過輸電系統(tǒng)的接地體，接地體電流流入地下，通過土壤電阻流向電阻更小的金屬管道，使管道受雜散電流干擾的部分區(qū)域與未受電流影響的區(qū)域之間形成電位差，從而對管道造成電化學腐蝕。如果輸電線通過電流為交流電，交流電流除直接泄露外，還可以產(chǎn)生交變磁場使與其并行鋪設的埋地管道感應出交流電壓，雖然這種通過電磁耦合方式產(chǎn)生的電壓不是很大，但持續(xù)時間長，在交流電長期的干擾作用下，管道很容易出現(xiàn)腐蝕穿孔現(xiàn)象[21-23]。

對于電氣化鐵路，電力的傳輸通常由架空電線或鋼軌提供。電流回路通常是由附近變電站相連的運行軌道來實現(xiàn)，但由于軌道不可能完全與周圍環(huán)境絕緣，通常會有彌散的電流在規(guī)定的回路之外流動。以國內(nèi)地鐵為例，多采用牽引供電系統(tǒng)，通過架空輸電網(wǎng)供電，電流沿鋼軌回流過程中，會有少量牽引電流通過走行軌進入大地。由于地鐵等城軌交通運行范圍大，因此軌道附近的整個區(qū)域幾乎都受到雜散電流的影響，如地下輸油管道、水管、電纜和煤氣管等基礎設施，會縮短其使用壽命。而且，土壤中各個區(qū)域的電阻率有差異，軌道與地下管道的絕緣電阻也不是固定值，因此雜散電流的流動區(qū)域和大小是不確定的，對雜散電流的預防和緩解造成了一定困難[24-26]。

2 雜散電流腐蝕的影響因素

2.1 直流腐蝕的影響因素

穩(wěn)態(tài)直流雜散電流的腐蝕速度快，電流密度很小的直流電就能導致嚴重的腐蝕[27]。動態(tài)雜散電流的大小是隨時間波動的，所以動態(tài)雜散電流的腐蝕相對復雜，腐蝕嚴重性不只受到施加電壓的大小影響，還與電壓的波動范圍、周期等因素有關。另外，直流腐蝕結(jié)果往往與土壤性質(zhì)（如電阻率、含水量等）具有耦合性。

2.1.1 電壓對穩(wěn)態(tài)直流雜散電流腐蝕的影響

大量研究表明，直流電壓大小直接影響金屬的腐蝕速率。熊娟等[28]研究了直流電壓大小對X80鋼腐蝕的影響，發(fā)現(xiàn)初始腐蝕速率隨電壓增大而增大，在150 V和200 V時達到最大，之后隨電壓增大，腐蝕速率減小。秦潤之等[29]同樣研究了高壓直流干擾下X80鋼的腐蝕行為，結(jié)果表明，在直流電位為50、100、200、300 V時，對應的X80鋼的腐蝕速率呈先增大后降低的趨勢。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因是，不同電壓下的電流密度隨時間呈一定變化的規(guī)律。首先，電流密度在幾秒內(nèi)急劇上升到峰值電流密度，之后逐漸降低到一個平穩(wěn)的值，最后在長時間內(nèi)維持穩(wěn)定值不變。施加的直流電壓越大，其電流密度穩(wěn)定值不一定越大，而試樣的腐蝕速率受到穩(wěn)定電流密度值的影響，與峰值電流密度無關。

2.1.2 電壓對動態(tài)直流雜散電流腐蝕的影響

列車、地鐵在運行過程中產(chǎn)生的動態(tài)直流電流大小隨時間的變化，處于一個不斷波動的狀態(tài)，對金屬腐蝕的影響比較復雜。張玉星等[30]對地鐵雜散電流進行研究，發(fā)現(xiàn)外界干擾電壓大小與腐蝕速率呈正比，腐蝕速率隨干擾電壓波動范圍的增大而增大，并且在小電流密度長時間干擾下的腐蝕失重大于大電流短時間干擾下的腐蝕失重，說明金屬的腐蝕程度除了與電壓、電流等參數(shù)有關外，還與地鐵運行的快慢密切相關。王新華等[31]研究了涂層破損處電流與管地電位的關系，結(jié)果表明，涂層破損處電流與管地電位波動范圍成正比。他們還研究了電壓大小與頻率對金屬腐蝕程度的影響規(guī)律，結(jié)果表明，金屬腐蝕速率受電壓幅值的影響最大，頻率對腐蝕速率的影響較小。Qin等[32]研究表明，動態(tài)電壓周期（）對X70鋼的腐蝕速率有較大影響：當<80 s時，X70鋼的腐蝕速率大約只有等量穩(wěn)態(tài)直流下的1%~7%；>80 s時，隨著動態(tài)周期的增加，腐蝕速率明顯增加；>1 h時，X70鋼的腐蝕速率幾乎等于等量穩(wěn)定直流電流腐蝕速率。

