李德明，王宏新

(1. 上海天然氣管網(wǎng)有限公司,上海 200000；2. 北京安科腐蝕技術(shù)有限公司，北京 100803)

0 前 言

為實現(xiàn)能源的經(jīng)濟(jì)合理分配，國內(nèi)正全力發(fā)展高壓電網(wǎng)和油氣管網(wǎng)。高壓直流輸電(HVDC)是我國輸送能源重要方式之一[1]。目前，我國已建成哈密南 - 鄭州、向家壩 - 上海等多條直流輸電線路，更多的直流輸電線路正在規(guī)劃中[2，3]。由于地理條件限制和實際生產(chǎn)的需要，埋地金屬管道與高壓輸電線路建設(shè)于同一“公共走廊”的問題日趨嚴(yán)重。

高壓直流輸電系統(tǒng)主要有單極運行和雙極運行2種方式，系統(tǒng)正常運行時為雙極模式，雙極運行模式下的不平衡電流約為額定電流的1%，對埋地管道腐蝕危害較小[4,5]；然而，直流輸電系統(tǒng)在檢修或者發(fā)生故障時，會轉(zhuǎn)入單極模式運行，即以大地作為回路通道，此時數(shù)千安培的電流泄入大地，會引起附近土壤的電位發(fā)生變化，進(jìn)而使不同地點間產(chǎn)生電位差，這一電位差會使埋入地中的金屬構(gòu)件之間產(chǎn)生電流，從而導(dǎo)致金屬構(gòu)件發(fā)生腐蝕[6-8]。目前，已在多條管道上檢測到了干擾[9-11]：如±500 kV牛從同塔雙回超高壓輸電系統(tǒng)的翁源接地極、魚龍嶺接地極(±800 kV云廣特高壓輸電系統(tǒng)和貴廣二回±500 kV超高壓輸電系統(tǒng))、大塘接地極(±500 kV天廣超高壓直流輸電系統(tǒng))對鄰近管道電位均產(chǎn)生幾十伏甚至上百伏的電位偏移。針對高壓直流接地極對管道產(chǎn)生的大干擾電壓，秦潤之等[12]和熊娟等[7]通過室內(nèi)模擬實驗發(fā)現(xiàn)管線的腐蝕速率隨著大幅直流干擾電壓的升高呈現(xiàn)先增大后減小趨勢；顧清林等[13]指出在干擾較為嚴(yán)重的位置，通過鋪設(shè)鋅帶可以有效緩解該問題。然而，經(jīng)過前期調(diào)查發(fā)現(xiàn)上海地區(qū)目前共有4條HVDC輸電線路，3個HVDC接地極[14，15]，即南橋接地極、廊下接地極和腰涇接地極，前期監(jiān)檢測數(shù)據(jù)表明，上海地區(qū)土壤電阻率普遍偏低，低電阻率土壤中形成的電勢梯度小，穿越電勢梯度場時，管道兩端的電壓差小。上海地區(qū)接地極單極運行時對鄰近管道干擾電位最正值為6.9 V，小幅值的干擾電壓對管道的腐蝕規(guī)律和腐蝕風(fēng)險尚不完全清楚。

本工作根據(jù)現(xiàn)場實際監(jiān)測的HVDC干擾參數(shù)，在實驗室進(jìn)行腐蝕模擬實驗，對小幅值HVDC干擾下X65管線鋼在我國上海地區(qū)的土壤環(huán)境中的腐蝕行為進(jìn)行了研究，可為中國土壤電阻率較低地區(qū)的HVDC干擾腐蝕風(fēng)險的識別與評估提供參考。

1 研究方法

1.1 實驗材料與介質(zhì)

實驗用材質(zhì)為X65管線鋼，與管道同材質(zhì)，其主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為：C 0.030, Si 0.170, Mn 1.510，P 0.024，Ni 0.170，Cu 0.040，Mo 0.160，F(xiàn)e余量。試樣尺寸為φ2.87 cm×4 mm的圓柱體。實驗前用砂紙將試樣打磨至表面光亮，再用丙酮和無水乙醇依次除油，去離子水沖洗后吹干稱重，用硅膠對圓柱和連接線面進(jìn)行封樣，留有約6.5 cm2的圓柱體圓形底面作為工作面。

