APP  >> Vol. 9 No. 5 (May 2019)

    埋地金属管道杂散电流腐化影响身分的研究
    Influence Factors of Stray-Current Corrosion of Buried Metal Pipeline

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作者:  

孟凡星,张亚萍,张佳磊:中国石油大年夜学(华东)理学院,山东 青岛

关键词:
埋地管道杂散电流影响身分管地电压 Buried Pipeline Scattered Current Impact Factors Pipe Voltage

摘要:

埋地管道由于腐化泄漏会形成弗成估计的影响,杂散电流的腐化感化严重影响埋地管道的正常应用,研究杂散电流腐化影响身分以提出公道有效的防腐化办法是非常须要的。今朝在不合外加电压和不合泥土情况下对杂散电流大年夜小的研究鲜有报导。经过过程实验室模仿,采取近参比电极法对管地电位停止丈量,研究了在不合外加电压和不合泥土情况下管道的腐化行动,成果注解,应用涂层保护可以在必定程度上克制腐化;在必定含量范围内,随着NaCl质量分数的增长,管地电位值出现增大年夜趋势;在必定深度范围内,随着埋地深度的增长,管地电位逐步降低;随着外加电压的增长,管地电位逐步增长。

Buried pipeline leakage due to corrosion will cause immeasurable impact. The corrosion effect of stray current will seriously affect the normal use of buried pipeline, and it is necessary to study the factors affecting stray current corrosion to put forward reasonable and effective anti-corrosion measures. There is rare news research about the size of the stray current in different applied voltages and under the different conditions of different soil. Through the laboratory simulation, the recent reference electrode method is adapted to pipe-to-soil potential measurements, and the corrosion behavior of pipeline is studied in different applied voltages and under different soil environments. The results showed that the use of coating protection can suppress the corrosion to a certain extent. Within a certain content range, with the increase of NaCl mass fraction, the ground potential showed an increasing trend. In a certain depth range, with the increase of the buried depth, the ground potential gradually decreases; with the increase of applied voltage, the ground potential increases gradually.

1. 引言

杂散电流是指设计的或规定回路以外活动的电流,其对金属形成的腐化破坏感化称为杂散电流搅扰腐化,简称电蚀 [1] 。近年来随着科技的生长和城市电气化程度的赓续进步,愈来愈多的地下工程建成并投入应用,随之而来的杂散电流腐化成绩也变得愈来愈严重 [2] 。对此,国表里科研任务者广泛展开了大年夜量研究任务,李长春等 [3] 研究了直流杂散电流腐化速度与电流强度的关系,指出随着电流强度的增大年夜,试片腐化速度也随之增大年夜。G. Lucca等 [4] 提出了一种非肯定性的研究办法,用于研究有轨电车线路对邻近地区埋地管道产生的杂散电流的影响。李志宏 [5] 对埋地钢制管道杂散电流腐化检测参数的选择及丈量办法停止了研究。今朝,关于泥土外部情况及牵引直流电压对管地电位的影响鲜有报导,本文经过过程自立搭建实验装配,停止了不合泥土情况下杂散电流腐化影响的实验模仿,商量影响杂散电流腐化影响的身分,为提出有效靠得住的腐化防护办法供给必定的基本性实际和实际指导。

2. 实验部分

2.1. 腐化道理

轨道交通体系产生的杂散电流对埋地金属管道腐化,本质上是电化学腐化,属于部分腐化,其道理类似于天然腐化,即阳极其正极,金属停止氧化反响,杂散电流由管道流出,经过电化学腐化后以铁离子的情势进四周介质中,是以阳极区即为腐化区。阴极其负极,停止复原反响。杂散电流从泥土进入金属管道的处所带负电,处于阴极区的管道,假设电位过负时,管道外面会有大年夜量氢析出,形成防腐涂层的破坏和剥离,从而加重阴极区的腐化 [6] [7] [8] 。其腐化过程在不合情况下产生以下不合反响 [9] [10] [11] :

1) 当金属铁处于酸性电解质中,产生的是析氢腐化,重要反响以下:

