直流杂散电流对X65钢腐蚀行为的影响

杨超，张成斌，李自力，赵雅蕾，崔淦，丁小勇

（1.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，青岛266580；2.北京油气调控中心，北京100007）

直流杂散电流对X65钢腐蚀行为的影响

杨超1，张成斌1，李自力1，赵雅蕾1，崔淦1，丁小勇2

（1.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，青岛266580；2.北京油气调控中心，北京100007）

采用电化学方法对不同直流干扰下X65钢的自腐蚀电位、极化曲线和电化学阻抗谱进行了测试，研究了直流杂散电流对X65钢腐蚀行为的影响。结果表明：当直流干扰小于0.5 A时，X65钢会发生钝化，腐蚀速率降低；当直流干扰大于0.5 A时，保护膜被溶解，腐蚀转向活性溶解过程，X65钢腐蚀加剧。

直流杂散电流；X65钢；腐蚀；自腐蚀电位；极化曲线；电化学阻抗谱

能源需求的快速发展，电力基础设施和天然气管道工程的快速建设，将会造成局部管道不可避免地进入直流输电干扰影响区内。高压直流输电系统、直流电气化铁路和轨道交通［1］等直流电气化设施在运行过程中一部分运行电流不可避免地会进入到土壤中形成杂散电流，对埋地管道产生腐蚀。尤其是近年发展的新技术高压直流输电，目前在国内已建成许多换流站接地极，在单极运行期间，虽然影响周期短，但影响范围却很广，影响程度极其剧烈。2005年，国家发展和改革委员会发布了DL／T 5224－2005《高压直流输电大地返回系统设计技术规定》，规定了“如果接地极与地下金属管道最小距离（d）小于10 km，或者地下金属管道的长度大于d，应计算接地极电流对这些设施产生的不良影响”。但在实际的工程建设中发现，当直流接地极单极运行时，距离直流接地极50 km远处的干扰程度都不能忽视。

目前，国内外对埋地管道交流杂散电流干扰的研究已经比较成熟，对交流干扰的检测方法、干扰程度的判断方法以及相关的排流措施等都有了一套相对完善的系统；与交流杂散电流相比，直流杂散电流腐蚀量大，排流点的腐蚀破坏严重［2］，而对于直流杂散电流干扰的研究，国内管道相关部门却未起步。因此，本工作研究不同强度直流电流对X65钢的腐蚀规律，以期探究直流杂散电流对埋地管线钢的腐蚀规律以及相关的防护措施。

1 试验

1.1 试样及溶液

试验材料为X65钢，其化学成分为：wC0.03％，wSi0.17％，wMn1.51％，wP0.024％，wS0.005％，wNi0.17％，wCu0.04％，wMo0.16％，wN0.006％，wNb0.06％，wAl0.02％，wTi0.01％，wFe97.795％。

试样尺寸为10 mm×10 mm×2 mm，将铜线焊接在试样背面并用环氧树脂对试片的背面和侧面进行封装，留下1 cm×1 cm工作面。砂纸逐级打磨试样的工作面至1 200号呈光亮镜面，用丙酮和去离子水清洗试片表面，并放入干燥箱内干燥备用。

为了更加准确地测试直流干扰对X65钢腐蚀行为的影响，试验溶液使用土壤模拟溶液［3-5］，溶液成分为0.1 mol／L Cl－+0.1 mol／L SO42－+ 0.1 mol／L HCO3－。

1.2 试验方法

整个试验包括直流干扰和电化学测试两部分，见图1。直流干扰部分主要包括可稳定追踪的直流电源SS2323以及正负石墨电极，它的主要作用是通过恒电流或恒电位输出在土壤模拟溶液中产生稳定的直流杂散电流；电化学试验采用PARATAT2273电化学工作站，试验采用三电极体系，工作电极为试样，参比电极为饱和甘汞电极（SCE），辅助电极为铂片。文中电位若无特指，均相对于SCE。

采用SS2323直流，施加不同恒电流，测试不同恒电流作用下，试样在腐蚀溶液中的开路电位。极化曲线测试扫描范围为Ecorr±250 mV，扫描速率为1 mV／min。电化学阻抗谱的测试频率为5 m Hz～100 k Hz，扰动信号为幅值10 mV正弦波。

将整个试验装置置于GDJS-408恒温恒湿箱中，当试验系统稳定后，通过电化学工作站先测试工作电极的开路电位，然后再依次测试电化学阻抗谱和极化曲线［6-9］。

2 结果与讨论

2.1 直流干扰对X65开路电位的影响

金属的开路电位是指在无外加电流的情况下，金属达到稳定腐蚀状态时的电位，也就是金属的自腐蚀电位（Ecorr）。开路电位越负，表示金属被腐蚀的趋势也就越大［10］。

由图2可见，当直流干扰小于0.5 A时，X65钢的Ecorr反而正于无干扰时的，此时X65钢的腐蚀倾向变小；当直流干扰大于0.5 A时，随着直流干扰继续增大，X65钢的Ecorr迅速变负，此时X65钢的腐蚀倾向增大。