2.1.3 環(huán)境因素對直流腐蝕的影響

由于埋地管道在土壤中的環(huán)境復雜，直流雜散電流對埋地金屬管道的腐蝕受到土壤自身性質(zhì)以及相對于干擾源的埋設位置影響。李長春等[33]研究表明，在一定電流密度的直流干擾下，腐蝕速率隨土壤電阻率的增大而減小。于家付等[34]也指出，土壤電阻率影響雜散電流在土壤中的分布，腐蝕速率跟土壤的電阻率呈非線性反比關系。譚錚輝等[35]的研究表明，含水率越高，雜散電流造成金屬的腐蝕電流密度和失重速率越大。Xu[36]測試了埋設深度、鐵軌和埋地管道的并行長度，繪制了腐蝕速率與不同干擾參數(shù)的非線性關系曲線。

2.2 交流腐蝕的影響因素

前人的很多研究表明，交流雜散電流對腐蝕的影響遠小于同等大小下的直流雜散電流。Fu[37]通過對比相同電流密度下的直流電腐蝕速率和交流電腐蝕速率，發(fā)現(xiàn)交流電只有不到1%的部分參與了腐蝕。Bertolini[38]指出，直流電流密度為1 mA/cm2就足以引發(fā)嚴重的鋼筋混凝土點蝕，然而交流電流密度為4 mA/cm2時卻不會引發(fā)鋼筋混凝土的任何腐蝕。McIntosh[39]等研究表明，在交流干擾60 Hz的頻率下，鋼的腐蝕約為等效直流干擾下的1%。雖然相同參數(shù)與環(huán)境下，交流電對腐蝕造成的影響遠小于直流電，但交流電依然對金屬構(gòu)件的腐蝕產(chǎn)生影響。已有研究證明[40-41]，交流電作為一種去極化劑，具有減少陽極和陰極極化以及降低電化學鈍化的能力，提高了金屬的腐蝕速率。在早期，人們對交流電缺乏認識時，對交流電的研究多集中在電壓上，普遍認為峰值電壓是影響金屬腐蝕的重要因素，金屬的腐蝕程度與峰值電壓成正比。后來，Song[42]研究發(fā)現(xiàn)，峰值電壓并不直接影響金屬腐蝕程度，交流電頻率和密度才是影響腐蝕的直接因素。另外，交流電的不同波形對金屬腐蝕的影響程度也不同。除去交流電的本身性質(zhì)，環(huán)境因素（如Cl–濃度、土壤性質(zhì)等）同樣會影響交流電的腐蝕。

2.2.1 頻率對交流電腐蝕的影響

交流電是電流方向和大小隨時間呈周期性變化的電流，所以交流電頻率的改變會改變電場，進而影響腐蝕體系。因此，研究不同交流電頻率對金屬腐蝕動力學參數(shù)和金屬表面狀態(tài)的影響，具有重要的意義。與日常生活密切相關的電力設施的交流電頻率一般為50 Hz或60 Hz，但非線性用電設備的負載也會產(chǎn)生高次諧波和瞬時頻率。

朱敏[43]研究表明，當AC頻率從50 Hz增大到400 Hz時，金屬的腐蝕速率隨頻率的增加而降低，電位偏移量也隨頻率的增加而減小，高頻時的電位接近未施加AC時的電位大小，陰、陽極極化曲線的振蕩幅度與頻率呈負相關關系，即AC頻率越高，對腐蝕的影響越小。姜子濤[44]同樣發(fā)現(xiàn)，交流電會引起金屬腐蝕電位的偏移，并且陰、陽極的Tafel斜率之比會影響電位偏移的方向，電位的偏移量和波動幅度大小隨頻率的增大而減小。Qin等[45]研究表明，低頻交流電作用下，X80鋼的腐蝕速率隨頻率的增大而迅速減小，但在高頻交流電作用下，腐蝕速率隨頻率增大而緩慢減小，交流電會在金屬與介質(zhì)界面上（雙電層）產(chǎn)生一個震蕩作用，在更高的頻率下，交流電對其干擾顯著，但氧化還原反應在如此短的時間內(nèi)難以發(fā)生，因而腐蝕速率低。但有研究表明，交流電頻率對腐蝕的影響存在一個臨界值，在頻率低于該值時，腐蝕速率隨頻率的增加而增大，當頻率高于該值時，腐蝕速率隨頻率的增加而減小，臨界值的取值與腐蝕體系有關，腐蝕體系不同，臨界值的取值也不同[46]。

