高压直流干扰下X80钢在不同土壤中的腐蚀行为

李彩霞,刘 洋,许振昌,杜艳霞

(北京科技大学新材料技术研究院,北京 100083)

相比于高压交流输电技术,高压直流(HVDC)输电技术在长距离、大容量输电等方面占据优势,且具有低损耗、可实现不同电网互联等优点,因此,近些年HVDC输电系统在我国大规模建设。HVDC输电主要有双极运行和单极运行2种运行模式,其中,双极运行可认为是2套单极运行的耦合,在检修或故障时会自动转入单极运行模式。当其以单极大地回线方式运行时,使用大地作为电流回路的一部分,大量直流电流由一端接地极注入大地并沿大地流向另一端接地极。入地电流可能被附近的埋地金属结构物吸收、传递、释放,造成严重的直流干扰,带来人身伤害、设备损坏和金属腐蚀风险[1]。

全世界已经报道了多起地下金属设施受到HVDC干扰的案例。Quebec-New England Intertie高压直流系统单极运行对周围金属结构物造成了直流干扰,附近原油和天然气管道的管地电位偏移900 mV[2];CAROLI等[3]研究表明距离巴西Ibiúna接地极东南3 km处的灌溉管道受±600 kV直流输电工程的干扰,当管道中部通过绝缘法兰隔离时,该位置的管道对土壤的电势从21 V下降到-46 V,足以引起电击。BI等[4]测试了受哈密南接地极干扰的西气东输管道,当放电电流为5 000 A时,在距接地极约35 km处管道的极化电位由-0.85 V正向偏移至约0.5 V,表明存在高风险腐蚀。秦润之等[5]测量了距从化接地极7 km管道的管地电位和泄漏电流密度。结果发现:当接地极阴极放电3 200 A时,距离接地极最近位置的管地电位高达304 V,峰值泄漏电流密度达82 A/m2;当接地极阳极放电为2 400 A时,管地电位的最大值和峰值泄漏电流密度分别是-211 V和-488 A/m2。

以上案例表明,高压直流输电系统接地极单极运行会对埋地管道造成较大的干扰,同国外案例相比,国内案例具有干扰电位幅值高、影响范围大等特点,但目前国内关于大幅值高压直流干扰对管道的腐蚀危害缺乏准确认识和有效评判方法。部分学者近年来开展了室内模拟试验研究,以探讨高压直流干扰下不同参数的变化规律及对管道腐蚀行为的影响[6-13]。李丹丹[10]在NS4土壤模拟溶液和管道沿线土壤中开展了室内模拟试验,研究了HVDC干扰强度对管道腐蚀行为的影响,认为试样在NS4土壤模拟溶液和管道沿线土壤中试样分别腐蚀5 d和14 d后,电流流出点的腐蚀速率与电流密度呈线性相关。符传福等[11]在含水率为15.80%(质量分数)的海南土壤中进行了室内直流干扰腐蚀模拟试验,结果表明,当平均电流密度达到14.2 A/m2时,Q235钢的腐蚀速率约为16.71 mm/a。秦润之等[12]通过室内模拟试验,同步监测了直流电流密度、试样周围局部环境参数、腐蚀速率、腐蚀形貌,研究了高压直流干扰下X80钢在广东黏土中的腐蚀行为,得出干扰下电流密度呈现3阶段变化规律,但电流密度数值有差异。张慧等[13]研究了高压直流干扰下X80钢在不同含水率的广东黏土中的腐蚀行为,结果表明,土壤含水率越高,X80钢的腐蚀速率越大。已有研究表明土壤环境是影响高压直流干扰下管线钢腐蚀速率的重要因素,但目前缺少管线钢在不同环境中遭受高压直流干扰情况下的腐蚀速率对比分析。

笔者通过室内模拟试验比较了大幅值高压直流干扰电位下X80管线钢在黏土和砂土两种实际土壤环境中的腐蚀速率、电流密度、试样周围局部环境参数、腐蚀形貌的差异,以期得到X80钢腐蚀行为与土壤环境的关系。

1 试验

1.1 试样

试验材料为X80钢,其化学成分(质量分数)为:C 0.070%,Si 0.21%,Mn 1.61%,P 0.0081%,S 0.0025%,Mo 0.13%,Ni 0.12%,Cu 0,14%,Nb 0.041%,Ti 0.012%,Fe余量。

