高压直流干扰下管线钢在西南土壤中的腐蚀规律研究*

熊娟 张文艳 杜艳霞 许振昌 秦润之

1中国石油西南油气田公司输气管理处

2北京科技大学新材料技术研究院

高压直流（HVDC）输电系统是一种用于远距离的高效率的输电方式，具有损耗小、造价低、稳定性高等优点。由于我国能源主要分布在西部地区，而能源的主要消耗在东部沿海，高压直流输电为我国能源输送提供了一种重要的方式。目前，我国已经建成向家坝—上海、哈密南—郑州、蒙西—湖北等高压直流输电线路，未来还有多条线路正在建设或规划中[1-3]。

HVDC 输电系统主要有单极运行和双极运行两种模式。系统正常运行模式为双极运行模式，在此运行模式下产生的不平衡电流一般在额定电流的1%以内，对埋地金属管道的危害较小。而当其中一极设备故障或者检修时，会以单极模式运行，即以大地作为回路通道，此时数千安培的电流会通过接地极进入大地，并在金属管道这种良导体上传输，最终在防腐层破损处流出。电流流出点管道发生腐蚀，除对埋地管道造成危害外，高压直流干扰也会导致管地通电电位发生大幅度偏移，偏移量可高达上百伏，对阴极保护设备及地面工作人员造成严重危害[4-6]。

近年来，随着高压直流输电系统的投运，多条埋地管道上检测到了干扰。QIN[7]等在翁源接地极3 200 A 阴极放电时，距离接地极7 km 左右的检测点（该位置为距离管道最近的测试点）处管道的管地通电电位达到304 V（CSE）；孙建桄[8]等测试翁源接地极1 200 A 放电时发现，距离接地极最近的管道位置通电电位正向偏移至100 V（CSE）左右；BI[9]等测试哈密南至郑州±800 kV 特高压直流输电线路哈密南接电极放电时发现，距离接地极最近处管道（约35 km）极化电位正向偏移至0.5 V（CSE）左右。

现场大量案例表明，高压直流输电系统接地极单极运行会对埋地管道造成较大的危害，但是对这种危害的程度以及相关的机理缺乏清晰的认识。部分学者开展了实验室模拟研究，如秦润之[10]研究了高压直流干扰下X80 钢在广东土壤中的腐蚀行为，结果表明：在土壤含水率为21%的广东红褐色黏土中，当直流干扰电位分别为50、100、200、300 V 时，对应的X80钢腐蚀速率分别为5.56、7.85、10.63、7.78 μm/h。上述案例说明，高压直流的干扰程度大，对埋地管道的危害也较大，实验结果也说明相比自然状态下，高压直流干扰引起腐蚀较为严重。

本实验参考现场实际工程的干扰参数，在取自管道附近的原土中搭建室内模拟实验，对管线钢在大幅值高压直流干扰下的腐蚀规律开展研究。

1 实验方法

实验材料选取X80 管线钢，从某长输管道服役现场运回，其化学成分见表1。

表1 实验材料X80 管线钢的化学成分Tab.1 Chemical composition of experimental material X80 pipeline steel 质量分数/%

X80 管线钢的金相组织为铁素体和珠光体，珠光体弥散分布，且组织分布较为均匀。按照标准GB/T 228—2002 测得其屈服强度和抗拉强度分别为605 MPa 和669 MPa。使用线切割将X80 钢加工成指定形状的试样，用SiC 砂纸将其表面逐级打磨至800#，用乙醇超声波水浴清洗10 min，然后将其表面的油脂清除干净，用去离子水冲洗并用冷风快速吹干备用。实验时采用聚四氟乙烯制成的夹具将试样非工作面密封，露出1 cm2的金属为工作面。

实验选择四川土壤作为环境介质，土壤取自宜宾市，为红褐色黏土，土壤含水率约为17.5%，土壤电阻率为27.7 Ω·m，pH 值约为6.5，土壤离子质量浓度（5 g 土壤溶于30 mL 去离子水后测得质量浓度）为：SO42-12.2 mg/L，Cl-1.87 mg/L，NO3-33.4 mg/L，Na+1.4 mg/L，K+0.91 mg/L，Ca2+12.1 mg/L，Mg2+1.2 mg/L。

实验装置为自行搭建的高压直流干扰土壤腐蚀模拟装置。装置原理及实物图如图1 所示。该装置由土壤实验箱、高压直流电源、电位记录仪、万用表、开关等设备构成，土壤实验箱尺寸为20 cm×10 cm×8 cm，采用三电极体系，管道钢材质试样为工作电极（WE），紫铜板为对电极（CE），饱和甘汞电极为参比电极（RE）。将三电极完全埋入土壤中，参比电极距离工作电极表面1 cm，并在工作电极附近放置温度计以记录干扰过程中温度变化，干扰电压由HSPY 400-01 型高压直流电源提供，并在回路中串联100 Ω分流电阻，电流测量通过Corrlog-1C 电位记录仪记录电阻两端的电位，用FLUKE 289C 型万用表采集工作电极与参比电极间的电位，用Reference 3000 型电化学工作站连接三电极体系测量干扰前后的电化学参数。

