埋地钢质管道交流杂散电流干扰研究现状

李晓龙，王政骁，罗艳龙，李长春，何仁洋

(1. 中国特种设备检测研究院，北京 100013；2. 中国石油大学(北京)机械与储运学院，北京 102249)

0 前 言

油气管道是国家重要能源基础设施，被誉为“生命线工程”。输电系统是国民经济和社会发展的重要支撑，被誉为电力能源输送的“高速公路”。油气管网、输电线网以及高速铁路网铺设遍布全国。由于地理位置的限制，相关部门在设计和建设过程中都会采取“择优原则”，这不可避免地造成线路在“公共走廊”中小间距、长距离地并行或交叉，杂散电流干扰风险日益严峻，严重威胁着管道、阴极保护设备以及工作人员的人身安全[1]。

长期以来，国内外研究人员围绕交流腐蚀问题进行了大量的研究，但是交流腐蚀机理十分复杂，影响因素众多，使得交流腐蚀的合理评价以及准确排流变得十分困难。本文归纳整理了近年来交流腐蚀影响因素的研究进展，总结了各类型评价准则以及目前的排流防护现状，为相关领域的研究提供借鉴。

1 交流杂散电流来源及腐蚀机理

1.1 交流干扰来源及腐蚀机理

图1分类汇总了交流杂散电流产生的来源、干扰方式及干扰源特性。其中瞬间高压干扰发生的几率非常低，间歇干扰和持续干扰是产生交流杂散电流腐蚀的主要原因。3种电磁耦合干扰方式[2]中感性耦合与阻性耦合影响更为严重，不仅会在管道防腐层及管体上产生过高的交流感应电压和电流，造成埋地管道的严重电化学腐蚀，还会对阴极保护系统的正常运行产生干扰，甚至对管道安全运输、附近配套设施、人身安全都会产生严重的威胁。

交流腐蚀的本质是电化学腐蚀的问题，杂散电流在管道防腐层破损处流入流出会导致管线金属被腐蚀，其发生的基础反应如下：

(1)析氢腐蚀

(1)

(2)

(3)

(2)吸氧腐蚀

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(6)

但是由于交流电流具有方向可改变的特点，又有频率这一特性，作用机理十分复杂。早在20世纪60年代已经开始杂散电流腐蚀机理的研究，并提出了一些假说模型。目前对于交流腐蚀机理的解释有图1中的5种典型模型。

“整流模型”中指出由于腐蚀的不可逆性，金属阳极极化产生的电流大于阴极产生的电流，使得在交流电流正半周期产生的阳离子在交流电负半周期没有全部沉淀，从而产生腐蚀[3]。该模型中假设了阴极过程只发生氧的还原，但实际并非如此，并且是基于无阴极保护条件下进行的，对于现场工程机理解释不够有说服力。

Nielsen[4]针对阴极保护下的交流腐蚀机理研究提出了“碱化机理”，认为管道防腐层破损处较高的pH值和交流杂散电流导致的电位波动共同导致了交流腐蚀的产生。在此基础上又提出了“自催化机制”，指出有阴极保护下管道受到交流杂散电流腐蚀发生的3个必要条件：交流感应电压、小防腐层破损、过负的阴保极化电位。

Panossian[5]提出了“振荡模型”，指出交流电压在管道表面和土壤介质的交界处振荡，致使管道表面的钝化膜被破损从而产生腐蚀。

此外，BS DD CEN/TS 15280-2006[6]提出了交流腐蚀机理模型，认为交流腐蚀的本质与流入流出管道防腐层表面的电流密度密切相关，在交流电流的正负半周期里会发生下列反应式中的反应，长时间作用下，管道将会受到严重的交流干扰腐蚀。

(1)氧化反应：

(7)

(2)还原反应：

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Buchler等[7]也对此比较认可。但是到目前为止研究学者们都是从不同角度去理解交流腐蚀的过程，并未得到统一。对于交流杂散电流对埋地钢质管道的腐蚀机理需更深入的研究探索。

1.2 交流腐蚀影响因素

单纯研究交流腐蚀发生的机理较为复杂且影响因素众多，因此，近年来研究学者们大都从交流杂散电流的各类影响因素入手，单独探究其对交流腐蚀的干扰作用。

(1)交流电流密度 对于埋地钢质管道而言，防腐层破损表面处的交流电流密度大小是影响管道腐蚀速率的主要因素之一。目前研究中所提到的交流电流都是指交流电流有效值，其一般约等于交流电流最大值的0.707倍。

