库尔勒碱性土壤环境中交流干扰对X100管线钢阴保电位的影响.pdf

第 39 卷 增刊 2 安全管理与完整性1库尔勒碱性土壤环境中交流干扰对 X10 0管线钢阴保电位的影响罗艳龙1,2 李富宾2 李仕力1,2 陈 杉1,2 刘艳贺1,2 杨 永1,2 王海涛1,2 （1.国家市场监管技术创新中心（油气管道与储存设备安全）北京 100029）（2.中国特种设备检测研究院 北京 100029）摘 要：管道作为运输能源的重要工具，其安全问题一直是人们重点关注的对象，随着 X100 管线在石油天然气运输中的应用越来越多，交流干扰一直被认为是危害埋地钢质管道安全的重要隐患。本文采用电化学测试技术和浸泡试验研究了在碱性土壤溶液中被不同阴保电位（-0.75 V、-0.95 V、-1.1 V、-1.2 V）保护的 X100 管线钢电位受交流干扰电流密度（0 500 A/m2）的影响。结果表明在碱性的库尔勒土壤模拟液中，给体系施加交流干扰后，X100 管线钢平均阴保电位均会发生正向偏移，瞬时电位变化与干扰电流一致，呈现周期性震荡，说明交流干扰会减弱阴保系统的保护能力，但偏移量与阴保电位数值无明显的相关性。关键词：交流干扰 阴极保护电位 电流密度Effect of AC Interference on the Cathodic Protection Potential of X100 Pipeline Steel in Korla Alkaline Soil EnvironmentLuo Yanlong1,2 Li Fubin2 Li Shili1,2 Chen Shan1,2 Liu Yanhe1,2 Yang Yong1,2 Wang Haitao1,2(1.Technology Innovation Center of Oil and Gas Pipeline and Storage Equipment Safety for State Market Regulation Beijing 100029)(2.China Special Equipment Inspection&Research Institute Beijing 100029)Abstract As an important tool for transporting energy,the safety of pipelines has always been a key concern.With the increasing application of X100 pipelines in oil and gas transport,AC interference has always been regarded as an important potential hazard to the safety of buried steel pipelines.In this paper,electrochemical testing techniques and immersion experiments were used to investigate the effects of AC interference current density(0500 A/m2)on the potential of X100 pipeline steel protected by different cathodic protection potentials(-0.75 V,-0.95 V,-1.1 V,-1.2 V)in alkaline soil solution.The results show that in the alkaline kuril soil simulant,after applying AC interference to the system,the average cathodic protection potentials of X100 pipeline steel are all positively shifted,and the instantaneous potential changes are consistent with the interference current,showing periodic oscillations,which indicates that the AC interference will weaken the protection ability of the cathodic protection system,but there is no