图1 高压直流干扰装置原理图（左）及实物图（右）Fig.1 Principle diagram(left)and real product diagram(right)of HVDC interference device

实验装置搭建完成后静置半小时，用电化学工作站测试其开路电位至稳定，并测试试样附近的环境电阻Rsoil[10]，Rsoil可以体现试样表面电阻率变化，Rsoil的测量通过电化学工作站施加轻微的交流扰动实现，扰动交流电流密度为0.000 1 A/cm2（均方根值），交流频率50 Hz。完成后即用高压直流干扰电源施加干扰1 h，干扰电压分别为5、10、20、50、100、150、200、250、300 V，同时记录温度计的数值变化。干扰结束后，用同样的方法测试干扰后Rsoil的变化，并将试样表面的小块土壤取出，测试含水率变化。

测试试样腐蚀失质量，采用500 mL 去离子水+500 mL 浓盐酸+3.5 g 六次甲基四胺配制的除锈液，在超声波容器中清洗试样，再用乙醇超声处理，吹干后用精度为0.1 mg 的电子天平秤量腐蚀失质量。利用以下公式计算实验周期内腐蚀速率：

式中：v为腐蚀速率，μm/h；Wb为干扰前试样质量，g；Wa为干扰后试样质量，g；ΔW为除锈过程中空白样失质量，g；t为实验周期，h；ρ为试样密度，g/cm3；A为试样暴露的面积，cm2。

2 实验结果

2.1 不同干扰电压下电流密度测试结果

不同干扰电压下的电流密度如图2 所示。从图中可以发现，在不同干扰电压下的电流密度数值大小不同，但曲线变化有着相似的规律，均可将电流密度曲线划分为三个阶段，即：

阶段一：刚施加直流干扰时，电流密度迅速升高达到峰值，持续时间为10 s 以内。

图2 X80 钢在5～300 V 直流干扰电位下电流密度随时间变化曲线（左）及峰值放大图（右）Fig.2 Current density time-varying curve(left)and peak values enlargement（right）of X80 steel under 5～300 V DC interference potential

阶段二：电流密度从峰值开始呈指数型迅速下降，直至接近稳定值，持续时间200 s 以内。

阶段三：电流密度保持稳定值，随时间有少量波动，但变化不大，持续时间一直到实验结束。

同时也发现，当直流干扰电压大于50 V 时，峰值下落至稳定值的幅度较为明显；当直流干扰电压小于50 V 时，则未表现出明显的下落幅度；且随着干扰电压的增大，峰值电流密度增大，但维持时间缩短。

峰值电流密度与干扰电压的关系如图3 所示。可以看出，随着干扰电压的增大，峰值电流密度增大，近似呈线性关系。其中，当干扰电压为300 V时，峰值电流密度最大，达到610.5 A/m2；当干扰电压为5 V 时，峰值电流密度最小，为13.3 A/m2。同时也发现，稳定电流密度均小于10 A/m2。

图3 峰值电流密度随干扰电压变化规律Fig.3 Variation law of peak current density with interference voltage

2.2 不同电压干扰后试样附近环境参数变化

不同干扰电压下试样近表面温度变化如图4 所示。由图可以发现，试样近表面温度变化与电流密度变化曲线类似，也呈现出先升高后降低并稳定的规律，且干扰电压大于100 V 时，温度有明显的升高，当干扰电压小于100 V 时，试样近表面温度变化不明显。通过图4（下）不同电压下最高温度的变化可以发现，试样近表面最高温度随干扰电压的变化曲线是先增加然后有一定下降，干扰电压200 V 时，试样近表面温度最高，达到46 ℃，结合电流密度变化曲线来看，随着干扰电压的增大，电流密度峰值增大，但维持时间缩短，使得电流做功在某个电位下存在最大。需要加以说明的是，为了尽可能减小对试样表面电流分布的影响，温度计安插在裸露面侧面的近处，因此，所测得的结果要低于试样表面的实际温度。

图4 不同干扰电压下试样近表面温度变化（上）及最高温度（下）Fig.4 Sample surface temperature variation(above)and highest temperature(below)with different interference voltage