實驗用土壤為上海地區(qū)某管道附近土壤，現(xiàn)場取樣為地下1 m，土壤電阻率為14.5 Ω·m。土壤成分如表1，含水率為24.5%。

表1 土壤成分

1.2 實驗方法

實驗裝置為自行搭建的高壓直流土壤腐蝕模擬實驗裝置，裝置原理如圖1所示。該裝置由土壤實驗箱、高壓直流電源、電位記錄儀、恒電位儀等設(shè)備組成。實驗用土壤箱尺寸為25 cm×10 cm×10 cm，由CH恒電位儀連接的工作電極(WE)、輔助電極(CE)和硫酸銅參比電極(RE)組成的三電極體系構(gòu)成陰極保護(hù)系統(tǒng)。利用恒電位儀對試片施加-1.1 V的陰極保護(hù)電位，用于模擬現(xiàn)場處于陰極保護(hù)狀態(tài)的管道。由HSPY 400-01型高壓直流干擾電源連接工作電極與輔助電極，構(gòu)成直流干擾回路，用于模擬高壓直流對管道的干擾情況。干擾回路中串聯(lián)50 Ω的電阻，并用數(shù)據(jù)記錄儀記錄電阻兩端的電壓，用于評估直流電流，結(jié)合試樣暴露面積獲得直流電流密度。

實驗裝置搭建完成后，首先利用恒電位儀組成的三電極體系對試片施加-1.1 V 的陰極保護(hù)電位，待陰極保護(hù)恒電位的輸出電流穩(wěn)定后，斷開陰極保護(hù)恒電位儀。利用HSPY 400-01型高壓直流干擾電源對試片施加干擾電壓，干擾電壓分別為1.0，5.0，15.0 V，干擾時間為1 h。需要說明的是，為了確定實驗條件下干擾電壓的準(zhǔn)確性，對于0.3 V和-0.2 V的干擾電壓，采用CH恒電位儀施加干擾。每組實驗平行樣為3個，實驗流程為陰極保護(hù)-1 h干擾-陰極保護(hù)-1 h干擾-陰極保護(hù)-1 h干擾-陰極保護(hù)-1 h干擾-陰極保護(hù)-1 h干擾,每組干擾電壓下的實驗流程共為5次干擾(5個測試次序)，具體實驗參數(shù)如表2。

表2 高壓直流土壤腐蝕模擬實驗參數(shù)表

1.3 形貌觀察和失重測試

高壓直流土壤腐蝕模擬實驗結(jié)束后，取出試片，在實驗室分別對試片進(jìn)行物理清理和化學(xué)酸洗。物理清理主要是將試片表面沉積的泥土進(jìn)行清除。物理清理過程如下：試片在水中浸泡10 min左右，用毛刷清除掉表面的土壤覆蓋層，以觀察表面腐蝕產(chǎn)物顏色?；瘜W(xué)酸洗法是將物理清洗后的試片放入酸洗液中(500 mL鹽酸，鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%，3.5 g六次甲基四胺，加蒸餾水配制成1 000 mL溶液)進(jìn)行酸洗，其作用是清除掉試片表面的腐蝕銹層，便于觀察腐蝕形貌并對試片進(jìn)行失重分析[16]。采用精度為0.1 mg的分析天平對試片進(jìn)行稱重以獲得腐蝕失重，腐蝕速率計算公式見式(1)：

(1)

式中：ν為腐蝕速率， mm/a；w1為實驗前試片質(zhì)量，g；w2為實驗后試片除銹后質(zhì)量，g；w3為空白失重樣，g；ρ為鐵的密度，g/cm-3；T為干擾時間，h；S為試片面積，cm2。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 不同干擾電壓下電流密度測試結(jié)果

