直流杂散电流对埋地管道腐蚀规律及干扰影响的研究进展

王 军，吴 昀，张 响，杜艳霞，朱 敏，李自力

(1.浙江省白马湖实验室有限公司，浙江 杭州 310000；2.浙江能源天然气集团有限公司，浙江 杭州 310000；3.中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580)

0 前 言

直流杂散电流主要由高压直流输电系统的接地极、阴极保护系统的阳极地床和地铁等直流电流源产生，其加速了埋地管道的腐蚀，对管道系统的安全运行造成严重威胁[1，2]。高压直流输电因具有输送能力强、造价较低等众多优点而得到广泛应用，高压直流输电线路与埋地管道同处公共走廊的现象比较常见，当高压直流输电系统出现故障时，接地极在短时间内能释放大量电流，迅速抬高附近地电场。处于该电场的埋地管道防腐层和阴极保护设备可能被击穿破坏，管道电位可能过高而威胁到管道工作人员的安全，强制电流阴极保护系统的稳定性得不到保证而影响管道正常运行；由于管道并行或同沟敷设、油气站场合建等带来的阴极保护系统间的干扰，也加速了管道的腐蚀，给日常检测及管理带来诸多不便；由于地铁长期处于运行状态，且多数时间为几台机车同时运行，产生的地铁动态杂散电流导致管道中出现正、负极交替的复杂电位变化，使防护工作难度加大。因此，总结分析直流杂散电流对埋地管道的影响规律具有重要意义。

本文从直流杂散电流对金属材料的腐蚀规律和对埋地管道的干扰影响两个方面进行了总结，对直流干扰下埋地管道腐蚀规律研究存在的不足进行了探讨，对未来的研究方向进行了展望。

1 直流杂散电流对金属材料的腐蚀规律

直流杂散电流按类型可以分为稳态直流和动态直流。Wang[3]对直流干扰下X70 钢的极化特性进行了研究，结果表明当电流密度大于180 A/m2时，X70 钢的电化学行为发生明显改变。因此以下将大于180 A/m2的稳态电流密度称为稳态大直流，反之称为稳态小直流。

1.1 稳态小直流对金属材料的腐蚀规律

1.1.1 电化学行为

稳态小直流干扰下金属材料的电化学行为研究相对成熟。研究者通过对直流干扰下金属材料电位-时间曲线、极化曲线和交流阻抗谱的测试，得到腐蚀电位、腐蚀电流密度、塔菲尔斜率以及极化电阻等一系列电化学参数，进一步表征出金属材料的电化学行为。

谭铮辉等[4]对土壤中的Q235 镀锌扁钢施加不同天数的50 A/m2恒定直流干扰，测试其电化学阻抗谱和弱极化曲线，与未施加直流干扰相比，Q235 镀锌扁钢在直流干扰下的容抗弧更小，阻抗谱的拟合结果也显示直流干扰下极化电阻值(结合层电阻与电荷转移电阻之和)更小，表明直流干扰加速了Q235 镀锌扁钢的腐蚀，由弱极化曲线拟合所得腐蚀电流密度也证实了这一点。在不同的干扰天数下，腐蚀电流密度呈现先快速减小后趋于稳定的变化趋势。这是由材料表面活性、含氧量以及腐蚀产物共同作用所致。当达到平衡，就呈现出一个稳定的腐蚀电流密度。

杨超等[5-7]基于三电极体系在土壤模拟溶液中施加0～2.5 A 的电流，对X65 钢工作电极形成干扰电场以模拟杂散电流干扰。随着干扰电场的加强，X65 钢腐蚀电位先变正后变负，表面反应电阻由于钝化膜的形成与溶解表现出先增大后减小的变化，施加大于1 A的电流后，X65 钢阳极与阴极塔菲尔斜率之比远大于1，腐蚀由阳极反应控制。此外，杨超等还通过极化曲线研究了0～200 A/m2直流杂散电流对X65 钢的影响，发现100 A/m2直流干扰(发生钝化)除外，X65 钢的腐蚀电位和腐蚀电流密度均随着电流密度的增大而增大，腐蚀由阳极反应控制。

张文博[8]研究了6 V 直流电不同干扰时间下(0 ～24 h)X70 钢的电化学行为，不同干扰时间下测得的极化曲线形状相似，自腐蚀电位和腐蚀电流均随着时间的延长先增大后减小，其原因是腐蚀产物逐渐形成并堆积增加了界面电阻。不同干扰时间下的电化学阻抗谱的高频和低频区均出现容抗弧，低频区容抗弧大小基本不变，而高频区容抗弧大小呈无规律变化。

范玥铭[9]搭建室内涂层破损模拟装置，测试了涂层破损点及缝隙内距破损点不同距离的测试点在0 ～10 V 直流干扰下的电位曲线、极化曲线和交流阻抗谱。研究发现直流干扰下缝隙内金属在不同阴极保护电位下的保护深度和腐蚀电流密度分别小于和明显大于无干扰时。涂层破损点处阳极、阴极塔菲尔斜率之比随干扰电压的增大而增大，且都大于1，表明腐蚀是由阳极反应控制。缝隙内金属的极化电阻随干扰电压的增大而减小，表明腐蚀速度增大。