2.2.2 電流密度對交流電腐蝕的影響

研究表明，交流電流密度與金屬腐蝕密切相關。Wakelin[47]發(fā)現(xiàn)，當交流電流密度小于20 A/m2時，鋼不會發(fā)生腐蝕；交流電流密度為20~100 A/m2時，腐蝕的發(fā)生是不確定的；當交流電流密度大于100 A/m2時，會出現(xiàn)嚴重的腐蝕。Fu[37]研究發(fā)現(xiàn)，交流電流密度較小時，腐蝕速率隨交流電流密度緩慢增加，當交流電流密度較高時，腐蝕速率隨電流密度的增加而大幅度增加。從腐蝕形態(tài)來看，交流電流密度較低時，試樣表面以均勻腐蝕為主；交流電流密度較大時，試樣表面出現(xiàn)點蝕坑，隨著電流密度的進一步增大，點蝕坑合并在一起致使金屬減薄。Guo等[48]研究表明，當交流電流密度低于一定值時，腐蝕速率隨交流電流密度增大近似呈線性關系增加；當交流電流密度高于這個值時，腐蝕速率上升趨勢略有減緩。從腐蝕形貌同樣發(fā)現(xiàn)，在交流電流密度較小時，以均勻腐蝕為主，隨著交流電流密度增加，腐蝕形態(tài)由均勻腐蝕轉(zhuǎn)變?yōu)榫植扛g，表面出現(xiàn)蜂窩狀腐蝕現(xiàn)象，試樣表面出現(xiàn)多且深的點蝕坑。

交流電除了會直接影響埋地管線腐蝕外，也會通過破壞陰極保護（CP）系統(tǒng)的性能，影響腐蝕。AC使施加在管道上的CP電位偏離設計值，使陰極保護效果因交流電的干擾而減弱甚至失去保護能力，進而影響管道的穩(wěn)定運行[49]。Xu[50]研究表明，陰極保護電位為–0.85 V時，AC的存在減弱了陰極保護的效果，導致管道發(fā)生腐蝕，如果陰極保護電位的負值越低，試樣會受到完全保護。Fu[51]證明，當交流電流密度低于20 A/m2時，–0.95 V的CP電位能夠?qū)︿撎峁┩耆Ｗo；但當交流電流密度大于20 A/m2時，CP電位的負值足夠低才能保護試樣免受腐蝕。但隨著對交流腐蝕與陰極保護的深入研究發(fā)現(xiàn)，陰極保護水平的提高反而會加大交流腐蝕的風險。在2018年，NACE[52]對交流影響下的陰極保護標準進行了修訂：當陰極保護電流密度DC≥1 A/m2時，交流電流密度存在上限值，在AC<30 A/m2時，陰極保護會對管道進行有效保護，交流電流密度超過這個閾值，陰極保護則會加大交流腐蝕。而當DC<1 A/m2或AC< 100 A/m2時，陰極保護會降低交流腐蝕的風險[53]。綜上，過高或過低的陰極保護水平都會加速交流腐蝕，所以當存在AC干擾時，需要依據(jù)相關標準及實際情況，合理設計適當?shù)年幈ｋ娢换螂娏髅芏戎?，以保護管道免遭腐蝕。

交流電除了會引發(fā)金屬發(fā)生陽極溶解外，也會影響H的析出，從而影響局部腐蝕，如應力腐蝕的發(fā)生。Wan[54]研究了X80鋼在近中性環(huán)境中存在交流干擾下的應力腐蝕（SCC）行為，發(fā)現(xiàn)X80鋼的SCC敏感性隨交流電流密度的增加而增加，交流電作用下，X80鋼SCC機制為陽極溶解和氫脆的混合機制。Zhu[55]研究了高pH環(huán)境中交流電對應力腐蝕的影響，交流電促進SCC裂紋萌生，并且在高pH時，SCC敏感性同樣隨交流電流密度的增加而增加。