上海地區(qū)土壤中X65管線鋼在1.0，5.0，15.0 V的干擾電壓下的電流密度隨時間的變化曲線如圖2所示。由圖2可知，試片在不同干擾電壓下，隨著測試次序的增多，電流密度均呈現(xiàn)出先迅速下降后緩慢下降，最后逐漸趨于略有波動但幅度不大的趨勢。對圖2中電流密度的穩(wěn)定值進(jìn)行匯總，匯總結(jié)果見圖3。由圖3可知，電流密度與干擾電壓呈現(xiàn)出正相關(guān)，干擾電壓越大，電流密度越大。1.0 V干擾電壓時電流密度穩(wěn)定值的平均值約為2.6 A/m2，5.0 V干擾電壓下電流密度穩(wěn)定值的平均值約為8 A/m2，15.0 V干擾電壓下電流密度穩(wěn)定值的平均值約為16.5 A/m2；利用不同干擾電壓下的電流密度值對實驗過程中腐蝕反應(yīng)進(jìn)行分析。根據(jù)歐姆定律I=U/R(式中，U為施加的干擾電壓，I為回路中的電流，即試片的電流，R為試片的對地電阻)，圖2的電流密度顯示隨著干擾電壓的增大，電流密度先迅速下降后緩慢下降，最終呈現(xiàn)出略有波動，但是波動幅度不大的狀態(tài)，即證明在某一特定干擾電壓下，試片對地電阻先增大后趨于穩(wěn)定。同時，根據(jù)接地電阻計算公式R=ρ/2d(式中，R為試片接地電阻，d為實驗試片的直徑，ρ為試片周圍土壤電阻率)，實驗中，試片面積不變，即試片直徑d不變，試片對地電阻的變化也反映了試片周圍土壤成分的變化。綜上分析，電流密度變化的原因如下：模擬試驗為盡量還原現(xiàn)場情況，在每次施加干擾前，試片在-1.1 V的陰極保護(hù)電位下長時間處于極化狀態(tài)；而當(dāng)干擾開始時，正向的干擾電壓會使試片迅速發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，表面電流密度瞬間最高；此外，試片表面有電流存在時，土壤中會出現(xiàn)熱效應(yīng)，加速試片表面土壤中水分的蒸發(fā)，造成土壤電阻率升高，而在恒定的干擾電壓條件下，電流密度將逐漸降低；當(dāng)反應(yīng)一段時間后，試片表面熱量減少，由于水在試樣周圍土壤中形成了濃度梯度，發(fā)生了滲透現(xiàn)象，并且滲透作用與蒸發(fā)作用達(dá)到了平衡，因此電流密度在瞬間下降后保持相對穩(wěn)定。

2.2 腐蝕形貌與腐蝕失重結(jié)果

X65鋼試樣在上海地區(qū)土壤中施加-0.2 V至15.0 V的干擾電壓后腐蝕形貌，如圖4所示。試片表面均未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕坑，物理清洗后，1.0，5.0，15.0 V的試片表面黏附少量土壤，但未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕產(chǎn)物。化學(xué)酸洗后，15.0 V試片表面存在少量均勻減薄現(xiàn)象，而其它試片表面均未發(fā)現(xiàn)腐蝕坑，-0.2 V和0.3 V試片表面仍可見打磨磨痕和金屬光澤。

高壓直流干擾對管道腐蝕速率有影響是實際中最為關(guān)注的問題，一般情況下，高壓直流接地極每年放電總時長占全年時間的比例不應(yīng)超過1%，按照每年1%的放電運行時間，根據(jù)式(1)計算本實驗不同干擾電壓下試片的腐蝕速率實測值，計算結(jié)果如圖5。由圖5可知，在-0.2～15.0 V的干擾電壓范圍內(nèi)，腐蝕速率與干擾電壓呈現(xiàn)正相關(guān)，隨著干擾電壓的增加，腐蝕速率逐漸增大。

根據(jù)Faraday定律，金屬的腐蝕快慢也可用腐蝕電流評價[17]，見式(2)和式(3)：

W=kQ=kIt

(2)

k=M/nF

(3)

其中，Q為通過的電量，C；k為比例常數(shù)，即電化學(xué)當(dāng)量；I為流過試片的電流，A；t為通電時間，s；n為電化學(xué)反應(yīng)中消耗或者生成的電子數(shù)；F為Faraday常數(shù)，96 500 C/g。

在干擾條件下，試片表面可能發(fā)生Fe=Fe2++2e的反應(yīng)。

則X65管線鋼試片理論失重見式(4)：

(4)