大部分学者试验结果认为腐蚀速率随着交流电流密度的增加而增加[8]，并且随着交流密度的增加，腐蚀电位逐渐负向偏移，腐蚀表面也由光滑变粗糙、由均匀腐蚀变为局部腐蚀、点蚀[9]。但是不同的学者得到腐蚀速率并不是一直随电流密度的增加而增加。Williams[8]认为电流密度超过一定范围后腐蚀速率基本保持稳定；Wang[10]在实验室内模拟格尔木土壤溶液，酸碱度为8.4，利用电化学工作站对管道钢受交流杂散电流干扰时的极化曲线等进行了测量，得到在0～100 A/m2交流干扰下，腐蚀速率随着密度的增加而迅速增加，在100～300 A/m2交流电流密度干扰下，腐蚀速率变化不明显，平缓增加；Xu等[11]在模拟胜利油田土壤溶液，酸碱度为8.95，当交流电流密度从600 A/m2升高到800 A/m2时，腐蚀速率反而降低。Kuang等[12]通过在高酸碱度和中性酸碱度溶液中的电化学试验，得到了不同pH值模拟溶液下诱发钝化膜孔蚀的交流密度限值不同，在高pH值溶液中，临界交流电流密度约为300 A/m2，在中性酸碱度溶液中，临界交流电流密度约为200 A/m2。Wen等[13]总结出坑数或坑面积与交流电流密度之间的关系遵循功率函数y=aib。

针对交流电流密度对腐蚀速率的影响已有不少研究，对于不同范围的电流密度对腐蚀速率的影响规律并不统一，没有建立定量模型，很难定量预测不同的交流电流密度引起的金属腐蚀量的大小，并且实验室不同土壤模拟溶液会对电流密度限值研究结果产生不同的影响，无法进一步证明限值是否有效；长时间腐蚀速率试验中会受到其他各种因素的影响，如何避免需要进一步研究。

(2)交流电流频率 目前大部分研究结论中均发现随着交流电流频率的提高，腐蚀速率降低。Bertocci[14]从交流电流频率对金属/溶液介质界面双电层电容大小的影响方面解释原因，认为交流频率的提高使得导致离子交换的法拉第电流减少，腐蚀速率降低；另有学者从交流干扰周期长短的影响方面解释，Radeka等[15]认为频率的提高使得正负半周期时间缩短，成为阳极的腐蚀量与阴极时的沉积量差值减少，腐蚀在一定程度上被抑制。Guo等[16]发现随着交流频率提高，参与电极反应的交流电流逐渐减小，导致腐蚀速率降低。

除此之外，有研究发现金属的腐蚀速率随交流电流频率的增加先减小后又慢慢增大，腐蚀速率随频率增加而减小的原因与上述分析类似，但腐蚀速率随频率的增加反而增大的现象大都没有做具体的合理解释，因此关于交流频率对腐蚀影响还需要继续深入研究。

(3)交流电波形 学者们对于正弦波、方波、三角波等交流电波形对腐蚀速率的影响已开展试验研究但结论各有不同，部分学者试验发现，三角波对金属钝性的破坏最大，腐蚀速率最高，其次是正弦波和方波，Chin等[17]认为不同波形的交流电峰值电压不同，其中三角波交流电的峰值电压最高，对金属管道腐蚀速率最快；而另有学者通过试验发现腐蚀速率从大到小依次是方波、三角波和正弦波[18]，但对其原因并没有给到明确的解释。目前使用的交流电主要以正弦波为主，方波和三角波涉及较少，因此学者关于波形对埋地管道腐蚀干扰因素的研究较少，但是波形的影响在此问题上是否可以忽略仍然存有疑问，需要试验验证与理论分析。