2.2.3 交流電波形對腐蝕的影響

交流電存在多種波形，如正弦波形、三角波、方波等。不同波形對金屬腐蝕的影響各異，有研究證明[56]，在均方根電壓值相同的情況下，三角波對金屬的鈍性破壞最大，正弦波居中，方波最小。在金屬腐蝕速率方面，Chin研究表明[57]，在AC頻率為60 Hz的情況下，不同波形的交流電對鐵的腐蝕速率影響大小為：三角波>正弦波>方波。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是不同波形的交流電的峰值電壓存在差異，從而影響腐蝕速率。郭敏等[58]研究了不同交流電波形對鋁箔的腐蝕形貌及電化學的影響，結(jié)果表明，正弦波、三角波在鋁箔表面產(chǎn)生的孔直徑較大，但深度較淺，沒有出現(xiàn)腐蝕穿孔現(xiàn)象，方波則使鋁箔表面更易產(chǎn)生腐蝕穿孔，方波的電流變化率大于正弦波和三角波的電流變化率。

2.2.4 環(huán)境因素對交流腐蝕的影響

Tang[59]研究了在Cl–環(huán)境中交流電對鋼纖維混凝土的影響，結(jié)果表明，Cl–降低了鋼纖維抗交流干擾腐蝕能力，并且電解質(zhì)的Cl–濃度決定了鋼纖維的腐蝕強度，Cl–濃度越高，鋼纖維的點蝕敏感性越高。Fu[37]通過研究不同涂層缺陷大小對交流腐蝕的影響，認為在涂層小缺陷處，會產(chǎn)生高的交流電流密度，而且腐蝕產(chǎn)生的陽離子很難從局部缺陷中擴散出來，導致小的涂層缺陷受交流腐蝕的影響更嚴重。Kuang[60]研究了高pH和中性pH環(huán)境中交流腐蝕的敏感性，結(jié)果表明，低AC電流密度下，在高pH環(huán)境中，試樣表面形成的致密的鈍化膜會降低交流腐蝕的風險，而在中性pH環(huán)境中，試樣表面產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物不足以保護試樣免受腐蝕。Nielsen[13]推測，若受交流影響的土壤中含有堿土離子（如Ca2+和Mg2+），會與陰保產(chǎn)生的OH–反應，生成沉淀，使土壤的電阻率升高，pH值降低，從而降低交流腐蝕的敏感性。

3 雜散電流的腐蝕機理研究

3.1 直流雜散電流的腐蝕機理

關于穩(wěn)態(tài)直流雜散電流的腐蝕機理已經(jīng)很成熟，其腐蝕屬于電化學腐蝕過程。對于埋地管道來說，雜散電流通過土壤電解質(zhì)流經(jīng)管道，其電子從管道的陰極流出，流向管道的陽極。在陰極區(qū)，管道不會發(fā)生腐蝕，當陰極區(qū)電位過正時，在管道表面會發(fā)生得電子的還原反應，在無氧環(huán)境中會發(fā)生析氫反應，有氧環(huán)境中則發(fā)生氧氣得電子的吸氧反應。陽極區(qū)電位較負，管道上的金屬（如Fe）發(fā)生失電子的氧化反應，造成管道上的金屬被氧化，以氧化物的形式迅速腐蝕，導致管體減薄甚至穿孔[61]。直流電的腐蝕動力學符合法拉第定律，根據(jù)法拉第定律，1 A的直流電可在一年內(nèi)消耗近10 kg鋼。而在現(xiàn)場環(huán)境中，流經(jīng)土壤到達管道上的雜散電流可達到數(shù)十甚至上百安培，因此在直流電的作用下，壁厚達7~8 mm的鋼管幾個月的時間便會發(fā)生腐蝕穿孔現(xiàn)象[27]。

不同于穩(wěn)態(tài)直流雜散電流，動態(tài)直流雜散電流的大小隨時間變化，其腐蝕機制也要比穩(wěn)態(tài)下復雜。穩(wěn)態(tài)直流電流在金屬管道的流入和流出是在不同區(qū)域，而動態(tài)直流電在管道表面產(chǎn)生的陰極區(qū)和陽極區(qū)為同一區(qū)域，即氧化反應與還原反應在金屬表面同一位置交替進行。很多學者只考慮金屬表面發(fā)生的氧化反應，采用穩(wěn)態(tài)直流電的腐蝕機理來解釋動態(tài)直流電對腐蝕的影響，這樣就忽略了交替流入的陰極電流對腐蝕過程的影響，與真實的腐蝕情況有很大出入[38,62-63]。雖然交流電的大小也是隨時間變化，但動態(tài)直流電與交流電在頻率范圍方面有很大不同，而且國內(nèi)外對于交流腐蝕機理的研究仍存在較大的爭議，所以交流電的腐蝕機理也不適用于動態(tài)直流腐蝕，對于其腐蝕機理有待更多學者進行深入研究[16]。