根據(jù)圖2中不同干擾電壓下的電流與時間的積分計算不同干擾電壓下的理論腐蝕速率。-0.2，0.3，1.0，5.0，15.0 V的干擾電壓下的腐蝕速率理論值和實測值的對比見表3。

表3 理論腐蝕速率與實際腐蝕速率對比

由表3可知，用干擾時的腐蝕電流與時間變化積分計算得到的腐蝕速率與實際腐蝕失重計算的相對誤差隨著干擾電壓的增加而降低，當(dāng)干擾電壓大于0.3 V時，誤差均在10%以內(nèi)。結(jié)果證明實際管道受高壓直流干擾時，監(jiān)測干擾期間的電流，并用電流與時間的積分而獲得腐蝕失重，可獲得與實際數(shù)值接近的理論腐蝕速率。

2.3 上海地區(qū)管道腐蝕風(fēng)險預(yù)測分析

管材的腐蝕是時間累積的結(jié)果，考慮到不同的管道由于壁厚、服役環(huán)境等不同，可接受的腐蝕速率不能一概而論。ISO 15589中規(guī)定[18]，陰極保護(hù)管道腐蝕速率應(yīng)小于0.01 mm/a，NACE標(biāo)準(zhǔn)[19]中規(guī)定腐蝕速率小于0.025 4 mm/a，腐蝕風(fēng)險低。此外，金屬防腐蝕手冊[20]認(rèn)為腐蝕速率低于0.10 mm/a，材料耐蝕。本工作分別以0.10 mm/a和0.01 mm/a為腐蝕速率指標(biāo)并結(jié)合實驗室測試結(jié)果對上海地區(qū)管道受高壓直流干擾腐蝕風(fēng)險進(jìn)行預(yù)測分析。根據(jù)腐蝕速率計算式(5)和式(6)：

ν=J×η×1.168

(5)

(6)

其中，ν為年腐蝕速率， mm/a；J為電流密度，A/m2；η為放電率；Q為單極運行入地電流能量，kA·h；I1為最大允許的持續(xù)入地電流，A；I2為實際單極運行入地電流，A；T為實際入地電流持續(xù)時間，h。 由式(5)、式(6)可知，腐蝕蝕速率與電流密度和入地電流持續(xù)時間均有關(guān)。本工作的實驗結(jié)果表明，在15.0 V的干擾電壓范圍內(nèi)，電流密度先下降后緩慢下降，最后逐漸趨于略有波動但幅度不大的趨勢，且電流密度穩(wěn)定值與干擾電壓正相關(guān)，因此對于高壓直流干擾，腐蝕速率與入地電流持續(xù)時間有關(guān)。利用圖3中不同干擾電壓條件下的電流密度穩(wěn)定值，并分別以0.100 0，0.025 4，0.010 0 mm/a的腐蝕速率邊界對上海地區(qū)高壓直流接地極放電對管道的干擾時長和干擾電壓進(jìn)行匯總，二者的安全邊界分別見表4和圖6。考慮到不同地區(qū)土壤特性差異較大，表4和圖6中的安全邊界只適合于上海地區(qū)土壤，但該腐蝕安全邊界計算方法可以沿用至其它地區(qū)。

表4 上海地區(qū)最大干擾電壓對應(yīng)放電時長

3 結(jié) 論

(1)上海地區(qū)土壤中X65管線鋼在1.0，5.0，15.0 V的干擾電壓下，腐蝕電流密度均呈現(xiàn)出先下降后趨于相對穩(wěn)定的趨勢，電流密度分別為2.6，8.0，18.0 A/m2。電流密度變化的原因主要是因為干擾電壓造成短時間內(nèi)試片周圍局部土壤電阻率增加所致。

(2)腐蝕速率隨干擾電壓的加大而逐漸增大。由Faraday定律計算得到的理論腐蝕速率與實際腐蝕速率誤差較低，表明腐蝕速率符合法拉第定律。

(3)根據(jù)不同干擾電壓下的實驗結(jié)果，對0.010 0，0.100 0，0.025 4 mm/a的腐蝕速率與干擾時長進(jìn)行安全邊界值初步計算，預(yù)測了上海地區(qū)管道的腐蝕風(fēng)險。