obvious correlation between the amount of the shift and the value of the cathodic protection potentials.Keywords Alternating current interference Cathodic protection potential Current density中图分类号：X933.4 文献标志码：B文章编号：1673-257X(2023)S2-0001-07 DOI:10.3969/j.issn.1673-257X.2023.S2.001作者简介：罗艳龙（1988 )，男，硕士，工程师，从事压力管道检验检测和材料适用性评价等工作。通讯作者：陈杉，E-mail:。（收稿日期：2022-10-25）1 引言阴极保护技术（简称 CP）是电化学保护技术的一种，其原理是向被腐蚀金属结构物表面施加一个外加电流，被保护结构物成为阴极，从而使金属腐蚀发生安全管理与完整性2道不受腐蚀，但减小 CP 电位或者增大 CP 电流，可以一定程度上避免管道受到交流电流侵蚀。另一看法14-17则认为阴极保护虽然能减缓交流腐蚀，但阴极保护电流增大对于交流电流干扰引起的腐蚀遏制作用不太明显，相反，腐蚀速率会提高，当交流电流密度一定时，阴极保护电流较大时腐蚀速率也较大。以上结果差异可能与管道服役环境中腐蚀敏感性离子的种类和 pH值不同有关，导致腐蚀机理不一致18-21。从 CP 恒电位仪作用机理得知，若交流杂散电流汇聚在图 1 所示的永久参比电极上，会使得该位置直流电位发生偏移，因为汇流点附近的电位一般较低，所以导致管道电位上升增大，在这种情况下，恒电位仪会误判而增大输出电流，可能会导致管道出现过保护的情况，容易造成高强钢等发生氢脆失效。但是实际上交流干扰一般大概率发生在其他位置，而恒电位仪依然进行恒电流输出，导致遭受交流干扰的管段不能及时调整 CP 电流及电位。因此有研究人员提 出2,12,13,22通过恒电位控制来研究交流干扰对于阴极保护效果的作用，这显然是不科学的。尽管人们针对交流电流对于阴极保护的作用进行了大量研究，但是其结论并不一致，这可能和试验条件有很大关系，腐蚀环境的差异可能会对试验结果产生不一样的影响。目前，我国典型的库尔勒土壤环境下，X100 管线钢的阴极保护受到交流电流干扰影响的研究几乎空白。因此，通过电化学方法、浸泡试验、表面状态分析和数值分析，研究交流杂散电流扰动对库尔勒土壤环境 X100 管线钢 CP 含量的影响，对库尔勒碱性土壤环境下带 CP 系统 X100 管线交流杂散电流腐蚀保护提供了理论支持。2 试验方法试验材料为 API X100 管线钢，其化学成分(质量分数，%)为：C 0.051，Mn 1.909，Si 0.216，P 0.010，S 0.004，Cr 0.287，Ni 0.313，Cu 0.139，Al 0.045，Mo 0.250，Ti 0.012，Nb 0.063，V 0.039，Pb 0.002，B 0.000 3，Sn 0.003，As 0.005，Fe 余量。金相组织为少量铁素体和粒状贝氏体。它的抗拉强度在 891 MPa左右，屈服强度(Rp0.2)在 693.9 MPa 左右。腐蚀介质选择库尔勒碱性土壤模拟液，它的成分配比23为：3.170 7 g/L NaCl、0.244 2 g/L CaCl2、2.527 6 g/L Na2SO4、0.146 2 g/L NaHCO3、0.215 6 g/L KNO3、的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生。可以直接通过管道对地电位来确定 CP 系统的有效性。长输管道中使用的阴极保护方法主要为强制电流CP法，其反馈系统如图 1 所示，其工作原理是通过恒电位仪为阴极保护系统提供直流电流，电流流经路径依次为阳极辅助地床、土壤、管道、恒电位仪，电流经过管道防腐层破损处，对管道实现保护作用。恒电位仪通过实时测量的电极电位的变化来自动调节输出电流的大小，即使周围土壤环境、防腐层破损、阳极地床接地电阻等发生变化时，管地电极电位也能稳定在一定的水平。图 1 埋地管道强制电流 CP 系统示意图?CEREWE?研究表明1-3，当阴极保护电位在-850 mV（相对于铜-饱和硫酸铜电极 CSE）附近时，交流干扰会使阴保电位升高，当阴保电位低于-950 mV（相对于饱和甘汞电极 SCE）时4-6，交流干扰使阴保电位降低。