交流干扰对埋地管道阴极保护电位的影响分析

中国石油管道局工程有限公司

随着石油、天然气、电力等行业迅速发展，相应的基础建设大量增加，使油气管网与高压输电网遍布各地，不可避免地出现了架空的高压交流输电线路或交流供电的电气化铁路与埋地管道共用“公共走廊”现象。高压输电线路和城市地铁交流牵引系统的交流电源会使与其平行的埋地金属管道感应出交流电压，由此而产生交流电流，并诱发交流腐蚀。

目前国内外开展交流腐蚀研究采用的手段是实验室模拟加速实验，主要研究干扰源特性（包括干扰电压、干扰电流密度、交流电波形、交流电频率等）对交流腐蚀速率和钝化特性等腐蚀行为的影响，并取得了一定的成果[1-2]。目前国内研究主要针对阴极保护相关准则的修订方面，而对于交流干扰对管道阴极保护电位的影响尚未明确，并且交流干扰下的阴极保护电位范围仍没有统一定论[3-5]。因此，本文针对交流干扰对埋地管道阴极保护电位的变化进行了分析，并提出了交流干扰下的阴极保护电位范围。

1 现场测试结果分析

干扰管线地处长江三角洲经济发达地区，主要用于海上LNG 气化后天然气远输。线路总长为149 km，设计压力为6.3 MPa，管道规格Φ508 mm×7.1 mm，管材为X80 高强钢，采用加强级3PE 防腐层；管道沿途设置3 座阴极保护站。

图1 为在稳态交流干扰下、不同阴极保护通/断状态下的管道电位测试示意图。如图中所示，将面积为1 cm2的X80 钢试片通过测试桩与埋地管道相连接，试片与管道埋深相同，裸露阔面背向管道并与管道轴向平行，两者相距30 cm；在管道与试片中间设置中断器，设置中断时间为1 min；中断器与试片之间并联电压表，电压表红表笔与管道相连接，黑表笔与参比电极（CSE）相连接，打到直流档记录示数，记录数据顺序为“通2 min-断1 min-通1 min”，每10 s 记录1 次试片电位；同时通过土壤pH 计测试试片埋设处的土壤pH 值并记录。

图1 不同阴极保护状态下管道电位测试原理图Fig.1 Schematic diagram of pipeline potential test under different cathodic protection states

图2 为不同测试点处试片上阴极保护电位的变化曲线。测试点处土壤pH=7.1～7.6，为近中性土壤；其交流干扰电压为2.5～8.9 V(CSE)，交流电流密度为14.02～84.06 A/m2，土壤电阻率为22.61～40.19 Ω·m。

从图中可以看出，在第1 阶段“通2 min”内，试片电位在一定较小的范围内进行波动，其中测试点4 和35 处的阴极保护电位位于标准所要求的阴极保护电位范围内〔-0.85～-1.2 V(CSE)〕，而测试点7 和30 处的阴极保护电位正于要求的-0.85 V(CSE)，推测可能是由于阴极保护不足或存在其他交/直流杂散电流导致的，但是在这一个阶段，4 个测试位置处的试片电位均保持稳定。当中断器处于“断开”状态时，即在第2 阶段“断1 min”内，试片电位迅速上升，此时即为在当前环境下X80 钢试片的自然电位，可以看出在所考虑的稳态交流干扰下，X80 钢试片正向偏移的程度表现出不同的规律，但是在第2 阶段，试片电位波动程度也较大。当阴极保护重新连通，即进入第3阶段“通1 min”阶段时，试片电位迅速负向偏移，但是在测试时间内，电位仍正于第1 阶段内电位，无法迅速达到之前的状态；推测随着第3 阶段时间的推移，试片电位均逐渐负向偏移，逐渐趋向于第1 阶段的状态。

图2 不同阴极保护状态下试片电位变化规律Fig.2 Change law of sample potential under different cathodic protection states

图3 为交流干扰电压和交流电流密度与阴极保护电流正向偏移的关系。从图中可以看出，与交流干扰电压相比，交流电流密度与试片电位正向偏移值呈现更好的线性关系，这是因为交流电流密度体现了直接作用在试片上的干扰大小，而交流干扰电位中包含了土壤、防腐层等因素影响。因此在后续的工作中将采用交流电流密度开展相关实验。