2.2 直流干扰对X65钢极化曲线的影响

由图3可见，直流杂散电流对X65钢阴极极化曲线的影响更加剧烈。总的来说，直流杂散电流的增加使得X65钢的自腐蚀电位向负向偏移，当直流杂散电流为0.5 A和1 A时，X65钢的自腐蚀电位略正大于无干扰时的，这表明此时试样的腐蚀速率略有下降。随着直流干扰进一步增大，腐蚀电位负移，腐蚀速率增大。

由表1可见，无直流干扰时，阳极Tafel常数βa与阴极Tafel常数βc比较接近，此时腐蚀过程由阳极和阴极混合控制。随着直流干扰的增大，阳极Tafel常数βa与阴极Tafel常数βc的差值逐渐变大，腐蚀过程由混合控制逐渐向阳极控制转变。

2.3 直流干扰对X65钢电化学阻抗谱的影响

由图4可见，当直流干扰为0.5 A时，圆弧直径最大，也就是说此时X65钢表面的反应电阻最大，而直流干扰为0 A和1 A时的电极表面反应电阻基本相等。不同直流干扰下的X65钢表面反应电阻Rs的变化趋势见图5。

表1 不同直流干扰下的X65钢的极化曲线拟合结果Tab.1 Fitting results of polarization curves for X65 steel electrode with different DC interference

由图5可见，当直流干扰为0.5 A时，X65钢的表面反应电阻明显比没有干扰时的电极表面反应电阻大；而随着交流干扰电压的进一步增大，X65钢的表面反应电阻迅速减小。综合图1、图3和图5，当直流干扰为0.5 A时，与没有干扰时的相比，X65钢表面反应电阻增大，粒子的扩散阻力增大，转移速率变慢，从而腐蚀倾向变小，腐蚀速率变慢。

直流干扰对X65钢的影响是通过在溶液中形成电场来实现的，与交流干扰相比，通过比较X65钢在不同直流干扰下的自腐蚀电位、极化曲线和电化学阻抗谱，从钝化的角度来分析，当外加电流较小时，在溶液中形成的电场使得X65钢表面发生钝化，X65钢的自腐蚀电位升高，腐蚀倾向变小，同时表面反应电阻增大，反应动力减小，腐蚀速率较低；当外加电流增大时，钝化膜的溶解速率大于形成速率，X65钢的自腐蚀电位减小，电位差增大，腐蚀过程转向活性溶解过程，此时X65钢更容易被腐蚀［11-14］。

3 结论

（1）当直流干扰小于0.5 A时，与没有干扰时的相比，X65钢表面反应电阻增大，自腐蚀电位变正，自腐蚀电流密度减小；当直流干扰较小时，会使X65钢发生钝化，使得腐蚀倾向和腐蚀速率降低。

（2）当直流干扰大于0.5 A时，随着直流干扰继续增大，X65钢的表面反应电阻迅速减小，自腐蚀电位变负，自腐蚀电流密度迅速增大；说明当直流干扰较大时，会将X65钢表面的防护膜击穿，使得腐蚀速率随着直流干扰的增加迅速增大。

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Effects of Direct Current Interference on Corrosion Behavior of X65 Steel

YANG Chao1，ZHANG Cheng-bin1，LI Zi-li1，ZHAO Ya-lei1，CUI Gan1，DING Xiao-yong2
（1.College of Pipeline and Civil Engineering in China University of Petroleum，Qingdao 266580，China；2.Oil and Gas Control Center in Beijing，Beijing 100007，China）

Electrochemical experiments were performed to test the free corrosion potential，polarization curve and EIS of X65 steel under the influence of different direct current interference，and the effects of direct current interference on corrosion behavior of X65 steel were investigated.The results showed that when DC stray current＜0.5 A，X65 steel was in passivation and corrosion rate lowered.When DC stray current＞0.5 A，the film was dissolved，corrosion of X65 turned into active dissolution process and corrosion rate increased.

DC stray current；X65 steel；corrosion；free corrosion potential；polarization curve；EIS

U177

：A

：1005-748X（2016）11-0873-03

10.11973／fsyfh-201611003

2015-07-06

国家科技重大专项（2008ZX05017-04-01）

李自力（1963－），教授，主要从事油气储运系统安全工程的研究工作，15053293355，cygcx＠163.com