然而，一些研究还发现电流密度低于 30 A/m2时，交流干扰并不会对 CP 真实电位测量造成影响7；部分研究表明电流密度低于 30 A/m2时，会使得阴极保护电位为-0.85-1.15 V（CSE）的管道电位负向偏移8；也有部分研究4,9-11发现交流干扰电流密度低于 30 A/m2时，会使得阴保电位为-0.84 V（SCE）的管道电位稍微正移。但当干扰电流密度为 50 150 A/m2时，交流干扰一般会导致阴极保护电位负移。显然，交流干扰会对 CP 系统的防护效果产生影响，使得阴极保护系统的判定标准不能满足管道防护标准的要求。然而杂散电流对于 CP 效果的影响却有2 种不同的看法。其中一种看法1,2,12,13认为尽管在-850 mV 的 CP 电位或 CP 电位相比自然电位负向偏移 100 mV 下，存在交流电流干扰时不能充分保护管第 39 卷 增刊 2 安全管理与完整性30.669 9 g/L MgCl26H2O，pH 值用 NaOH 和乙酸调节到 9.31。样品尺寸为 20 mm20 mm2 mm。试验采用浸泡法，通过电化学工作站（Parstat2273）测量电极电位，试验中试样施加的阴极保护电流密度 分 别 是-0.17 A/m2、-0.25 A/m2、-0.62 A/m2和-2.26 A/m2（对应阴保电位为-0.75 V、-0.95 V、-1.1 V、-1.2 V），交流干扰采用 50 Hz 的 0 A/m2、30 A/m2、100 A/m2及500 A/m2的外加交流电流密度。通常每天（20 28 h 之间）测量 1 次，试验时间约 7天或 8 天。在试验开始之前，利用高频数据采集卡对交流干扰样品进行电极电位采集，频率为 5 000 Hz。参比电极选用饱和甘汞电极（SCE）。试验温度设置为 20。图 2 是电化学试验装置的示意图，主要分为交流干扰回路和电化学测试回路。交流干扰回路由信号发生器、电容、电阻和对辅助极组成。测试回路由电化学工作站、电感及铂电极组成，通过该回路的电化学工作站可以测试试样的开路电位和静电位极化曲线。同时通过交流干扰回路给系统施加频率 50 Hz、不同的交流干扰电流密度，测试其开路电位和动电位极化曲线。试验所采用的试样需经过镶嵌、粗磨、细磨、清洗、吹干等处理。ACWERECESCEPt?10 470 F?100图 2 交流电流干扰下的直流恒电流试验装置示意图图 3 是浸泡试验装置示意图，交流电源选用调压器，通过电容过滤可能出现的直流电流，通过变阻器调整回路中的交流干扰电流密度，交流回路串联的定值电阻可以避免由于样品表面阻抗的变化而导致的交流电流密度的大幅度改变。图 3 浸泡试验装置示意图?3 试验结果与讨论3.1 交流干扰电流密度对 CP 电位的影响当 CP 电位为-0.75 V（0.094 A/m2）、-0.95 V（0.196 A/m2）、-1.1 V（0.54 A/m2）、-1.2 V（2.63 A/m2）左右时，给体系分别施加 0 A/m2、30 A/m2、100 A/m2、500 A/m2的交流干扰电流密度，通过恒电流法测得的 CP 电位的变化情况如图 4 所示，当阴极保护电位小于-1.0 V 时，交流电流干扰导致电位正向偏移，偏移量随着电流密度的增大而增大。在 CP 电流密度比较小的情况下，没有交流干扰时 CP 电位首先逐渐负向偏移，偏移接近-0.95 V 后，再正向偏移直至-0.7 V，一方面可能与试样表面状态有关，另一方面可能是刚施加阴保电流时，阴极电流一部分用于氧的还原，另一部分被试样表面的氧化膜所消耗，但随着时间的进行，表面的氧化膜被溶解，电流主要用于氧的还原，导致电位开始负移，随着时间进一步推进，试样表面会沉积腐蚀产物导致阴极反应的表面积增大，如果阴极保护电位保持恒定，会使得电位正移来减小阴极极化电位，最终达到电流和电位的平衡。当交流干扰电流密度较大时，将交流电流作用于 CP 电流密度为-0.094 A/m2样品（CP 电位约-0.75 V）时，开始电位仍有正向偏移现象，且交流电流密度越大，正移量越大，但当每个样品电位基本趋于稳定时，交流电流为30 A/m2和100 A/m2时CP电位会出现相对负移现象，而交流电流为 500 A/m2时 CP 电位出现正移现象。3.2 交流干扰电流密度对电极电位的影响图 5图 7 分别是浸泡试验完成前，以 5 000 Hz 的频率收集到的 30 A/m2、100 A/m2以及 500 A/m2交流安全管理与完整性4电流扰动下，样品在不同阴极保护电位时的电极电位变化。图中黑点是高频实测电位值，实线是用正弦曲线进行软件拟合的结果，其具体拟合值见表 1表 3。图 4 浸泡试验过程中不同交流电流干扰下的 CP 电位?0.95?0.90?0.85?0.80?0.75?0.70?0.65?0.60 AC 0 A?m2 AC 30 A?m2 AC 100 A?m2 AC 500 A?m2CP?0.094 A?m2?