图3 交流干扰电压和交流电流密度与试片电位正向偏移的关系Fig.3 Relationship between disturbance voltage/AC current density and positive deviation of sample potential

2 不同条件下管道电位变化研究

2.1 实验设置

在上述现场测试结果分析的基础上，在实验室中建立了不同交流电流密度和阴极保护条件下的管道电位测试实验装置，如图4 所示，整个实验装置包含两个回路。

图4 不同交流电流密度和阴极保护条件下的管道电位测试实验装置Fig.4 Experimental apparatus for testing pipeline potential under different AC current density and cathodic protection

回路1 为交流干扰回路，其中交流电流密度通过交流信号源施加，频率设置为与高压交流输电线路相同的工频频率（50 Hz），将X80 钢试片与交流信号源一极相连接，另一极设置为石墨电极，设置输出为正弦交流电流信号。

回路2 为阴极保护回路，在本文中，阴极保护通过电化学工作站PARSTAT2263 恒电位模式施加，主要以工作电极（WE）X80 钢试片（化学成分见表1；裸露面积为1 cm2，除留有一个阔面外，其他面通过环氧树脂封装，并在背部焊接一根连接铜导线）与辅助电极（CE）Pt 电极形成阴极保护回路，通过电压表V1 和参比电极R1 监测所施加的阴极保护电位；同时通过电化学工作站本身设置阴极保护的通断[6]。

表1 工作电极X80 钢化学成分Tab.1 Chemical composition of X80 steel used for working electrode 质量分数

为防止两个回路之间的相互干扰，在回路1 中串联电容以屏蔽直流信号，在回路2 中串联电感以屏蔽交流信号；通过电压表V2 和参比电极R2 测试不同交流电流密度和阴极保护信号下的X80 钢试片的电位。

参比电极R1 和R2 采用饱和甘汞电极（SCE，在本文中忽略SCE 和CSE 电位的差异，两者的差异约为0.022 4 V，测得的电位包含IR降）；为了避免测试数据受到电化学工作站（阴极保护输出）的干扰，采用两个参比电极并对其电位进行校正，使得两者差值不超过1 mV。实验用土壤模拟溶液采用分析纯NaHCO3和去离子水配置，溶度为0.02 mol/L，通过冰醋酸调节溶液pH 值为近中性环境，并记录土壤模拟溶液的实际pH 值。

每组实验设置5 个测试阶段，每个阶段300 s，每60 s 记录一次数据：①自然腐蚀阶段OCP；②阴极保护阶段CP；③阴极保护和交流干扰共同作用阶段CP+AC；④交流干扰阶段AC；⑤第2 个自然腐蚀阶段OCP。

阴极保护电位分别为：-0.85、-1.0和-1.2V(SCE)，交流电流密度分别为10、30、50、100 A/m2。

2.2 实验结果

图5 为不同AC 和CP 下X80 钢试片在不同阶段的电位变化情况（pH=7.1～7.2）。从图中可以看出，在近中性的NaHCO3溶液中，X80 钢的自腐蚀电位均约为-0.72 V(SCE)。GB/T 21448—2008 标准中指出，一般情况下，管道的阴极保护电位应处于-0.85～-1.2 V(CSE)之间，因此根据上述准则，在本文中选取了-0.85、-1.0 和-1.2 V(SCE)作为实验条件（忽略CSE 和SCE 的电位差异）。