将X80钢加工成尺寸为φ18 mm×3 mm的圆柱体试样,用SiC砂纸(200～8000号)逐级打磨试样表面,使之光滑并无明显划痕后,用丙酮超声波水浴清洗,以清除表面油脂,用无水乙醇冲洗并用冷风快速吹干后编号,采用精度为0.1 mg的电子天平称量并记录原始质量。最后将试样放入聚四氟乙烯夹具中,背面与导线相连,仅暴露正面特定的工作面积。

试验介质为两种实际土壤,一种为取自四川的黏土,另一种为取自新疆的砂土。两种土壤的电阻率、含水率和及离子组成(5 g土壤溶于30 mL去离子水后测得质量浓度,mg·L-1)如表1所示。

表1 两种土壤的电阻率、含水率和离子含量Tab. 1 Resistivity, water content and ion content of the soils

1.2 试验装置

搭建了高压直流干扰模拟试验装置,如图1所示,装置回路包括土壤实验箱、干扰回路和测试回路。土壤实验箱尺寸为20 cm×10 cm×8 cm,采用三电极体系,即工作电极(WE,X80钢试样)、饱和甘汞参比电极(RE)和辅助电极(CE,Cu板)。直流干扰回路由HSPY-400-01型直流电源连接工作电极与辅助电极构成,干扰回路中串联有10 Ω的分流电阻和记录仪,用于评估直流电流,记录仪计数频率为1 s,结合试样暴露面积获得直流电流密度。测试回路由 Gamry Reference 3000型电化学工作站连接三电极体系构成。

1.3 试验方法

如图1所示,试验装置搭建完成后静置2 h,待试样开路电位稳定后,通过直流电源施加100 V干扰电位1 h。用记录仪监测分流电阻电位的变化,并使用分流电阻和记录仪监测试样上电流密度的变化。

图1 高压直流干扰模拟试验装置示意Fig. 1 Schematic diagram of HVDC interference simulation test device

为了考察高压直流干扰过程中试样周围局部环境的变化,监测了试样在土壤中扩散电阻(Rsoil)的变化。Rsoil代表试片与参比电极之间单位面积的电阻(Ω·cm2),与试样的形状、面积及土壤电阻率等因素相关[14-15],Rsoil的计算公式见式(1)。

(1)

式中:UAC是试样的交流电压,V;JAC是流经试样的交流电流密度,A/cm2;S是试样面积,cm2。高压直流干扰过程中,通过电化学工作站测试干扰前后试片和参比电极之间扩散电阻的变化,扰动交流电频率为50 Hz,电流密度为1 A/m2。

为了考察高压直流干扰过程中试样周围局部环境的变化,监测了试样近表面含水率的变化。干扰结束后,将距试样表面1 cm的土壤取出,通过烘干法计算试样近表面土壤的含水率。

干扰试验结束后,将试样取出并用毛刷清理浮土,用相机拍照,观察宏观腐蚀形貌。然后使用D8 Advance型X射线衍射仪对腐蚀产物进行物相分析;使用日立GSM-6510A型扫描电子显微镜进行微观形貌观察及元素成分分析。

采用酸洗液(500 mL盐酸+500 mL去离子水+3.5 g六次甲基四胺)浸泡试样15 min以去除表面的腐蚀产物,随后使用去离子水冲洗、酒精超声波清洗,待试样清洗完毕用冷风吹干。最后,使用精度为0.000 1 g的电子天平称量以获得腐蚀质量损失,腐蚀速率由公式(2)计算得出。

(2)

式中:Vcorr为腐蚀速率,μm/h;W0为试样腐蚀前质量,g;W为试样腐蚀后质量,g;S为试样暴露的面积,cm2;t为测试时间,h;ρ为试样的密度,g/cm3。

2 结果与讨论

2.1 高压直流干扰下试样的腐蚀速率和宏观腐蚀形貌

由图2可见:经过1 h高压直流干扰(100 V),试样在黏土和砂土环境中的腐蚀速率分别为10.77 μm/h和1.27 μm/h,即在相同的高压直流干扰条件下,试样在黏土中的腐蚀速率是在砂土中的8.5倍。

图2 100 V高压直流干扰1 h条件下,试样在不同土壤环境中的腐蚀速率Fig. 2 Corrosion rates of samples in different soil environments under the condition of 100 V HVDC for 1 hour