+AC?V?d?AC0123456?1.05?1.00?0.95?0.90?0.85?0.80?0.75?0.70?0.65CP?0.196 A?m2?+AC AC 0 A?m2 AC 30 A?m2 AC 100 A?m2 AC 500 A?m2?V?d?AC01234567?1.2?1.1?1.0?0.9?0.8?0.7?0.6 AC 0 A?m2 AC 30 A?m2 AC 100 A?m2 AC 500 A?m2CP?0.54 A?m2?+AC?V?d?AC01234567?1.25?1.20?1.15?1.10?1.05?1.00?0.95?0.90?0.85?0.80 AC 0 A?m2 AC 30 A?m2 AC 100 A?m2 AC 500 A?m2CP?2.63 A?m2?+AC?V?d?AC图 5 30 A/m2交流电流干扰时不同 CP 电位下试样电极电位?0.90481216?V?s?0.8?0.7?0.6?0.5?0.4CP?0.7 V+30 A?m2?1.4?1.2?1.0?0.8?0.6?0.4?/V0481216?sCP?1.0 V+30 A?m2?1.8?1.6?1.4?1.2?1.0?0.8?0.6?0.4?0.2?/V0481216?sCP?1.1 V+30 A?m2?1.4?1.6?1.2?1.0?0.8?0.6?V024681012?sCP?1.2 V+30 A?m2?第 39 卷 增刊 2 安全管理与完整性5图 6 100 A/m2交流电流干扰时不同 CP 电位下试样电极电位?1.00481216?V?s?0.9?0.8?0.7?0.6?0.4?0.5?CP?0.7 V+100 A?m2?1.2?1.0?0.8?0.6?0.4?0.2?V0481216?s?CP?1.0 V+100 A?m2?2.0?1.5?1.0?0.50.00.5?V0481216?s?CP?1.1 V+100 A?m2?2.0?1.5?1.0?0.5?V024681012?s?CP?1.2 V+100 A?m2图 7 500 A/m2交流电流干扰时不同 CP 电位下试样电极电位?1.20481216?V?s?1.0?0.8?0.6?0.4?0.2?CP?0.7 V+500 A?m20481216?s?2.0?V?1.5?1.0?0.50.00.51.0?CP?1.0 V+500 A?m20481216?s?4.0?3.0?2.0?1.00.01.02.03.0?V?CP?1.1 V+500 A?m2024610812?s?1.5?1.0?0.50.00.5?V?CP?1.2 V+500 A?m2安全管理与完整性6CP 近似电位/V直流成分电位/V电位振幅/V拟合误差（相关系数）-0.7-0.7110.0630.508-1.0-0.9520.2770.892-1.1-1.0680.5650.993-1.2-1.1670.2500.794表 1 交流电流密度为 30 A/m2的试样极化电位以正弦曲线拟合的结果CP 近似电位/V直流成分电位/V电位振幅/V拟合误差（相关系数）-0.7-0.7460.1140.687-1.0-0.8830.1960.808-1.1-1.0320.8170.922-1.2-1.0980.5740.946表 2 交流电流密度为 100 A/m2的试样极化电位以正弦曲线拟合的结果CP 近似电位/V直流成分电位/V电位振幅/V拟合误差（相关系数）-0.7-0.6790.3590.976-1.0-0.6671.3230.994-1.1-0.7892.8530.983-1.2-0.8400.9580.994表 3 交流电流密度为 500 A/m2的试样极化电位以正弦曲线拟合的结果电流干扰密度在 30 A/m2的条件下，样品的电极电位振幅随 CP 电位的变负而增加，但规律性不明显。尽管交流干扰电流密度一致，但拟合曲线振荡幅值有明显差异，这可能与试样表面产物形成的电压降 IR 有关。CP 电位越高拟合误差越大，这可能和样品表面稳定性较差有关。电流干扰密度为100 A/m2和 500 A/m2条件下试样电极电位的变化与 30 A/m2条件下相似，曲线振荡幅值差异较大，但是总体拟合误差在逐渐降低。总体上试样电极电位振幅随干扰电流密度增加而增加。图 8 为在不同交流电流干扰下，试验采集到的阴极保护电位的正弦拟合结果，试验采集频率为 5 000 Hz。图中为交流干扰电流一个循环周期内，阴极保护电位的变化情况，横实线为电位均值，阴保电位与交流干扰电流的振荡周期一致，振幅随交流电流密度的增大而增大，交流电流扰动下电位均值偏移方向和图 4 所测直流电位偏移方向一致。