阳极反响: 2 Fe 2 Fe 2 + + 4 e

阴极反响: 4 H + + 4 e 2 H 2

4 H 2 O + 4 e 4 OH + 2 H 2

2) 当金属铁处于碱性电解质中,产生的是吸氧腐化,重要反响以下:

阳极反响: 2 Fe 2 Fe 2 + + 4 e

阴极反响: O 2 + 4 H + + 4 e 2 H 2 O ;

O 2 + 2 H 2 O + 4 e 4 OH

上述两种反响平日都邑生成Fe(OH)2,然则Fe(OH)2很不稳定,从管道外面析出时轻易遭到氧化变成Fe(OH)3。生成的Fe(OH)3会持续被介质中的氧气氧化成棕色的Fe2O3∙xH2O (红铁锈的重要成分),而Fe(OH)3可以进一步生成Fe3O4 (黑铁锈的重要成分)。杂散电流具有集中腐化的特点,防腐层破损点面积越小,邻近杂散电流密度越大年夜,管道越轻易被腐化穿孔。反响机理如图1所示。

Figure 1. Schematic diagram of corrosion perforation

图1. 腐化穿孔道理图

在防腐层遭到破坏以后,管道外面的金属与四周介质直接接触,金属外面也会出现不合程度的破损,破损点四周离子浓度增长,招致破损点邻近泥土电阻率降低,杂散电流穿过破损点到金属管道外面,构成腐化区。杂散电流集中于管道的某一点,蚀孔随时间的延续赓续加深,乃至穿孔。

直流牵引供电体系下杂散电流分布如图2所示, I 1 为直流牵引电流, I 2 为轨道回流电流, I 3 为杂散电流。

Figure 2. Schematic diagram of current distribution in subway system

图2. 地铁体系电流分布表示图

在一个间隔为L的供电区间里,从轨道泄漏到大年夜地的杂散电流满足以下关系:

I 3 = 1 12 I 1 R R g L 2 (1)

式(1)中

R g :每千米钢轨的对地电阻(过渡电阻),单位是 Ω km

R:每千米钢轨阻抗,单位是 Ω km

I 1 :机车的牵引电流,单位是A;

I 3 :腐化电流,单位是A;

L:变电站间距,单位是km。

由(1)式可知,轨道泄漏到大年夜地的杂散电流与钢轨纵向电阻R、变电站间距L的平方和机车的牵引电流 I 1 成正比,与钢轨对地电阻 R g 成正比。关于实际运转中的地铁或轻轨,变电站间距、轨地过渡电阻和走行轨电阻一旦肯定就很难改变,是以,机车牵引电流对杂散电流的影响最大年夜,当增大年夜机车牵引电流时,走行轨泄漏的杂散电流就会随之增长,对管道构造产生的腐化也将会减轻。

根据Faraday电解第必定律,金属遭受构造损掉量 Δ W 和从金属释放出杂散电流的电量Q成正比,即

Δ W = k Q = k I 3 Δ t (2)

式(2)中:

Δ W :金属在 Δ t 时间内的析出量,kg;

Q:在 Δ t 时间内流过金属的电量,C;

k:金属的电化学当量;

I 3 :腐化电流,A;

Δ t :通电时间,s。

当腐化电流的大年夜小已知时,便可根据式(2)计算出照应金属腐化量的大年夜小。是以监测杂散电流的大年夜小便可推算出金属的腐化量即管道的腐化程度大年夜小。根据计算可知,1 A杂散电流一年将腐化掉落9.13 kg钢铁。而现代城市轨道交通采取直流电力牵引的供电方法,供电电压大年夜多为750 V、1500 V和3000 V,由大年夜庆石油管理局油田扶植设计研究院对城市轨道交通走形轨上牵引电流值的分析,得出在牵引能耗为57.23 KW/h时,列车的牵引电流达到了1277.7 A [12] ,因而可知杂散电流的腐化伤害性巨大年夜。