3.2 交流雜散電流的腐蝕機理

一直以來，人們對交流腐蝕進行了大量的研究，對其腐蝕規(guī)律及影響因素也有了初步的認識，但由于交流電的復雜性，至今還沒有統(tǒng)一的理論來解釋交流腐蝕的機理?？偨Y(jié)前人的一些研究，可以將交流電的腐蝕機理模型大致分為兩類。一類為強電場誘導模型，用于解釋交流腐蝕的成因及導致的腐蝕現(xiàn)象；另一類為電化學模型，因為交流腐蝕的實質(zhì)是電化學腐蝕，所以前人通過電化學模型對交流電的腐蝕機理有了部分認識[64]。

強電場誘導模型是指交流電發(fā)生作用時，其周圍會產(chǎn)生一個強度很高的電場，此電場強度比自然極化過程的內(nèi)電場強度高得多，進而影響腐蝕發(fā)生的進程。另外，根據(jù)電磁感應定律，與輸電線路平行鋪設的埋地管道上會感應出交流電壓，電壓幅值比金屬自然極化的電位高幾十倍，并且交流電的變化周期遠遠小于化學反應發(fā)生的時間，這將增加反應物的動能和反應離子之間的碰撞機會。所以在交流電產(chǎn)生的高電場作用下，化學反應進行的速度以及某些反應發(fā)生的可能性增加，從而加速了管道的腐蝕[65]。

交流腐蝕多發(fā)生在管道的局部位置，這是由于不同管段的土壤電導率不同，管道涂層破損的位置也具有隨機性，導致管體不同區(qū)域的交變電場強度不同，管體某些區(qū)域的感生電壓要比其他區(qū)域大很多，所以交流電會對管道造成局部腐蝕。強電場誘導模型解釋了交流電加速金屬腐蝕以及出現(xiàn)局部腐蝕的原因，但對于其機制的深入了解，需要通過電化學模型進行討論。

電化學模型最為典型的三種模型為：整流模型、非線性模型、震蕩模型。McCollum[66]提出了一種整流機制，他們認為當金屬在交流電作用下經(jīng)歷陽極和陰極極化時，由于陽極和陰極極化的不對稱性，法拉第電流被整流，產(chǎn)生了凈法拉第電流。Goidanich等人[67]將交流腐蝕也歸因于陰陽極反應的不對稱，他們認為交流電正半周內(nèi)金屬氧化過程中產(chǎn)生的金屬離子在負半周內(nèi)不能完全還原，從而使金屬發(fā)生溶解。但Williams并不認同整流機制[68]，他認為交流腐蝕的本質(zhì)原因是金屬在交流電正半周期發(fā)生陽極氧化，從而造成金屬離子的擴散。Bruckner[69]通過研究恒定電流和電壓下金屬的腐蝕，沒有在金屬的腐蝕表面發(fā)現(xiàn)整流跡象?！罢髂Ｐ汀钡那疤崾墙饘倥c溶液界面發(fā)生的電化學過程可逆，但當反應不完全可逆時，“整流模型”不足以解釋交流電流引發(fā)腐蝕的原因。但它的提出使人們對交流電腐蝕有了初步的認識。

在法拉第整流效應的基礎上，一些學者采用活化下的動力學理論對Butler Volmer方程進行修正，用來模擬疊加交流電后的腐蝕行為，修正后的數(shù)學模型即非線性模型[70-73]。根據(jù)交流腐蝕的非線性模型，極化曲線陽極和陰極Tafel斜率的比值（=a/c）對腐蝕速率和腐蝕電位有很大的影響。如果<1，腐蝕電位減??；>1，則腐蝕電位增大；=1，腐蝕電位不變。在≠1時，增大交流電電壓，腐蝕電位的偏移量增大。另外，平衡條件下，金屬的腐蝕電流密度（corr）隨值的增加，呈指數(shù)級增長。在混合控制條件下，腐蝕電流密度與氧的極限擴散電流密度的比值（corr/L）隨交流電壓的增大而線性減小，由于反應存在擴散控制過程，金屬的腐蝕電流密度存在上限值?！胺蔷€性模型”是根據(jù)電化學理論推導出的交流電的非線性腐蝕規(guī)律，并且在一系列的實驗基礎上得到了認證，但是“非線性模型”沒有解釋為何交流電會出現(xiàn)這種非線性腐蝕行為，對于交流電的腐蝕機理還需要進行更深入的探討。