干扰结束后，试样近表面小块土壤的含水率变化如图5 所示。可以发现，随着干扰电压的增大，试样近表面含水率呈现先减小然后又略有增加的变化，其中在200 V 干扰后，试样近表面土壤含水率最低，约为11.4%。同时，将该小块土壤按照质量比土∶水=1∶5 加入去离子水搅拌静置，取上层清液测得pH 值变化，发现pH 值呈现酸性，但酸性程度变化较小，随干扰电压的增加，pH 值变化范围在6～5 之间。

图5 高压直流干扰后试样近表面土壤含水率变化曲线Fig.5 Variation curve of soil water contentnear in the surface of sample after HVDC interference

干扰前后Rsoil的变化如图6 所示，发现干扰后Rsoil增大，且明显大于干扰前。干扰后Rsoil随着干扰电压的增大呈增大趋势，但在实际测试中发现，Rsoil在测试前期迅速衰减，实际测试又无法准确测得断电瞬间Rsoil的数值，因此，断电至测试间的延迟时间越长，所测数据的偏差越大，使得该数据存在一定误差。为此，利用Origin 软件对Rsoil进行拟合，发现衰减呈现对数型关系，如图7 所示，通过计算估测断电瞬间Rsoil数值如图6 右图所示。可以发现，干扰后Rsoil随干扰电压近似呈线性关系，随着干扰电压的增大，Rsoil增大，且相对干扰前，增大幅度明显。除此之外，通过万用表测量试样与参比电极间的分压，发现该分压占到施加电压的90%以上，这也与通电后Rsoil的大幅度增加有关。

2.3 腐蚀速率测试结果

不同电压下干扰1 h 后，试样表面均有不同程度的腐蚀，腐蚀形貌如图8 所示。由图可见，当直流干扰电压为50～300 V 时，试样表面有不同程度的红褐色腐蚀产物；当直流干扰电压为50 V 以下时，试样腐蚀较轻，腐蚀产物较少。所有的腐蚀产物分布并不均匀，且质地疏松，易脱落，导致试样表面接触的土壤难以清除干净，会有些许残留。

不同直流干扰实验结束后，将试样清理、酸洗，测得管线钢试样在高压直流干扰过程中的失质量及腐蚀速率，如图9 所示。可以发现，试样的腐蚀速率随着干扰电压的增大呈现先升高后降低的现象，当干扰电压为150 V 和200 V 时达到最高，腐蚀速率均为2.15 μm/h，这也与上述温度和含水率等局部环境变化规律相对应。

图6 干扰前后Rsoil变化曲线（左图为实测，右图为拟合曲线）Fig.6 Variation curve of Rsoilbefore and after interference(the left one is actual measurement，and the right one is fitting curve)

图7 150 V 干扰下Rsoil的拟合曲线Fig.7 Fitting curve of Rsoilunder 150 V interference

图8 不同电压下干扰1 h 后试样表面腐蚀形貌Fig.8 Surface corrosion morphology of samples after 1 hour interference of different voltage

图9 不同电压干扰1 h 后X80 钢腐蚀失质量（上）及腐蚀速率（下）Fig.9 Corrosion mass loss(above)and corrosion rate(below)of X80 steel after 1-hoar interference of different voltage

根据法拉第电解定律，其理论失质量计算公式为

式中：w为金属腐蚀的质量，g；k为该物质的电化当量，g/C；I为电流强度，A；t为通电时间，h；M为该物质的摩尔质量，g/mol；F为法拉第常数，取9.65×104C/mol；n为电化学反应中消耗的电子数。考虑到土壤环境里氧含量不足，试样可能发生的反应为：Fe→2e+Fe2+。

通过电流密度积分值即可计算理论的腐蚀失质量，理论失质量与实际所测失质量如图10 所示。通过对比二者关系，考虑误差的因素，认为高压直流干扰的腐蚀失重符合法拉第定律，因此在实际操作中，可以通过检测电流密度数据来预测干扰中的腐蚀速率。

图10 实际失质量与理论失质量关系曲线Fig.10 Relationship curve of actural mass lose and theoretical mass lose

3 结论

（1）X80 钢试样在四川土壤中施加5～300 V 直流干扰电位，电流密度随时间呈现典型的三阶段变化特征：先在几秒内急剧上升到较高水平的峰值，然后在几百秒内下降到较低水平的稳定值并保持较长时间。通过实验过程中对试样近表面环境参数的测试发现，电流干扰可以造成试样温度升高、含水率降低、Rsoil急剧增加，因此局部环境的变化是造成电流密度变化的主要原因。

（2）腐蚀速率随干扰电压的增大先增加后减小，并在干扰电压达到150 V 和200 V 时，腐蚀速率最大，均为2.15 μm/h。

（3）高压直流干扰实验中，试样的实际失重量与根据法拉第定律将电流密度进行积分所计算得到的理论腐蚀失重量相接近，因此在实际干扰中可以通过检测电流密度的变化来预测腐蚀速率。