从图5a 可以看出：①在0～300 s 范围内，X80钢试片自腐蚀电位基本稳定在-0.72 V(SCE)。②当对其施加阴极保护后，试片电位迅速负移至-0.85 V(SCE)并在300～600 s 范围内保持稳定。③在600 s 时，启动交流干扰源施加4 个不同数值的交流电流密度对试片进行干扰，可以看出，试片电位与预想结果不一致：均发生正向偏移或负向偏移；从初始时刻（660 s）来看，当IAC=10 A/m2和30 A/m2时，试片电位正向偏移；而当IAC=50 A/m2和100 A/m2时，试片电位负向偏移。当IAC=10、30 和100 A/m2时，在第3 阶段（600～900 s）范围内，试片电位基本保持稳定，而当IAC=50 A/m2时，随着时间的推移，试片电位逐渐正向偏移，最终略正于第2 阶段试片的阴极保护电位。④当到达第4 阶段时（900～1 200 s），阴极保护断开，只存在交流干扰，此时试片电位均出现大幅度正向偏移，并且在整个阶段范围内基本保持稳定；同时与第3 阶段初始时刻的电位相比，第4 阶段初始时刻的电位正向偏移程度随着交流电流密度的增大而减小。⑤当进入第5 阶段（1 200～1 500 s），交流干扰和阴极保护均断开后，从理论上来说，试片电位应正常回归到第1 阶段的自腐蚀电位数值上，但是从图中可以看出，在不同的交流电流密度条件下，此时试片的自腐蚀电位均发生了不同程度的偏移，当IAC=10 A/m2时，试片电位保持稳定但略小于第1阶段试片的自腐蚀电位；当IAC=30 A/m2时，试片电位保持稳定并且与第1 阶段试片的自腐蚀电位相等；当IAC=50 A/m2和100 A/m2时，在初始时刻试片电位迅速增大，并且远远大于第1 阶段试片的自腐蚀电位，随着时间推移，其试片电位逐渐降低，推测当达到一定时间后，其试片电位应与第1 阶段试片的自腐蚀电位相等[7]。

从图5b 可以看出：①在0～300 s 范围内，X80钢试片自腐蚀电位基本稳定在-0.72 V(SCE)。②当对其施加阴极保护后，试片电位迅速负移至-1.0 V(SCE)并在300～600 s 范围内保持稳定。③在600 s 时，启动交流干扰源施加4 个不同数值的交流电流密度对试片进行干扰，可以看出此时试片电位均发生正向偏移，并且随着交流干扰的增大，正向偏移程度也增大，但在600～900 s 测试范围内试片电位基本保持稳定，这与阴极保护电位为-0.85 V(SCE)时的测试结果不相同。④当到达第4阶段时（900～1 200 s），阴极保护断开，只存在交流干扰，此时试片电位再次出现大幅度正向偏移，但是在该测试阶段，随着时间的推移，试片电位持续正向偏移，并且交流干扰电流密度越小，变化速率越大。⑤当进入第5 阶段（1 200～1 500 s），交流干扰和阴极保护均断开后，从理论上来说，试片电位应正常回归到第1 阶段的自腐蚀电位数值上，但是从图中可以看出，在不同的交流电流密度条件下，此时试片的自腐蚀电位均发生了不同程度的偏移，当IAC=10 A/m2时，试片电位保持稳定但略小于第一阶段试片的自腐蚀电位；当AC=30 A/m2时，试片电位保持稳定并且与第1 阶段试片的自腐蚀电位相等；当IAC=50 和100 A/m2时，在初始时刻试片电位迅速增大，并且远远大于第1 阶段试片的自腐蚀电位[5,8]，随着时间推移，其试片电位逐渐降低，与第1 阶段试片的自腐蚀电位相等。

图5 不同交流电流密度和阴极保护状态下的电位变化规律Fig.5 Change law of potential under different AC current density and cathodic protection

从5c 可以看出：①在0～300 s 范围内，X80 钢试片自腐蚀电位基本稳定在-0.72 V(SCE)。②当对其施加阴极保护后，试片电位迅速负移至-1.2 V(SCE)并在300～600 s 范围内保持稳定。③在600 s 时，启动交流干扰源施加4 个不同数量的交流电流密度对试片进行干扰，可以看出此时试片电位均发生正向偏移，并且随着交流干扰的增大，正向偏移程度也增大，但在600～900 s 测试范围内试片电位基本保持稳定，这与ECP=-0.85 V(SCE)时的测试结果不相同，而与ECP=-1.0 V(SCE)时的测试结果相同。④当到达第4 阶段时（900～1 200 s），阴极保护断开，只存在交流干扰，此时试片电位再次出现大幅度正向偏移，并且交流电流密度越小，该阶段初始时刻的正向偏移程度越大；同时在该测试阶段，随着时间的推移，试片电位持续正向偏移，并且交流干扰电流密度越小，变化速率越大。⑤当进入第5 阶段（1 200～1 500 s），此时与图5b 第5 阶段规律相同。