根據(jù)一些現(xiàn)場調(diào)研的案例發(fā)現(xiàn)，交流電在埋地管道金屬/介質(zhì)界面的振蕩作用誘發(fā)管道涂層缺陷處發(fā)生交流腐蝕。其作用機理為，在施加交流電時，交變電場力作用于溶液中的反應物，產(chǎn)生振蕩效應。在沒有干擾的情況下，溶劑化離子在溶液中的遷移速率一般很慢，而交流電在雙電層中的振蕩效應使離子加速遷移，從而縮短了反應物自由碰撞的路徑，增加了反應發(fā)生的機會，金屬腐蝕的可能性增強。此外，在陰極保護作用下，管道表面會產(chǎn)生大量OH–，導致附近pH升高，在高pH的環(huán)境中，交流電在金屬界面處的震蕩作用通過破壞金屬表面的氧化膜進而對管道造成腐蝕。“振蕩模型”從熱力學方面解釋了交流腐蝕的原因，并且考慮了陰保作用下發(fā)生交流腐蝕的情況，但“振蕩模型”過于簡單，討論過于淺顯，沒有涉及交流電對金屬腐蝕的動力學影響。

以上模型對于特定條件下交流腐蝕發(fā)生的原因以及交流腐蝕的規(guī)律作出了解釋，為現(xiàn)場交流腐蝕的分析提供了理論依據(jù)。但是，前面大量研究表明，相同雜散電流密度下，交流電的腐蝕程度遠遠小于直流電的腐蝕，對于這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，以上機制都未進行合理解釋。近些年來，許多研究學者從雙電層角度出發(fā)，對其進行了深入探討與研究。

交流電的很大一部分電流未參與腐蝕過程，這是因為交流電對金屬與溶液界面（即雙電層）的影響分為法拉第電流與非法拉第電流[59,74-77]。交流電作用于雙電層時，大部分是非法拉第電流參與充放電過程，通常比法拉第電流要高得多[78]。雙電層理論解釋了交流電對腐蝕的影響遠小于直流電影響的原因，推動了交流腐蝕機制的進一步發(fā)展，但目前對于雙電層理論的研究尚未成熟。雖然很多研究學者運用雙電層理論來解釋交流電的腐蝕現(xiàn)象，但并未區(qū)分交流腐蝕過程中法拉第電流的確切占比。所以，如何從實驗中計算出交流電參與腐蝕的法拉第電流，是探索交流腐蝕機理的一個重要突破點。Tang[77]根據(jù)并聯(lián)電路理論，應用數(shù)學模型推導求解出法拉第電流，并利用電阻與電容元件設計了真實電路進行驗證。但這種方式在求解時需要獲得電容和電阻的具體數(shù)值，而在實際交流電的腐蝕過程中，并不能直接測量金屬導體與溶液接觸形成的雙電層電容以及電荷轉(zhuǎn)移電阻，所以還需要通過其他方式來求解數(shù)值。作者試圖利用電化學阻抗譜來模擬交流電的腐蝕過程，擬合出電化學參數(shù)，獲得電極與溶液界面的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，如電荷轉(zhuǎn)移電阻、雙電層電容等。這種方式的不足在于阻抗測量時，施加的擾動電壓的幅值很小，不能模擬幅值大一些的交流電。另外，電極表面反應過程太復雜，簡單的電路可能并不能接近真實情況，所以計算結(jié)果與真實情況會存在一定偏差。

4 雜散電流腐蝕的防護措施

為了避免雜散電流腐蝕造成的經(jīng)濟損失，應根據(jù)雜散電流的勘測結(jié)果，將金屬管道避開雜散電流干擾密集區(qū)鋪設。但由于地理空間位置有限，地下油氣管道的輸送距離也非常長，有的長輸管線甚至長達幾萬千米，所以地下管道不可避免地與輸電設備、電力裝置等并行鋪設，進而或多或少受到雜散電流的腐蝕。因此，必須采取排流措施，安裝排流裝置，以便控制和減緩雜散電流對金屬埋地管道的影響。根據(jù)雜散電流的分類和不同性質(zhì)將排流方式分為直流排流和交流排流兩種。

直流排流主要有直接排流、極性排流、接地排流和強制性排流四種方式[29,79-80]。

直接排流：用絕緣電纜直接將保護體（埋地管道）與直流干擾源（鐵軌）相連，從而將雜散電流從管道上引出，使其流回干擾源。此法適用于干擾源電位極性穩(wěn)定的情況，優(yōu)點是方法簡單，實用經(jīng)濟，排流效果佳。缺點是，當干擾源的電位高于管道電位時，會將更多的雜散電流引入軌道，造成更嚴重的腐蝕。由于電流干擾源（如鐵軌）的電位常有波動，在某些情況下會大于管道電位，直接排流方法的使用風險較大，常受到限制。