(4)交流干扰与应力耦合作用 埋地钢质管道由于土壤流失等外界环境因素会受到拉压作用，从而产生应力腐蚀，同时埋地管道又会受到杂散电流干扰腐蚀，因此学者们对交流杂散电流与应力耦合对埋地钢质管道的腐蚀开展了研究。结果发现与单一因素(应力或杂散电流)对埋地管道的腐蚀程度相比，交流杂散电流与应力耦合干扰下的腐蚀程度显著提高，主要表现在试样表面腐蚀坑密度与凹坑深度的增加[19]。另外Wang等[20]在室内试验发现随着拉伸应力的增大，试片的极化曲线与腐蚀电位无论有没有叠加交流杂散电流干扰，腐蚀电流密度都增加；并且在弹性变形区，腐蚀电位与应力近似线性关系，而在塑性变形区腐蚀电位发生突变，应力与腐蚀电位呈非线性关系。同样Xu等[21]认为弹性变形区的影响有限，塑性变形区对阴阳极反应的促进作用更显著；提出塑性变形时应力和变形的不均匀性可能是引发优先局部腐蚀甚至形成裂纹的原因。除此之外，交流杂散电流同时催化阳极溶解量的增加和析氢反应，造成了应力腐蚀开裂敏感性的增加[22]。Zhu等[23]得到了交流电流密度对应力腐蚀的影响限值，Wan等[24]采用慢应变速率拉伸试验(SSRT)、表面分析技术、数据采集技术和电化学测试方法，研究了交流电流密度对管线钢在近中性溶液中应力腐蚀开裂行为，将电流密度限值进一步细化，发现当交流电流密度低于10 A/m2时，由于振荡作用，腐蚀加剧；当交流电流密度不小于30 A/m2时析氢反应使应力腐蚀开裂敏感性增强。

目前研究对于宏观理解交流杂散电流与应力耦合对埋地管道腐蚀干扰具有一定意义，但是弹性、塑性变形区内与腐蚀电位的关系还没有建立一个定量模型描述，工程上无法定量判定腐蚀程度，密度限值的获得仅局限于实验室内的数据，干扰因素不可避免。

(5)其他因素 埋地管道受杂散电流干扰程度还与交流输电线与管道垂直距离、管段平行长度、输电线相线的布置关系、输电线的负载交流电流及其频率、电力系统的供电方式以及管道防腐层的电阻率、管道纵向电阻、管道走向、管道所在地区的土壤电阻率等因素相关。研究显示：管道交流感应电压与输电线间的垂直距离呈反比[25]，并且管道与输电线平行时比垂直时受到的干扰更大[26]。

对防腐层而言，电阻率的提高能够抑制腐蚀速率，防腐层破损面积越大，腐蚀速率反而越小[27]，但并不是缺陷面积越小腐蚀越严重，Heim等[28]通过实验室浸泡腐蚀试验发现，当缺陷面积为0.01 cm2时不会发生腐蚀，破损面积为0.03 cm2时腐蚀现象不明显，缺陷面积在1.00 cm2左右腐蚀速率比较大。仿真研究发现缺陷处的电流密度分布并不均匀，较小的涂层缺陷会产生较严重的涂层分层现象[29]，因此在工程检测上需要着重关注较小的涂层缺陷情况，及时采取措施修补防护[30]。

针对土壤模拟溶液，电阻率越低，腐蚀越容易发生，陈振华[31]建立了交流电流密度与交流电压、土壤电阻率之间的函数关系式，但模型是在忽略防腐涂层和极化电阻的情况下建立的。

2 交流杂散电流评价标准

交流杂散电流评价标准主要从交流电流密度、交直流电流比值以及感应交流电压几方面来评估埋地管道受交流杂散电流干扰程度，表1汇总了近年来国内外关于各评价指标的常用标准。

表1 交流杂散电流评价标准

目前工程上普遍采用的评判标准还是通过交流电流密度来进行评价，指标如表2所示，但是对于发生交流腐蚀的电流密度限值指标有所不同。此前德国曾给出发生交流腐蚀的电流密度为20 A/m2[32]，但目前大部分国家的标准还是按照30 A/m2来评判。表3为交直流电流密度之比，表4为感应交流电流与直流电流之比，两者本质上是相同的，但不同的标准在发生交流腐蚀的限值上仍然不同，因此目前重点开展关于杂散电流干扰评价标准的补充修订工作，改善标准不统一的问题，提升评价标准的适应性及可靠性。表5、表6为不同土壤环境下的感应电压评价指标，其评价带有一定的局限性，首先感应电压不便测量，其次若感应电压较大同时防腐层破损面积较大，其上流出点的电流密度较小，产生的干扰腐蚀不会太大。虽然对腐蚀的评价并不十分准确，但是对其他设施以及人身安全需要感应电压指标来评判。

