高压直流接地极入地电流对埋地金属管道的腐蚀影响

(1. 中国石油天然气管道科学研究院有限公司，廊坊 065000； 2. 中国电力科学研究院，北京100192； 3. 中国石油天然气管道局工程有限公司 东南亚项目经理部，廊坊 065000)

我国地域广阔，能源主要分布在西部区域，而人口和工业则主要集中在东部地区，因此远距离、大容量的能源输送发展战略应运而生，长输油气管道和高压直流工程也因此进入建设高峰期[1-2]。

随着西电东送，西气东输工程的建设，直流接地极与埋地油气管道邻近的情况已不可避免。而高压直流输电系统在运行期间会有大量电流通过接地极入地，在接地极附近形成恒定的直流电流场[3]，并伴随出现大地电位的升高。如果接地极附近存在金属管道，由于金属的电阻率远小于土壤电阻率，电流将会在管道防腐蚀层破损点处流入流出，不仅使金属管道存在腐蚀和氢脆的风险，还会给管道附属设备以及人员的安全带来危险[4-5]。

随着我国特高压直流输电工程快速发展，接地极的额定入地电流也由3 kA增大至4 kA甚至5 kA，接地极入地电流对埋地油气管道的影响问题日渐凸显[6-9]，已引起石油天然气和电力两大行业的高度关注[10]。而关于直流接地极对金属管道腐蚀的针对性研究并不多见[11-12]，并且对于大电流密度下法拉第电解定律的适用性也鲜有研究。本工作分别对不同管道材料、土壤pH、土壤电阻率、泄漏电流密度、持续时间等参数开展金属腐蚀试验，以研究直流接地极入地电流对埋地油气管道的腐蚀影响规律，同时验证法拉第电解定律在大电流密度下的适用性。

1 试验

1.1 试验材料

试样材料为X65、X70、X80钢，将试验材料制成尺寸分别为10 mm×10 mm×12 mm和50 mm×20 mm×12 mm的试样，所有试样在试验前均用水磨砂纸(至800号)打磨。试验所用试剂有氯化钙、氯化钠、无水硫酸钠、无水硫酸镁、硝酸钾、碳酸氢钠、氢氧化钠、浓盐酸，均为分析纯，购于天力化学试剂有限公司。

1.2 试验方法

搭建稳态条件下的腐蚀试验系统[13-14]，为消除试验误差，试验设置三组平行试样，此外每次试验均添加空白样以消除自腐蚀误差。为保证回路电流一致，采用串联回路，电源选择恒流模式，回路示意图如图1所示。当回路电阻小时，使用PS-12恒电位仪，回路电阻大则使用HIPS-1C直流稳压电源。

图1 腐蚀试验回路示意图Fig. 1 Schematic diagram of corrosion testing loop

为保证试验过程中工作电极和辅助电极(铂电极)间距离一致，采用定制电解槽，如图2所示。电解槽侧面配置密封圈以安装对应尺寸的试样，试验过程中在其中一侧安装试样，在不安装试样的另一侧用对应尺寸的密封垫密封，电解槽盖子配有圆孔以安装辅助电极。用FLUKE 289C万用表对试验过程中的电压进行实时监测。

图2 试验定制电解槽Fig. 2 Customized electrolytic cell for test

试验前采用XSE 205DU电子天平对试样进行称量及尺寸测量，试验结束后参照GB 16545-2015《金属和合金的腐蚀 腐蚀试样上腐蚀产物的清除》清除腐蚀产物[15]，然后再次对试样进行称量。

2 结果与讨论

2.1 管材的影响

参考文献[16-19]分别配制具有代表性的库尔勒土壤模拟溶液和鹰潭土壤模拟溶液，调节溶液pH即土壤pH分别为8.0和4.0，电阻率调至30 Ω·m。在恒定阳极电流密度9 mA/cm2下对尺寸为10 mm×10 mm×12 mm的X65、X70、X80管线钢试样进行加速腐蚀，腐蚀时间为1 d。由于试验过程中电流密度存在微小的波动，故试验值是将实际测量值折算成电流密度为9 mA/cm2时的值，腐蚀试验后不同管材的质量损失情况见表1。

表1 管材对腐蚀质量损失的影响Tab. 1 Effect of pipe material on mass loss after corrosion

从表1可以看出：在相同的电流密度下，三种钢材的腐蚀后的质量损失相差不大，试验平均值与计算值(按法拉第电解定律计算)的相对误差不超过2%，因此恒定阳极电流密度下管线钢的腐蚀量受钢材类型影响不大。

2.2 土壤pH的影响

根据文献[17,19-20]分别制备鹰潭、拉萨、库尔勒土壤模拟溶液，溶液pH分别调节至4、7、8，电阻率调节至30 Ω·m，试样为50 mm×20 mm×12 mm的X80管线钢，电流密度为0.3 mA/cm2，腐蚀时间为3 d，研究不同土壤pH对金属腐蚀行为的影响。同样，试验值是折算成电流密度为0.3 mA/cm2时的值，经恒定电流密度0.3 mA/cm2加速腐蚀后的腐蚀质量损失情况见表2。

表2 土壤pH对腐蚀质量损失的影响Tab. 2 Effect of soil pH on mass loss after corrosion

从表2可以看出：在相同电流密度、不同土壤pH下腐蚀后管线钢的质量损失也相差不大，试验值与计算值(按法拉第电解定律计算)的相对误差不超过5.10%，故恒定阳极电流密度下管线钢的腐蚀质量损失受土壤pH影响不大。