極性排流：在直接排流的基礎上，在電流干擾源與埋地管道之間串入一個二極管，從而在排流線路中形成一個單向?qū)ǖ臉O性排流器，只允許雜散電流從管道流向干擾源，而干擾源電流無法反方向流入管道。此裝置結(jié)構(gòu)簡單，安裝便捷，排流效率高，在干擾電位極性正負交替波動的情況下仍然適用。缺點是，排流效果受到干擾源與埋地管道之間距離的影響，在干擾源距離管道較遠時，排流效果變差。

接地排流：通過導線將管道與埋地體（即輔助陽極）連接，雜散電流從管道上流出，進入電阻更小、電位更負的埋地體。此法的應用范圍廣，尤其適用于難以直接向干擾源排流（如直接排流、極性排流）的管道，并且接地點的設置靈活，操作方法簡單，費用低。但是對接地體的要求嚴格，花費成本大，排流效率也要低于直接向干擾源排流的方式。

強制性排流：在管道與雜散電流干擾源（如鐵軌）之間串聯(lián)一個整流器，引入直流電流，在外加直流的作用下，加速雜散電流的排流。這種方法適用于管地電位極性正負交替變化、管道與鐵軌之間電位差較小的情況。優(yōu)點是應用廣，保護范圍大，并且具有陰極保護的效果。缺點是需要外加電源，對鐵軌的電位影響大，甚至加劇鐵軌的腐蝕。

2018年，國內(nèi)研制成功了首套高壓直流干擾大功率直流排流器[81]，該排流器不僅將直流通流能力提高了十幾倍，而且不會影響陰極保護系統(tǒng)的操作，同時滿足常規(guī)固態(tài)去耦合器的參數(shù)設置，對于交流干擾有一定的排流效果，解決了直流干擾與交流干擾同時存在下的排流難題，使我國在排流技術這方面取得了重大突破。目前，在工程上應用的交流排流方式主要有：直接排流法、隔直排流法、負電位排流法三種方式[82]。

直接排流法：與直流雜散電流的直接排流法相似，交流雜散電流的直接排流法是通過絕緣電纜將管道與低電阻地床直接連接，為了防止雜散電流逆流，必須要求地床接地電阻小于管道接地電阻。此法只適用于不施加陰極保護的管道，優(yōu)點是操作簡單，費用低且排流效率高。缺點是容易將陰極保護電流引入地床，從而造成陰極保護電流的流失，應用常受到限制。

隔直排流法：在直接排流法的基礎上進行了改進，在管道與地床之間接入一個阻隔直流的元件（如電容器、二極管），從而在排流的同時防止了陰極保護電流的流失，適用于存在陰極保護的管道。優(yōu)點是應用廣泛，排流效率高；缺點是結(jié)構(gòu)復雜，花費成本高。

負電位排流法：利用導線將管道與電位更低的犧牲陽極連接，將管道上的雜散電流引入犧牲陽極。這種方法優(yōu)點是兼具排流和陰極保護的雙重作用，缺點是對犧牲陽極的要求高，一旦犧牲陽極發(fā)生極性逆轉(zhuǎn)，會進一步加速管道的腐蝕。

目前應用的交流排流裝置主要有兩種，第一種是固態(tài)去耦合器，它可以傳導交流電，同時可以在管道電壓過高時提供保護。但由于其接地極較長，接地電阻容易受到工況環(huán)境的影響，導致其排流效果欠佳[52]。第二種是鉗位式排流器，安裝在管道與排流地床之間，雜散電流通過排流地床導出，可以有效降低管道上的交流電壓。但這種排流裝置對接地材料有嚴格限制，需要和管道材料一致，而且此裝置在強交流干擾下的排流效果不佳且抗電沖擊性能差[83-84]。對于交流排流裝置來說，接地電阻、接地材料等問題亟需解決，還應結(jié)合工況環(huán)境，進一步完善、設計合理的交流排流裝置。

通過以上對于排流方法的討論可以看出，現(xiàn)場環(huán)境情況和工況不同，應用時還需要考慮操作難度、造價成本。在實際應用前，需全面調(diào)查影響排流的眾多因素，另外，還需調(diào)研排流保護工作過程中對輸電系統(tǒng)電信號以及鐵路的傳輸信號造成的干擾，選擇既經(jīng)濟又高效的排流方式。