鉴于杂散电流丈量的复杂性,实际上常常采取泄漏电流惹起的电位极化偏移值(管地电位)或泥土电位梯度作为直接目标来评价腐化程度,个中管地电位法是剖断杂散电流腐化最为罕见的办法。管地电位既可以反应管道的腐化特点,又可以反应杂散电流的搅扰特点,常作为杂散电流腐化后果评价的重要根据之一 [13] 。

本文用实验模仿的办法研究杂散电流的腐化影响身分,采取近参比电极法对管地电位停止丈量。在实验室条件下严格按照工程实际施工请求,搭建简略单纯的杂散电流腐化实验装配。选用直径为4 mm的304 L stainless steel tube模仿钢制埋地管道,其长度为400 mm (长度与直径比为100:1),并且严格按照《SH/T 3022-2011石油化工设备和管道涂料防腐化设计标准》在模仿钢制管道外面涂抹环氧树脂涂层。对实验模仿所得数据停止体系分析,为杂散电流腐化评价供给必定的实际及实际指导。

2.2. 实验办法与内容

2.2.1. 实验装配设计

实验模仿装配如图3所示。在一个绝缘的塑料制成的方描述器中填满粒度分布均匀的泥土,采取一段与直流电源连接的电阻丝模仿轨道平铺在泥土的外面,将其与开关、滑线变阻器和毫安电流表串连,外加直流电压代替行走钢轨模仿均匀激起电场。管道四周对称放置铜板四块,起到集中电场的后果,在泥土中埋入一段金属管道,在金属管道上每隔3.0 cm焊接金属导线并引出到空中。经过过程数字万用表与参比电极相连,参比电极选用饱和Cu/CuSO4,竖直放入管道邻近的泥土中。以泥土质量为参考,公道计算、称量样品含量,经过过程有序地向泥土中参加必定量的水分,NaCl溶液,从而达到改变泥土介质外部情况的目标。

Figure 3. Diagram of experimental device

图3. 实验装配图

2.2.2. 实验材料

实验材料为304 L stainless steel tube管线钢,其化学成分见表1

Table 1. Chemical composition of 304 L pipeline steel

表1. 304 L管线钢的化学成分

2.2.3. 腐化测试

评价埋地管道能否产生腐化的重要参数之一是管地电位的大年夜小 [14] 。是以,在埋地管道平常管理过程当中,管地电位的精确丈量相当重要。而精度高、稳定性较好的参比电极是停止电位丈量和腐化监测必弗成少的构成部件。本文采取饱和Cu/CuSO4参比电极停止管地电位丈量,便携式Cu/CuSO4参比电极注入蒸馏水以后便可应用,可以或许便捷、精确的丈量管地电位。其具有电位稳定,精度较高,耐腐化、丈量数据精确靠得住,环保不污染情况,应用寿命较长等长处常作为管地电位丈量的重要对象 [15] 。

3. 成果与评论辩论

3.1. 防护涂层对管地电位的影响

配制质量分数0.1%的NaCl溶液3.1 L,在室温下将其均匀混淆于泥土中,等待2小时,分别将有涂层保护的金属管道和无涂层保护的金属管道在泥土中平行埋入3.0 cm的深度,经过过程控制开关给体系施加电压20 V,管道的管地电位在测试点停止测试,经过过程数字万用表丈量测试点的管地电位,采样时间间隔为1小时。获得不应时间下有没有涂层保护管道管地电位分布规律曲线如图4所示。

Figure 4. Comparison of ground voltage of metal tubes with or without protective coating at different times

图4. 不应时间下有没有涂层保护管地电位比较

图4可知,无涂层保护的管道比有涂层保护的管道管地电位更高,电压为20 V时,受保护管道的电位为−0.65 V至−0.35 V,而无保护管道上的电位为−0.15 V至−0.00 V,解释无防护涂层管道腐化程度大年夜于有涂层保护管道,应用涂层保护达到了较有效的防护后果。防腐涂层是指涂敷在金属外面上使其与四周介质隔离,构成防腐绝缘层,但研究注解,涂层总有必定的透气性和透水性,涂层弗成能达到完全樊篱的感化,涂层的防腐感化是由于涂层增大年夜了腐化电池回路的电阻,从而使金属的阳极融化速度大年夜幅度减小。涂抹环氧树脂涂层即在浅显管道外面制备一层环氧树脂薄膜保护层,涂层厚度普通在0.15~0.30 mm [16] 。环氧树脂涂层以其耐腐化性强、附出力强、孔隙率低、化学稳定性高等优良的性能特点,一向是管道安然技巧范畴中最经常使用的材料,且涂层制备本钱低,实用于大年夜范围普及应用。

