交流干扰下埋地管道外加电流阴极保护应用分析
郭 勇， 丁继峰， 高志贤， 尹 安， 张 波， 杨朝晖， 李向阳
(1. 青岛钢研纳克检测防护技术有限公司， 山东 青岛 266071；
2 . 钢铁研究总院， 北京 100081；
3. 中国钢研科技集团有限公司北京材料基因组工程先进创新中心， 北京 100081)
随着经济的高速发展，高压输电线路和高速铁路在国内大范围建设，交流干扰影响随之而来，特别是对于埋地钢质管道，交流干扰会造成管道的交流腐蚀。早期人们认为交流干扰造成的腐蚀轻微，但随着管道防腐层等级的不断提高，管道上产生的交流干扰电压增大，造成的交流腐蚀危害越来越受到了人们的重视。在没有交流干扰的情况下，埋地管道的阴极保护系统能够阻止或减缓土壤环境的腐蚀，然而交流杂散电流造成埋地钢质管道的腐蚀问题更加复杂化。
据报道，欧洲、北美和我国曾发生过多起交流干扰腐蚀，虽然管道的保护电位符合传统的阴极保护准则要求，但是埋地钢质管道依然遭受交流干扰腐蚀的情况[1]。
西气东输管道某管段受到包兰电气化铁路的交流干扰，在外检测过程中，开挖检测一处防腐层破损点，发现防腐层有划伤，在管道上防腐层破损处呈现椭圆形腐蚀坑，腐蚀坑深度为0.9 mm，在该处测得管道阴极保护电位(vs CSE)为-1.11～ -1.16 V，而交流干扰电位达23 V，因此虽然阴极保护电位满足标准要求，但管道却发生了腐蚀[2]。
杜晨阳等研究发现在常规条件下，参照传统的-850 mV(vs CSE)阴极保护标准时，在交流干扰下试样并不能得到有效保护，被保护的金属试样处于一种加速腐蚀、自然腐蚀和阻碍腐蚀的周期性状态，从而降低了阴极保护效果，使金属发生了明显的腐蚀[3]。
丁清苗等研究了X70 钢在模拟土壤溶液中的腐蚀行为，发现在交流干扰弱时，阴极保护准则为-815 mV(vs SCE)；
交流干扰强时，阴极保护准则为-835 mV(vs SCE)，传统的阴极保护标准的电位准则已不适用[4]。王新华等研究发现，在没有阴极保护条件下，通过室内模拟试验构建数学模型，当交流电流密度小于30 A/m2时，交流腐蚀很小；
当交流电流密度在30～100 A/m2时，腐蚀危害较大；
当交流电流密度大于100 A/m2时，交流腐蚀危害很大[5]。
许立宁等[6]构建了交流腐蚀模拟试验装置，通过控制交流电流，研究交流腐蚀的规律，发现加载于试片上的交流电流密度增大后，腐蚀速率显著增大，交流干扰腐蚀的严重程度还与试片表面的腐蚀产物有关，沉积物致密时，腐蚀电流下降，腐蚀速率降低。
在交流干扰下，埋地管道的阴极保护效果不能单纯地从电位准则来判定，BS EN 15280:2013[7]和BS ISO 18086:2015[8]规定，应将管道上的交流电压降低至15 V 或更小；
在测量时间段内，1 cm2试样或探针上应保持交流电流密度低于30 A/m2，如果交流电流密度大于30 A/m2，则在1 cm2的试样或探针上阴极保护电流密度应低于1 A/m2，或在测量时间段之内，保持交流电流密度和直流电流密度(Jac/Jdc)之比小于5。交流杂散电流干扰下的埋地钢质管道阴极保护效果需要多种指标的评价准则。
本工作通过模拟试验，在交流干扰条件下，在实验室模拟埋地管道及试片，通过改变外加阴极保护电流输出，即控制直流电源，监测模拟管道的试片上阴极保护参数，研究试片阴极保护效果与交流腐蚀风险之间的相互关系，研究阴极保护系统防护交流干扰的规律。
本试验中采用现场取土壤试样，取样地点为广东省惠州市丘陵地段，埋地管道附近土壤类型是红壤，检测土壤pH 值为7.0 呈中性，离子含量如表1 所示，在实验室添加蒸馏水，稀释至饱和状态。
表1 土壤离子含量Table 1 Soil ion content for experimental
交流调压电源选用STG-500W 型可调电源；
直流电源选用TXN-15020 型可调电源；
数据监测设备采用uDL2 数据记录仪。
试验装置如图1，通电电路由交流干扰电路和直流阴极输出电路组成，交流电路设置电容器，直流电路设置电感，防止交流和直流电路相互干扰。
电容器的型号CD135S，额定容量是450 V 2 200 UF，电感型号为I764201。