由图3可见:经过1 h高压直流干扰后,在两种环境中的试样发生了不同程度的腐蚀。黏土中试样表面腐蚀产物较为疏松,大量的红褐色和墨绿色腐蚀产物交杂在一起,腐蚀不均匀;酸洗后,基体光泽消失。砂土中试样表面腐蚀产物较松散,呈黄褐色,质地较疏松。将试样与表面土壤分离时部分腐蚀产物会脱落,且有部分难以分离的土壤留在试样表面。黏土中试样的腐蚀程度明显比砂土中的严重。

(a) 黏土环境,酸洗前 (b) 沙土环境,酸洗前

(c) 黏土环境,酸洗后 (d) 沙土环境,酸洗后图3 100 V高压直流干扰1 h后,试样在不同土壤环境中的腐蚀形貌Fig. 3 Corrosion morphology of samples in clay soil environment (a,c) and sandy soil environment (b,d) after 1 hour of 100 V HVDC interference

2.2 高压直流干扰过程中试样的电流密度变化规律

由图4可见:在黏土和砂土环境中,试样的电流密度变化曲线均呈现了三个阶段,即干扰施加瞬间,试样的直流电流密度迅速上升;达到峰值后,电流密度快速下降;最后电流密度趋于稳定,略有波动但幅度不大。在黏土环境中,高压直流干扰电位施加瞬间,电流密度瞬时增大到678 A/m2;然后电流密度快速下降,约在600 s时下降速率逐渐减小;最后电流密度趋于稳定,稳定值约为80 A/m2,局部出现小幅波动,电流密度稳定值约占峰值的11.8%。在砂土环境中,高压直流干扰电位施加瞬间,试样的电流密度瞬时增加到35 A/m2;然后电流密度快速下降,在约680 s时下降速率逐渐减小;最后电流密度趋于稳定,稳定值约为3 A/m2,电流密度稳定值约占峰值的8.5%。即试样在黏土环境中的电流密度峰值和稳定值分别是在砂土环境中的19倍和27倍。

(a) 黏土环境

(b) 砂土环境图4 100 V高压直流干扰下,试样在两种环境中的腐蚀电流密度变化曲线Fig. 4 Corrosion current density variation curve of the sample under 100 V HVDC interference in clay soil environment (a) and sandy soil environment (b)

2.3 高压直流干扰下试样周围局部土壤的环境参数

由图5可见:干扰前,黏土和砂土中试样近表面土壤含水率分别为21%和6.2%,黏土中试样近表面土壤含水率是砂土的3.4倍;经过1 h干扰后,黏土中试样近表面土壤含水率为13.04%,较干扰前下降了7.96%,砂土中试样近表面土壤含水率为5.6%,较干扰前仅下降了0.6%。

图5 100 V高压直流干扰前后,不同环境中试样近表面土壤的含水率Fig. 5 Moisture content of soil near the surface of samples in different environments before and after 100 V HVDC interference

由图6可见:干扰前,黏土和砂土的Rsoil分别为0.912 kΩ·cm2和20.26 kΩ·cm2,砂土的Rsoil是黏土的22.2倍;经过1 h干扰后,黏土中Rsoil为3.021 kΩ·cm2,是干扰前的3.3倍,砂土中Rsoil为32.7 kΩ·cm2,是干扰前的1.6倍。

图6 100 V高压直流干扰前后,不同环境中试样近表面土壤的扩散电阻Fig. 6 Rsoil of soil near the surface of samples in different environments before and after 100 V HVDC interference

2.4 高压直流干扰下试样表面微观腐蚀形貌和成分

由图7可见:经过1 h高压直流干扰后,黏土中试样表面存在大量薄片状和花状的产物,分析认为该产物为γ-FeOOH,局部区域出现大块平坦的黑色层片,可能为Fe3O4,同时观察到基体局部出现裂纹;XRD结果表明,腐蚀产物主要为γ-FeOOH、Fe2O3和Fe3O4[16-20]。

(a) SEM

(b) XRD图7 100 V高压直流干扰1 h后,黏土环境中试样表面腐蚀产物的SEM形貌及和XRD图谱Fig. 7 SEM morphology (a) and XRD pattern (b) of corrosion products on the surface of sampels in clay soil after 100 V HVDC interference for 1 hour

由图8可见:经过1 h高压直流干扰后,砂土中试样表面腐蚀产物是松散且均匀分布的,部分区域没有腐蚀痕迹,甚至可以观察到制样过程中基体表面的划痕。采用XRD只能测得腐蚀产物中含有基体中的Fe及土壤中的SiO2。

(a) SEM

(b) XRD图8 100 V高压直流干扰1 h后,砂土环境中试样表面腐蚀产物的SEM形貌及和XRD图谱Fig. 8 SEM morphology (a) and XRD pattern (b) of corrosion products on the surface of sampels in sandy soil after 100 V HVDC interference for 1 hour