3.2. NaCl含量对管地电压的影响

泥土介质中可溶性盐分的构成和含量,决定了泥土的电导率、酸碱度,对金属在泥土中的腐化速度起到重要的感化 [17] [18] 。应用0.1 g精度天平和烧杯配制质量分数为0.1%的NaCl溶液3.1 L,进一步配制NaCl质量分数为0.1%的泥土,在此基本上配制0.2%,0.3%的泥土。丈量有涂层保护下金属管道在不合NaCl含量下的管地电位,实验装配不变,给体系施加电压20 V,2小时以后,在每个测试点雷同的时间间隔内丈量管地电位5次取均匀值,获得不合NaCl浓度下管地电位分布规律如图5所示。

Figure 5. Ground voltage of metal pipeline with protective coating at different concentrations

图5. 不合浓度下有防护涂层金属管道管地电压

图5可见,在必定含量范围内,随着NaCl质量分数的增长,管地电位值出现增大年夜趋势,注解NaCl含量增大年夜会使杂散电流腐化程度加强。当NaCl含量为0.3 wt%时,管地电位在−0.11 V~−0.00 V之间动摇,与含量为0.1 wt%、0.2 wt%时的管地电位值比拟明显进步。这主如果由于在泥土可溶性盐分中,氯离子半径比较小,可以或许穿透钝化膜,有较强的渗透渗出性。当氯离子进入泥土介质达到管线外面,在腐化电池产生的电场感化下,氯离子赓续朝阳极区迁徙,会产生以下反响 [19] [20] :

2 CI + Fe 2 + FeCI 2 (3)

如式(3)所示, CI Fe 2 + 结合生成可溶于水的 FeCI 2 ,而 FeCI 2 不稳定,易与阴极区的 OH 生成 Fe ( OH ) 2 ,同时 CI 被释放出来,新的 CI 又朝阳极区会聚,融化更多的 Fe 2 + CI 在腐化过程当中未被消费,如此反复,加快管线的阳极反响。是以随着NaCl含量增长,泥土中 CI 数量增多,其融化的 Fe 2 + 增多,导致管道腐化程度加大年夜。

但当钢管中有电流畅过时,氯离子侵入钢管的方法有别于天然情况下的分散方法,由于氯离子在泥土介质中参与离子导电过程,当有杂散电流存在时,受该电流影响,氯离子在泥土外部的传输偏向和速度均能够产生改变,这将使得埋地管道腐蚀程度加重,并能够招致其构造经久性的严重退步 [21] [22] 。是以,对杂散电流影响下氯离子向泥土介质外部的传输特点也有待于进一步研究。

3.3. 埋地深度对管地电位的影响

泥土是一种包含固相物质、液相物质、气相物质的复杂多相体系 [23] ,其理化性质随深度的改变而产生改变,如不合土层深度含氧量不合,将直接影响钢管的腐化机理。是以,埋地深度在必定程度上影响了管道在泥土中腐化行动。实验过程华夏实验装配保持不变,在NaCl浓度为0.1%时,仅改变无涂层保护金属管道埋入泥土的深度,分别为3.0 cm、6.0 cm、9.0 cm,给体系施加电压20 V,2小时以后,在每个测试点雷同的时间间隔内丈量管地电位5次取均匀值,获得不合深度下管地电位分布规律如图6所示。