2.3 土壤电阻率的影响

试验溶液选用库尔勒土壤模拟溶液，将溶液pH调节至8.0，电阻率分别调节为10、30、100、500、1 000、1 500 Ω·m，试样为50 mm×20 mm×12 mm的X80管线钢，电流密度为0.3 mA/cm2，腐蚀时间为3 d，研究土壤电阻率对金属腐蚀行为的影响。经恒定电流密度0.3 mA/cm2加速腐蚀后管线钢的质量损失情况见表3，其中试验值是折算成电流密度为0.3 mA/cm2时的值。

从表3中可以看出：在恒定的电流密度、不同土壤pH下腐蚀后管线钢的质量损失相差很小，试验值与计算值(按法拉第电解定律计算)的相对误差不超过5.10%，恒定阳极电流密度下管线钢的腐蚀质量损失受电阻率影响很小。

2.4 泄漏电流密度的影响

本节试验所用试验溶液为库尔勒土壤模拟溶液，将溶液pH调节至8.0，电阻率调节至30 Ω·m。为避免腐蚀质量损失过小(电流密度较小时)引入较大测量误差，对于电流密度为0.01、0.3、1 mA/cm2的试验采用50 mm×20 mm×12 mm的X80管线钢试样，腐蚀时间为6 d；对于电流密度3、9、40、90 mA/cm2的试验，采用10 mm×10 mm×12 mm的X80管线钢试样，腐蚀时间为1 d。阳极极化加速腐蚀试验结束后观察试样的质量损失情况，通过金属腐蚀速率对比研究不同泄漏电流密度对金属腐蚀的影响规律。

表3 土壤电阻率对腐蚀质量损失的影响Tab. 3 Effect of soil resistivity on mass loss after corrosion

表4为电流密度0.01～1 mA/cm2条件下X80管线钢的腐蚀情况，表5为电流密度3～90 mA/cm2条件下X80管线钢的腐蚀情况。根据表4和表5数据，对电流密度-腐蚀质量损失和电流密度-腐蚀速率分别作图，结果如图3和图4所示。

结果表明：试样的腐蚀质量损失与电流密度、腐蚀速率与电流密度均呈较好的线性关系，腐蚀质量损失和腐蚀速率均随着电流密度增大而增大；试验得到的腐蚀质量损失平均值与按法拉第电解定律计算得到的计算值间的相对误差随着电流密度的增大而减小，除在0.01 mA/cm2电流密度下相对误差较大外，其他电流密度下相对误差均不超过5.00%。这是由于电流密度小到一定程度时，金属在模拟溶液中由自腐蚀引起的质量损失将大于由外加电流腐蚀产生的质量损失，此时实际测量结果的误差不仅来自于平行样间金属自腐蚀的差别，而且整个测量系统因腐蚀质量损失数值较小，测量误差也会相应增大。

表4 电流密度为0.01～1 mA/cm2时X80 管线钢的腐蚀情况Tab. 4 Corrosion situation of X80 pipeline steel at current densities of 0.01-1 mA/cm2

表5 电流密度为3～90 mA/cm2时X80管线钢 的腐蚀情况Tab. 5 Corrosion situation of X80 pipeline steel at current densities of 3-90 mA/cm2

从整体上看，腐蚀质量损失的计算值和试验值基本上一致。这表明，金属的腐蚀质量损失很好地符合了电量-腐蚀质量损失对应的法拉第关系，根据外加电流大小和持续时间来计算金属的腐蚀质量损失是完全可行的。

(a) 0.01～1 mA/cm2

(b) 3～90 mA/cm2图3 腐蚀质量损失-电流密度关系曲线Fig. 3 Relationship between corrosion mass loss and current density

图4 腐蚀速率-电流密度关系曲线Fig. 4 Relationship between corrosion rate and current density

2.5 腐蚀时间的影响

为进一步了解管线钢在恒电流下的腐蚀规律，掌握其在腐蚀过程中产生的腐蚀氧化物对其界面的影响及其界面是否对后续的反应产生阻碍，开展了不同持续时间下的金属腐蚀试验。

本节试验共设置3组不同时长的腐蚀试验，分别是6 h、1 d、3 d，试样为50 mm×20 mm×12 mm的X80管线钢，腐蚀环境为库尔勒土壤模拟液(电阻率30 Ω·m、pH 8)，为保证腐蚀试验中试样产生足够的腐蚀量以减小试验误差，试验电流密度选用1 mA/cm2。表6为在1 mA/cm2恒定电流密度下腐蚀不同时间后X80的腐蚀质量损失，其中试验值是折算成电流密度为1 mA/cm2时的值。图5为腐蚀时间-腐蚀质量损失的关系曲线。

结果表明：金属的腐蚀质量损失与腐蚀时间成正比，随着腐蚀时间的延长，腐蚀质量损失呈线性增

表6 腐蚀时间对腐蚀质量损失的影响Tab. 6 Effect of corrosion time on mass loss

图5 腐蚀质量损失-腐蚀时间关系曲线Fig. 5 Relationship between corrosion mass loss and corrosion duration

大，但腐蚀速率基本保持不变，金属的腐蚀质量损失与通过试样表面的电量成正比。试验平均值与计算值(按法拉第电解定律计算)的相对误差不超过2.4%。

3 结论

(1) 在其他试验条件一致的情况下，管线钢的腐蚀质量损失受钢材类型、土壤pH以及土壤电阻率的影响不大，受泄漏电流密度的影响较大；管线钢的腐蚀质量损失和腐蚀速率均随阳极电流密度的增大而增大，呈线性关系；腐蚀质量损失与腐蚀时间成正比，腐蚀速率与腐蚀时间无关。

(2) 通过对腐蚀规律的研究，验证了法拉第定律在管道受大直流干扰腐蚀下的适用性，为后续仿真计算等效入地电流对管道产生的腐蚀量提供数据支持，为提出更具适用性的直流干扰评价指标提供理论基础。