表2 交流杂散电流密度评价指标

表3 EN 12954中的电流密度比值指标

表4 BS DD CEN/TS 15280-2006中感应交流电流与直流电流比值指标

表5 基于土壤酸碱度的交流感应电压限值

表6 基于土壤电阻率的交流感应电压限值及腐蚀情况

3 交流杂散电流检测及防护技术现状

3.1 交流杂散电流检测技术

图2汇总了目前工程上进行杂散电流干扰程度评价检测参数、检测方法及监测设备。其中传统的杂散电流检测方法包括管地电位测量法、地电位梯度测量法、密间隔电位法(CIPS)、探针测试法以及腐蚀试片测量等[33]。随着现场埋地管道受杂散电流干扰情况愈加复杂，对杂散电流检测的智能化、精细化提出了更高层次的要求，近年来随着现代检测技术的发展，杂散电流智能测试仪(Stray Current Mapper，SCM)、集成+分布监测系统等被应用到现场检测中[34，35]。

参照SY/T 0087、GB/T 21246、GB/T 50698、GB/T 19285等杂散电流干扰评价标准，可以采用包括电压和电流检查、密间隔管地电位测试、地电位测量等初步确定杂散电流干扰的位置、干扰情况、干扰距离等，然后采用SCM杂散电流检测仪、分布式检测系统以及探针电流测量法确定严重管段的杂散电流干扰类别、干扰程度和杂散电流流入流出点[36]。但是各种检测方法有自身优点同时又有一定的局限性，如表7所示。

表7 杂散电流检测方法优缺点

综上所述，目前检测设备中进口设备占比较大，价格较贵，对人员的技术依赖程度较高；国产化设备的抗干扰能力较差、可以评价的参数过于单一、现场应用较少，其检测的精度和可靠度还有待现场应用验证。高精度的检测设备加上智能化、集成化监测系统仍然是杂散电流检测发展的趋势，因此要加强国产化高精度、智能化检测设备研发，推广远程在线实时监测技术的发展。

3.2 交流杂散电流防护技术

目前对于杂散电流腐蚀的防护措施一般采取“以防为主，以排为辅，防排结合，加强监测”的综合防护措施。一是干扰源头侧防止杂散电流的产生，干扰源头包括电气化轨道交通系统、高压输电线路等，除此之外管道方要采取预防措施避免杂散电流的干扰；二是对已经产生杂散电流干扰的管道采取各种排流等防护措施。

预防措施包括在新建设管道之初就要考虑到避开电气化轨道交通轨线、高压输电线路等，采用较耐腐蚀的管材并且管道表面选用高阻值防腐涂层，安装绝缘接头将管道分成电位基本接近的等势体，提前安装阴极保护设施等。除此之外在已产生交流杂散电流干扰的管道需采取针对性的排流方法，如表8中所示，各类排流方式都各有优缺点。总的来说传统排流方法较为老旧，有阴极保护等复杂情况下的排流效果并不理想，固态去耦合器等虽排流效果较好，但是由于国内在产品选型、缓解设计、安装中存在诸多技术空白与误区，造成了固态去耦合器在一定程度上的滥用，并且缺少对于固态去耦合器产品的技术规格进行规范指导的标准[37]。

表8 交流杂散电流排流方法

4 结 论

综上所述，交流腐蚀研究已经有百年历史，但是腐蚀机理仍有很大争议。由于交流腐蚀作用机理较为复杂，因此近年来研究学者们大部分从交流腐蚀的各类影响因素入手来探究交流电流对埋地钢质管道的腐蚀干扰现象，已经做了大量的研究，得出了各影响参数的研究结果。但是部分结论具有局限性，并且存有争议。除此之外大部分研究只是定性描述产生的现象，缺少定量计算和数学模型的建立。随着研究的深入进行，利用计算机仿真软件对交流腐蚀过程进行连续的模拟，可以实现交流腐蚀的实时监测、检测，准确预测交流腐蚀的发生及发展等是未来发展大趋势。

由于交流腐蚀机理不清楚，对交流评价标准以及防护技术都带来了一定的困难。目前已有的交流腐蚀评价和防护方法很多，但是在工程应用中仍然有很多不足，评价标准不统一。因此工程上怎样对埋地钢制管道的交流腐蚀风险更精确的评价，以及采取更有针对性更行之有效的排流方式还需要更深入的研究。

目前杂散电流排流防护方式老旧、排流产品标准规范、技术要求不明确，复杂系统环境下的联合防护技术指导标准缺失问题严重，无法保障排流效果。理论成果应该与工程应用结合起来才能真正解决工程问题。