Figure 6. Ground potential measured at different epths at the same concentration

图6. 不合埋地深度测试点管地电位

图6可知,必定深度范围内,在外加电压雷同的情况下,随着埋地深度的增长,金属管道的管地电位逐步降低,杂散电流腐化程度逐步减轻。在埋地深度9.0 cm处,管地电位曾经降到了−0.64 V。这主如果由于当埋地深度增长时,离子迁徙的阻力增大年夜,是以达到金属管道外面的粒子数量增添,阳极的氧化反响将会被减弱。并且由于泥土对空气的分散有妨碍感化,招致不合深度的泥土中氧气浓度存在差别,埋地位置越深,金属外面的氧气浓度越低,氧的复原过程也会遭到必定程度的克制,是以阳极融化速度变慢,杂散电流腐化程度减轻。

3.4. 外加电压对管地电位的影响

实验过程华夏实验装配不变,在NaCl浓度为0.1%时,改变实验电极间电压,分别为5.0 V、15.0 V、25.0 V,给实验电极施加电压2小时以后,在每个测试点雷同的时间间隔内丈量管地电位5次取均匀值,获得不合外加电压下管地电位分布规律如图7所示。

Figure 7. Ground potential measured under different applied voltages in test points

图7. 不合外加电压下测试点的管地电位

图7可知,随着外加电压的增长,管线的管地电位逐步增长。在测试点2的地位,当管地电位从−0.58 V上升到−0.28 V时,外加电压也从5 V上升到25 V,腐化程度逐步加重。因而可知,在工程实际中,公道控制机车牵引电压是降低管地电位的有效手段。今朝,国际城市轨道交通大年夜多装置了钢轨电位限制装配,但还没有同一标准来定义钢轨电位的正常范围,实际情况与设计料想也存在必定的差别。有关机车牵引电压的最优化设计,有待进一步研究。

4. 结论

应用实验室模仿,采取近参比电极法丈量管地电位可以较精确测定管道腐化程度,测定不合泥土情况对腐化程度的影响,总结腐化影响规律,成果注解,应用涂层保护可以在必定程度上克制腐化;在必定范围内,管地电位与管道埋地深度、外加电压、NaCl含量都呈必定的线性关系。具有较高的研究价值与工程应用价值。但由于实验场地、技巧条件、科研经费等多方面仍存在局限性,例如关于搭建的简略单纯防护装配不克不及完全满足实际工程施工请求,是以关于该课题的研究尚待进一步深刻。随着愈来愈多的地下工程建成,腐化防护仍将是研究热点,在国表里浩大研究学者的赓续尽力下,在腐化微不雅机理、影响身分、防护办法等范畴的研究将进一步深化和生长,腐化防护体系将加倍完美和健全。

致 谢

张亚萍师长教员对研究课题停止的全部过程都赐与了极大年夜的关怀和赞助。在研究主题肯定、研究成绩落实、研究办法设计,师生之间保持了优胜的沟通,常常就相干成绩停止广泛而深刻的商量。在论文撰写与修改中投入了大年夜量时间和精力,在进修上给了我精确的引导,张师长教员对科研一丝不苟、对任务卖力担任、对先生忘我的关怀,积极乐不雅的生活立场,让我收获颇丰。在此向张师长教员表示真诚的谢意。

基金项目

教导部高等黉舍教授教化研究项目(DWJZW201603hd);大年夜先生创新练习筹划项目(20171474)。

NOTES

*通信作者。

文章援用:
孟凡星, 张亚萍, 张佳磊. 埋地金属管道杂散电流腐化影响身分的研究[J]. 应用物理, 2019, 9(5): 250-258. https://doi.org/10.12677/APP.2019.95030