图 9 为干扰电流密度和 CP 偏移量的关系，当 CP电位小于等于-1.0 V 时，CP 电位偏移量随着交流干扰电流密度增大而增大；CP 电位等于-0.7 V 时，CP电位偏移量随着交流干扰电流密度增大先减小后增大；在相同的交流电流密度下，电位偏移量和阴极保护电位数值没有确定的相关性，说明相同交流电流密度下，CP 电位不是电位偏移的主导性影响因素。图 8 不同交流电流干扰下 CP 电位的正弦拟合结果0.0000.0050.0100.0150.020?1.0?0.8?0.6?0.4?V?s CP?0.7 V+AC0 A?m2 CP?0.7 V+AC30 A?m2 CP?0.7 V+AC100 A?m2 CP?0.7 V+AC500 A?m20.0000.0050.0100.0150.020?2.0?1.5?1.0?0.50.00.5 CP?1.0 V+AC0 A?m2 CP?1.0 V+AC30 A?m2 CP?1.0 V+AC100 A?m2 CP?1.0 V+AC500 A?m2?V?s0.0000.0050.0100.0150.020?4?3?2?1012 CP?1.1 V+AC0 A?m2 CP?1.1 V+AC30 A?m2 CP?1.1 V+AC100 A?m2 CP?1.1 V+AC500 A?m2?V?s0.0000.0050.0100.0150.020?2.0?1.5?1.0?0.50.00.5 CP?1.2 V+AC0 A?m2 CP?1.2 V+AC30 A?m2 CP?1.2 V+AC100 A?m2 CP?1.2 V+AC500 A?m2?s?V第 39 卷 增刊 2 安全管理与完整性7图 9 不同交流电流干扰下的 CP 电位偏移量?0.050.000.050.100.150.200.250.300.350.4050010030?V?A?m2?CP?1.2 VCP?1.1 VCP?1.0 VCP?0.7 V04 结论通过研究交流电流干扰对库尔勒碱性土壤环境中X100 管线钢 CP 的影响，结论如下：1）交流干扰电流使 CP 电位正向偏移，且干扰电流的密度越大偏移量越大，使阴保系统的防护越差。2）从实时采集到的交流扰动后电位的变化关系来看，交流电流扰动引起电极电位周期性振荡，其振荡周期和交流电流周期一致，且振幅随交流电流密度的增大而变大。3）电位偏移量与阴极保护电位数值之间并不存在确定的相关性，表明在同一交流电流密度范围内 CP电位并非电位偏移的主导因素。参考文献1 Xu L Y,Su X,Cheng Y F.Effect of alternating current on cathodic protection on pipelinesJ.Corrosion Science,2013,66:263-268.2 Kuang D,Cheng Y F.Effects of alternating current interference on cathodic protection potential and its effectiveness for corrosion protection of pipelinesJ.Corrosion Engineering,Science and Technology,2017,52(01):22-28.3 Wang L,Cheng L,Li J,et al.Combined effect of alternating current interference and cathodic protection on pitting corrosion and stress corrosion cracking behavior of X70 pipeline steel in near-neutral pH environmentJ.Materials,2018,11(04):465.4 Wang H,Du C,Liu Z,et al.Effect of alternating current on the cathodic protection and interface structure of X80 steelJ.Materials,2017,10(08):851.5 杨永.X100管线钢交流杂散电流腐蚀行为及机理研究 D.北京:北京工业大学,2020.6 杨永,罗艳龙,孙明,等.油气管道交流杂散电流腐蚀研究进展 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