图1 干扰试验装置示意图Fig. 1 Schematic diagram of experimental setup for interference measurements
在试验装置中，采用20 钢试片做模拟管道，试片尺寸为20 mm×50 mm×50 mm，试片四周与一侧表面涂覆防锈漆，另一侧裸露，裸露面积为10 cm2，极化探头材质也为20 钢，面积为1 cm2，用来模拟管道缺陷，极化探头中内置一个饱和硫酸铜参比电极，辅助阳极为碳棒。
交流电源用来提供频率为50 Hz 的正弦波，本次试验固定交流电流有效值为0.18 A。
直流电源模拟阴极保护外加电流设备，模拟交流干扰10 min 后，开始设置直流输出，输出电压为1.0 V，每间隔10 min 调节直流输出电压0.5 V，调节到5.0 V 后，稳定10 min，开始以0.5 V 的降幅降低直流电压输出，即直流输出电压分别为:1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0，4.5，4.0，3.5，3.0，2.5，2.0，1.5，1.0 V。
本文中所有没有说明的电位均是相对于饱和硫酸铜参比电极(CSE)的电位。
2.1 交流干扰参数测试
在试验过程中，记录试片上的交流干扰电压、交流干扰电流密度值，每项数据的采集频率为1 s/个，记录整个试验过程的全部数据。
2.2 阴极保护参数测试
在试验过程中，记录试片上的通电电位，采集频率为1 s/个；
试片断电电位采集频率为10 s/个；
直流电流密度采集频率为1 s/个；
记录整个试验过程的全部数据。
3.1 试片阴极保护断电电位及直流电流密度分析
在杂散电流干扰下，埋地管道的阴极保护参数及干扰程度的检测采用试片法，图2a 是断电电位随时间变化曲线，随着直流输出电压的改变，断电电位先负向偏移后再发生正向偏移，但图中断电电位不是对称式地分布，初始时，断电电位是-0.75 V，随着直流输出电压增大，断电电位迅速负向偏移，在接近-1.10 V 时，虽然增大了直流电压，但试片断电电位基本保持不变，进一步极化受阻。
外加直流电压增大至2.5 V 和降低至2.5 V 的过程中，试片的断电电位接近-1.10 V，即使外加直流电压增大至5.0 V，试片的断电电位也没有明显负移。
随着输出电压继续下降，断电电位开始下降，最后断电电位维持在-0.96 V。
外界输出电压虽然回到初始值，但断电电位负于初始值0.21 V，试验结果表明试片在土壤溶液中的界面形成双电层的过程并不是完全可逆的[9]。
图2b 是试片直流电流密度随时间的变化情况，随着直流输出电压的改变，试片的直流电流密度随着输出电压的改变有规律地改变，但当输出电压有规律地变化时，试片直流电流密度在上升和下降过程中非对称分布，且在直流输出电压下降过程中，试片界面电流密度下降的幅度更大，且最后低于初始值，这可能和界面的结构改变有关。
在阴极电流作用下，界面可能形成保护膜，增大了界面电阻，相同的直流输出电压下，电压下降过程中，试片上的电流更小，电流密度更低。
图2 试片阴极保护断电电位及直流电流密度随时间的变化情况Fig. 2 Cathodic protection off-potential and DC current density monitoring of test coupons under various time
3.2 试片交流干扰电压及电流密度分析
在交流干扰电源恒流输出下，试片上的交流干扰电压和交流干扰电流密度变化情况见图3。
图3a 为试片交流电流密度随时间变化情况，初始时交流电流密度相对稳定，在施加直流电流后，交流电流密度不断下降。
以试片的交流电压除以通过试片的交流电流密度计算试片表面的扩散电阻，反映试片表面交流电流流出的难易，见图3b。
初始时，扩散电阻相对稳定，随着外加直流电压增大，扩散电阻不断上升，可能是试片表面产生了钝化膜或难溶的盐，增加了界面的阻抗，从而造成了扩散电阻的上升[10]。
图3 试片交流电流密度及扩散电阻随时间的变化情况Fig. 3 AC current density and diffusion resistance value monitoring of test coupons under various time
在直流电流作用下，试片的交流电流密度不断下降，交流干扰的腐蚀程度主要取决于交流电流密度[11，12]。