参考文献

[1] 高延宁, 王凤军, 王志刚, 等. 长输管线杂散电流腐化检测与防护[J]. 油气地步面工程, 2002, 21(3): 25-26.
[2] 张瑞. 地铁车站杂散电流腐化防护办法研究[J]. 低碳世界, 2018(5): 259-260.
[3] 李长春. 埋地钢质管道直流杂散电流腐化机理及影响身分研究[J]. 中国新技巧新产品, 2017(1): 50-51.
[4] Lucca, G. (2015) Estimating Stray Current Interference from DC Traction Lines on Buried Pipelines by Means of a Monte Carlo Algorithm. Electrical Engineering, 97, 277-286.
https://doi.org/10.1007/s00202-015-0333-6
[5] 李志宏. 埋地钢制管道杂散电流腐化检测参数的选择及丈量办法研究[J]. 轻工科技, 2015(1): 95-96.
[6] 钱建华, 闫永贵, 李威力. 城市轨道交通杂散电流对埋地管线腐化的影响[J]. 腐化迷信与防护技巧, 2009, 21(3): 250-251.
[7] 汪洋, 张亚萍, 韩秀虹, 等. 减小来自阴极保护装配杂散电流搅扰的实验商量[J]. 现代物理, 2015, 5(3): 65-71.
[8] 朱王晶. 阴极极化对590高强钢及其焊接件氢脆敏理性影响的研究[D]: [硕士学位论文]. 青岛: 青岛科技大年夜学, 2014.
[9] 封琼, 张亚萍, 余豪, 于濂清, 李焰. 泥土电阻率对埋地管道杂散电流腐化影响的研究停顿[J]. 应用物理, 2015, 5(10): 123-130.
[10] Zhang, Y.P., Feng, Q., Yu, L.Q., et al. (2019) Numerical Modelling of Buried Pipelines under DC Stray Current Corrosion. Journal of Electrochemical Science and Engineering, 9, 125-134.
https://doi.org/10.5599/jese.567
[11] 李可. 金属管道的电化学腐化与防护[J]. 油气地步面工程, 2013, 32(5): 118.
[12] 大年夜庆石油管理局油田扶植设计研究院. 钢质管道及储罐防腐化工程设计标准: SYJ 7-84[M]. 北京: 石油工业出版社, 1984.
[13] 封琼, 张亚萍, 汪洋, 等. 基于埋地金属管道杂散电流的腐化与防护[J]. 腐化与防护, 2017, 38(2): 91-95.
[14] 胡士信. 阴极保护工程手册[M]. 北京: 化学工业出版社, 1999.
[15] 徐承伟, 李树新, 张一峰, 等. 一种可应用于冻土区的便携式Cu/CuSO4参比电极[J]. 周全腐化控制, 2014, 28(7): 45-48.
[16] 张曼曼. 埋地管道防腐层破损对阴极保护参数影响规律研究[D]: [硕士学位论文]. 北京: 中公平易近航大年夜学, 2016.
[17] 何文寿, 刘阳春, 何进宇. 宁夏不合类型盐渍化泥土水溶盐含量与其电导率的关系[J]. 干旱地区农业研究, 2010, 28(1): 111-116.
[18] 吴月茹, 王维真, 王海兵, 等. 采取新电导率目标分析泥土盐分变更规律[J]. 泥土学报, 2011, 48(4): 869-873.
[19] Lü, G.C., Xu, C.C., Lü, Y.M., et al. (2008) The Enrichment of Chloride Anion in the Oc-cluded Cell and Its Effect on Stress Corrosion Crack of 304 Stainless Steel in Low Chloride Concentration Solution. Chinese Journal of Chemical Engineering, 16, 646-649.
https://doi.org/10.1016/S1004-9541(08)60135-4
[20] Huang, H.L., Pan, Z.Q., Guo, X.P., et al. (2014) Effects of Direct Current Electric Field on Corrosion Behaviour of Copper, CI− Ion Migration Behaviour and Dendrites Growth under Thin Electrolyte Layer. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 24, 285-291.
https://doi.org/10.1016/S1003-6326(14)63059-4
[21] 耿健, 丁庆军, 孙家瑛, 等. 杂散电流影响下氯离子向混凝土外部的传输特点[J]. 修建材料学报, 2010, 13(1): 121-124.
[22] 朱瑶宏, 邹玉生, 耿健, 等. 杂散电流对氯离子在混凝土外部迁徙过程的影响[J]. 武汉理工大年夜学学报, 2012, 34(7): 32-36.
[23] 应蓉蓉, 林玉锁, 段光亮. 泥土情况保护标准体系框架研究[J]. 情况保护, 2015, 43(7): 60-63.