2.5 讨论

综上,经过100 V高压直流干扰1 h后,试样在黏土和砂土环境中的腐蚀速率分别为10.77μm/h和1.27 μm/h,试样在黏土环境中的腐蚀速率是在砂土环境中的8.5倍,两者差异较大。高压直流干扰过程中,黏土和砂土环境中试样的电流密度均呈现3阶段变化规律,而试样在黏土环境中的电流密度峰值和稳定值分别为678 A/m2和80 A/m2,在砂土环境中的电流密度峰值和稳定值分别为35 A/m2和3 A/m2,即干扰过程中,试样在黏土环境中的电流密度大于在砂土环境中的,这与试样在两种环境中腐蚀速率测量结果相对应。可以认为试样在两种土壤中的腐蚀速率差异较大是由电流密度引起的。结合欧姆定律,电流密度与试样在土壤中的扩散电阻呈反比,干扰前,试样在黏土环境中的扩散电阻为0.912 kΩ·cm2,在砂土环境中的扩散电阻为20.26 kΩ·cm2,是在黏土中的22.2倍;干扰后,试样在黏土环境中的扩散电阻为3.021 kΩ·cm2,在砂土环境中的扩散电阻为32.7 kΩ·cm2,是在黏土中的10.8倍。干扰过程中,试样在砂土环境中的扩散电阻均大于黏土环境中的,导致试样在黏土环境中的电流密度更大。干扰前,黏土和砂土的土壤电阻率分别为27.7 Ω·m和388 Ω·m,砂土的土壤电阻率是黏土的14倍;干扰后,由于只是试样周围局部土壤环境发生了变化,无法测得干扰后的土壤电阻率,故根据扩散电阻和土壤电阻率的关系,黏土和砂土的土壤电阻率分别为69 Ω·m和743 Ω·m,砂土的土壤电阻率是黏土的10.8倍,干扰过程中砂土的土壤电阻率大于黏土,导致了砂土中的扩散电阻大于黏土。土壤电阻率主要取决于土壤含水率,土壤越湿,含水率越高,导电性能就越好,土壤电阻率就越小;反之就越大。干扰前后,黏土的含水率均大于砂土,所以干扰过程中黏土的土壤电阻率小于砂土。

高压直流干扰过程中腐蚀产物的生成过程均为Fe2+生成Fe(OH)2进而与O2结合,并伴随脱水反应。100 V高压直流干扰1 h后,砂土中试样的腐蚀速率较小,腐蚀程度较轻,不能确定腐蚀产物。黏土中试样的主要腐蚀产物为γ-FeOOH、Fe2O3和Fe3O4,反应见式(3)～(7)。

(3)

(4)

(5)

(6)

3Fe3O4+4H2O

(7)

利用欧姆定律测得试样在黏土环境中的电流密度稳定值为331 A/m2,远大于实测值80 A/m2。这可能是由于电流密度稳定值是干扰电位、热量的产生与扩散、水分的渗透、土壤结构与物化性质等多种因素共同作用的结果,分流电阻的电流测试存在误差、分流电阻的电流与流经试样的电流存在误差、土壤扩散电阻测试存在误差等最终造成测量结果存在误差。

3 结论

(1) 100 V高压直流干扰1 h后,X80钢试样在黏土和砂土环境中的腐蚀速率分别为10.77 μm/h和1.27 μm/h,说明土壤环境对于高压直流干扰腐蚀速率评估有重要影响。

(2) 高压直流干扰过程中黏土和砂土中试样的电流密度均呈现3阶段变化规律,在黏土中的电流密度峰值和稳定值分别为678 A/m2和80 A/m2,在砂土中的电流密度峰值和稳定值分别为35 A/m2和3 A/m2,这与试样在黏土中的腐蚀速率大于砂土中的相对应。

(3) 结合欧姆定律,电流密度与试样在土壤中的扩散电阻呈反比关系,干扰前后,试样在砂土中的扩散电阻分别是黏土的 22.2倍和10.8倍,试样在黏土中的电流密度大于在砂土中的。

(4) 100 V高压直流干扰1 h后,XRD结果表明黏土中试样表面的主要腐蚀产物为γ-FeOOH、Fe2O3和Fe3O4;而砂土中试样的腐蚀速率较小,腐蚀程度较轻,只能测出试样基体的Fe和土壤中的SiO2。