在野外环境中，测试的交流干扰电压值随着参比电极位置的不同变化较大，仅通过交流干扰电压判定干扰程度会造成误判[13]。
BS EN 15280-2013[7]和BS ISO15589-1:2015[14]中明确指出，交流电流密度只能通过试片法或探头法测试获得。
本试验通过模拟安装有阴极保护系统的野外受交流干扰埋地管道，假定在野外工况下，在测试时间内埋地管道遭受的交流干扰程度不变，通过施加直流电流模拟管道上的阴极保护电流，施加恒定的交流电流模拟外部交流干扰，试验测试装置原理与野外工况相同，试验装置能够模拟野外的干扰情况。
在试验过程中，试片表面扩散电阻增大，导致交流电流减小，交流电流密度(电流与试片面积比值)降低，通过施加阴极保护电流降低了试片本身的交流干扰程度。
因此，在野外环境中，通过埋地管道施加阴极保护电流能够减缓交流电流干扰腐蚀，但是据相关文献报道，阴极保护电流过大时，也可能会增大交流干扰腐蚀风险[15]。
3.3 交直流电流密度比值分析
交流电流密度和直流电流密度的比值是国外标准中交流腐蚀的评价指标，其中英国标准DD CEN/TS 15280-2006[16]规定了交直流电流密度比判断交流干扰的评价指标:(1)当Jac/Jdc＜5 时，交直流腐蚀可能性低；
(2)当Jac/Jdc介于5～10 时，交流腐蚀可能性存在，需要结合极化状况、防腐层缺陷面积大小、土壤电阻率等与阴极保护相关的参数做进一步的调查；
(3)当Jac/Jdc＞10 时，发生交流腐蚀的可能性很高，需要采取缓解措施。
张贵喜等[17]研究发现，当Jac＜10 A/m2时，管道阴极保护电位达到-0.85 V(vs CSE)，可以忽略交流干扰；
当10 A /m2＜Jac＜50 A/m2且Jdc＞(Jac-10)/100时，阴极保护处于有效状态；
当Jac＞50 A/m2，若Jdc＜0.4 A/m2，则管道存在交流腐蚀风险，调节Jdc＞(Jac-10)/100，管道受到交流腐蚀的风险降低，但可能产生“过保护”风险。
交流电流密度作为评价交流腐蚀危害的指标越来越受到重视，但是对埋地管道交流电流密度的检测存在困难。
交直流电流密度比值随时间的变化见图4。
由图可知，交直流电流密度比主要取决于直流电流密度，增加直流电流，交直流密度比降低；
减小直流电流，交直流电流密度比增大。
在试验中，交直流电流密度最小比值是14，最大比值大于100，随着直流电压的增大，试片阴极保护断电电位从-0.75 V(vs CSE)极化至接近-1.10 V(vs CSE)，继续增大直流电压试片阴极保护电位变化不大。
即使阴极保护电流密度增大到3 A/m2，交直流电流密度之比仍大于14，按照DD CEN/TS 15280-2006 评价指标，发生交流腐蚀的可能性很高，但因为管道防腐层存在阴极剥离的风险，阴极保护电流不能无限制地增大，因此不能从单纯地提高阴极保护电流的角度来抑制交流杂散电流的腐蚀，需要通过降低试片上交流杂散电流的方式降低交流腐蚀的风险。
图4 试片交直流电流密度之比随时间变化情况Fig. 4 Ratio of AC/DC current density monitoring of test coupons under various time
(1)在试验过程中，通过有规律地改变系统外加直流输出电压，发现试片的断电电位和直流电流密度呈非对称性变化，试片的极化过程不可逆。
在直流输出电压增大的过程中，试片的断电电位极化至-1.10 V(vs CSE)，继续增大直流输出，试片依然保持在-1.10 V，在该腐蚀环境中，试片进一步极化困难，试片阴极保护电位不能无限制地负移。
(2)随着外加直流输出电压的改变，试片的交流电流密度和扩散电阻呈现有规律的变化，交流电流密度随着时间的延长逐步减小，扩散电阻随着时间逐步增大，试片界面反应增大了界面阻抗，降低了交流电流密度。
(3)在试验过程中，试片的交直流密度比值最小达到14，依然大于5，按照目前的交流电流密度评价指标，交流腐蚀的风险较高，降低交流腐蚀的风险不能仅仅通过增大阴极保护电流的方式来实现，而是需要通过降低试片上交流干扰电流的方式来实现。
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