5 雜散電流的重點問題及發(fā)展趨勢

雖然對雜散電流的研究已經(jīng)有很多年的歷史，但一直以來對它的認識仍處于初級階段，而且雜散電流腐蝕的風險評價手段與防護方法尚不成熟，使雜散電流對埋地管道腐蝕的影響日益嚴峻。從目前的研究現(xiàn)狀來看，雜散電流腐蝕中的一些重大問題并未得到有效解決，還需從以下兩個方面展開研究。

1）雜散電流的腐蝕機理尚不明確。雖然近些年人們對雜散電流進行了眾多實驗與研究，但對于其腐蝕的根本原因一直沒有確切的結(jié)論，特別是交流雜散電流以及動態(tài)直流雜散電流對金屬腐蝕動力學行為的影響機制，所以對于雜散電流腐蝕的特征也不能從機理上給出合理的解釋。因此，雜散電流腐蝕問題的研究重點應是對其腐蝕機制的探究。隨著科技的發(fā)展，借助現(xiàn)代先進的科學手段，計算出交流電參與腐蝕的法拉第電流，是探索交流腐蝕機理的一個重要突破點。

2）雜散電流腐蝕風險的評估與防護。電力系統(tǒng)的快速發(fā)展使雜散電流腐蝕問題日益嚴重，雜散電流對埋地管道腐蝕的影響涉及眾多方面，使腐蝕風險的評估與防護日漸困難。如何做到對雜散電流的精準測量以評估發(fā)生腐蝕的風險，以及開發(fā)操作簡單、經(jīng)濟適用的排流方法，也是未來研究的熱點之一?？梢愿鶕?jù)不同的環(huán)境與工況來提取關鍵影響參數(shù)，建立相應的數(shù)據(jù)庫以供參考。同時，要想真正解決工程問題，需要將理論與實際相結(jié)合，在不斷的探索與應用中實現(xiàn)對雜散電流腐蝕的控制與防護。

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Research Progress of Stray Current on Corrosion and Drainage Method of Buried Pipeline

1,1,2,1

(1.China University of Petroleum, Beijing, Beijing 102249, China; 2.Jinan University, Guangzhou 510632, China)

With the increasing demand for energy, the construction of underground oil and gas pipelines and electric power facilities has been developing rapidly in China. Due to the limitation of geographical location in space, pipelines and electric power facilities are inevitably laid in parallel, which makes the corrosion problem of buried pipeline caused by stray current become more and more serious. The pipeline corrosion of stray current can be divided into DC interference and AC interference according to the source of interference. Starting from dc stray current and AC stray current respectively, this paper introduces the main source of stray current, formation cause and corrosion hazard. The influence factors of direct current and alternating current are analyzed to understand the corrosion characteristics and corrosion rate difference between them. The mechanism of DC corrosion and AC corrosion is systematically discussed and summarized through the investigation of stray current corrosion, and the reason why the AC corrosion rate lags far behind the DC corrosion rate is analyzed and discussed. The drainage methods and devices for DC and AC stray currents are introduced respectively. The advantages, disadvantages and applicable conditions of each drainage mode are analyzed, which provides a reference for the selection of drainage mode in actual working conditions. At last, the methods to be solved are put forward according to the difficulties of study of stray current corrosion, and the research direction and development prospect of this field are prospected to provide reference for the research in related fields.

stray current; buried pipeline; drainage method; corrosion behavior

2020-07-23；

2021-01-21

WAN Hong-xia (1986—), Female, Doctor, Lecturer, Research focus: oil pipeline corrosion and protection. E-mail: wanhongxia88@ 163.com

萬紅霞, 李婷婷, 宋東東, 等. 雜散電流對埋地管道腐蝕及排流方式的研究進展[J]. 表面技術, 2021, 50(4): 125-134.

TG172

A

1001-3660(2021)04-0125-10

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.012

2020-07-23；

2021-01-21

國家自然科學基金項目（51701055）；中國石油大學（北京）科研啟動基金項目（2462018YJRC021）

Fund：Supported by the National Natural Science Foundation of China (51701055) and Science Foundation of China University of Petroleum, Beijing (2462018YJRC021)

萬紅霞（1986—），女，博士，講師，主要研究方向石油管道腐蝕與防護。郵箱：wanhongxia88@163.com

WAN Hong-xia, LI Ting-ting, SONG Dong-dong, et al. Research progress of stray current on corrosion and drainage method of buried pipeline [J]. Surface technology, 2021, 50(4): 125-134.