图6 为CP-CP+AC、CP+AC-AC 和AC-OCP 3个阶段转变时试片电位正向偏移程度变化规律。从图中可以看出，在CP-CP+AC 转变过程中，在ECP=-1.0 V(SCE)和-1.2 V(SCE)较负的阴极保护电位条件下，随着交流电流密度的增大，试片电位正向偏移程度也逐渐增大，但是增大程度缓慢减小；同时，阴极保护电位越负，在相同的交流电流密度下，试片电位正向偏移程度越大。但是当ECP=-0.85 V(SCE)时，当施加了交流电流密度后，试片电位发生了负向偏移，并且交流电流密度越大，负向偏移程度越大。从CP+AC-AC 转变过程可以看出，阴极保护电位越负，关闭阴极保护后试片电位正向偏移程度越大，而随着交流电流密度增大，其偏移程度逐渐减小；同时减小量随着阴极保护电位更负而更大。从AC-OCP 转变过程中可以看出，在不同阴极保护电位下，关闭交流干扰后的电位正向偏移程度变化规律呈现很好的一致性，呈现出正相关关系；但是不得不指出的是，在ECP=-0.85 V(SCE) 时的电位正向偏移程度大于ECP=-1.0 V(SCE)时的结果。

2.3 分析与讨论

从上述结果可以看出，在ECP=-0.85 V(SCE)时不同阶段转变时试片电位正向偏移的结果与ECP=-1.0 V(SCE)和-1.2 V(SCE)时的不尽相同。上述实验结果可以从阴极保护和交流干扰共同作用下的试片表面的电荷转移过程来阐述。

在交流干扰和阴极保护相互作用过程中，参与电极过程的众多电流成分可被分为两种类型：供应电子和消耗电子。供应电子的电流成分有阳极反应电流密度Ia、阴极保护电流密度ICP、交流电负半周电流密度I1-AC，消耗电子的成分有阴极反应电流密度Ic和交流电正半周电流密度I2-AC。其中I1-AC和I2-AC都是交流电中参与法拉第过程的部分，因为交流电中的电容电流，即参与双电层充放电过程的电流，在正负半周的总和为0，而法拉第电流由于阴阳极反应的不对称现象，是有净电流的[8-9]。

图6 不同阴极保护电位和交流电流密度施加条件下试片电位正向偏移程度变化规律Fig.6 Change law of positive deviation of sample potential under different cathodic protection and AC current density

当阴极保护电位为-0.85 V(SCE)时，阴极保护电流密度ICP相对较小。由阴极保护电流提供的电子非常少，不足以供交流电正半周I2-AC消耗。缺少的电子需要由阳极反应电流，即铁的溶解反应电流提供，于是触发了交流腐蚀。同时，在交流正负半周期间的阳极和阴极极化不对称，交流负半周I1-AC所提供的剩余电子可使直流电位负移。此时，法拉第过程作为一个整流器，在交流流过的时候产生一个净直流电流，使电位负移；阳极溶解是由外加交流电的正半周所驱动的，所产生的电子也被交流电正半周所消耗，电位负移不是造成阳极溶解的原因，也不是阳极溶解所造成的结果，而是由交流电负半周的剩余电子累积所造成的。

当阴极保护电位为较负的ECP=-1.0 V(SCE)和-1.2 V(SCE)时，阴极保护电流密度ICP相对较大。阴极保护电流提供了足够多的电子被交流电正半周I2-AC消耗，阳极溶解反应没有驱动力不会发生；同时，由于部分阴极保护电流被交流电正半周I2-AC消耗，原始较负的阴极保护电位值难以维持，发生正移[10]。

3 结论

本文针对交流干扰对管道电位的影响问题，通过现场测试和室内实验对不同阴极保护和交流干扰条件下的试片电位进行了测试，并阐述了电位异常转变的原因。研究表明：当阴极保护电位较小时，较大的交流干扰可能引起试片电位的持续负向偏移，当阴极保护电位较大时，交流干扰却会引起试片电位的正向偏移；在无阴极保护条件下，交流干扰会引起试片自腐蚀电位的负向偏移；但是当断开交流干扰后，试片电位迅速增大，甚至正于原来的自然腐蚀电位，然后逐渐恢复到原有水平。上述实验现象可通过交流干扰和阴极保护过程中的电子供应和消耗的平衡关系来解释。