曹阿林[10]研究了A3 钢在土壤中直流杂散电流阴极极化下的剥离行为。阴极极化电流(40 ～120 A/m2)通过直流电源施加，阴极极化下A3 钢电位负移，阴极反应主要是析氢反应。研究发现随着阴极电流密度的增大，A3 钢涂层剥离面积先增大后基本保持不变。崔艳雨等[11]搭建涂层剥离模拟装置，对直流干扰1，5，9 d剥离点处的X80 钢进行电化学测试，干扰强度为0，1，2，3 V。研究表明不同剥离深度点处的腐蚀电流密度随直流干扰强度的增大而增大。当干扰强度为3 V时，腐蚀速度随着剥离深度的增加而减小，随着腐蚀时间的增加而增大。

此外，Wang 等[12]进行了电化学测量和表面分析，研究了5～35 A/m2直流杂散电流和应力对X80 钢腐蚀的影响。Qian 等[13]发现施加0.1～10.0 A/m2直流杂散电流时，阳极和阴极区域钢的阴极保护电位分别向正方向和负方向移动。

1.1.2 腐蚀影响

直流杂散电流对金属的腐蚀符合法拉第定律，金属材料的腐蚀速率随着干扰电流密度的增大而增大，腐蚀形式主要为点蚀。

余建飞等[14]将Q235 钢试样与直流电源正极相连，在鹰潭酸性土壤介质中施加0 ～16 A/m2直流干扰，持续3 个星期。试样发生严重的局部腐蚀，腐蚀产物主要成分为Fe3O4和SiO2，结构松散，已经达不到保护试样的效果。

李兆玲等[15]应用失重法研究30 ～150 A/m2直流干扰电流对X65 钢的腐蚀影响，同时改变土壤模拟溶液中氯离子浓度以研究影响杂散电流腐蚀的关键因素，结果证明随着电流密度增大，X65 钢的腐蚀速率和最大腐蚀坑深均随之增大。随着氯离子浓度增大，腐蚀速率几乎不变，得出影响杂散电流腐蚀的关键因素是电流密度，与氯离子浓度无关。

祝郦伟等[16]利用直流电流源在含水率15.8%的土壤介质中加载8 A 恒电流，2 个裸露面积为1 cm2的试片通过导线串联放置在该土壤中，检测到流过试片的电流仅有0.2～0.7 A。通电12 d 后，受到阳极干扰的试片腐蚀速率很大，是自然腐蚀的61 倍，而受到阴极干扰的试片得到了一定的保护，腐蚀速率只有自然腐蚀的16.7%，腐蚀产物为多孔结构，经X 射线衍射仪分析，主要成分为Fe2O3及Fe3O4。

曹阿林[10]通过电化学测试系统对X70、A3 和16Mn 钢进行动电位扫描，模拟杂散电流干扰，扫描范围-1.5～8.5 V，通过显微镜观察杂散电流干扰后的腐蚀形貌，结果显示3 种材料电极表面都产生黑色腐蚀产物，A3 钢表面发生了点蚀。

范玥铭[9]在室内模拟装置研究破损点及缝隙内距破损点不同距离的X80 钢在0 ～10 V 直流干扰下的腐蚀形貌，发现当干扰电压大于5 V 时，缝隙内各测试点X80 钢表面出现很多点蚀坑，局部腐蚀比较严重。

有不少学者应用分形理论研究直流杂散电流对金属材料的腐蚀影响。王燕等[17]、王力伟等[18]的研究表明分形维数与腐蚀严重程度具有对应关系，呈指数变化。应用“盒子”维法计算直流干扰下Q235 钢、X70 钢腐蚀形貌的分形维数，分形维数随干扰电流密度的增大而增大，表明腐蚀速率的增大，这也得到了浸泡试验的验证。

大多数研究者研究的杂散电流腐蚀介质为土壤或者土壤模拟溶液，张明等[19]则研究了在SO2大气介质中Q235 钢的直流杂散电流腐蚀行为，开展了室内加速试验和户外试验，发现直流电流对Q235 钢SO2腐蚀影响较小。

1.2 稳态大直流对金属材料的腐蚀规律

目前针对稳态大直流干扰下金属材料腐蚀规律的研究较少，且主要集中在金属材料腐蚀影响的研究，对金属材料在稳态大直流干扰下的电化学行为研究很稀缺。

在200 ～1 200 A/m2大直流对工作电极X70 钢进行干扰的同时，Wang 等[20]进行了Tafel 极化曲线测试，结果表明E-I极化曲线是线性的，提出了线性拟合方法拟合直流干扰下Tafel 极化曲线的数据，建立了极化电阻Rp和电流密度之间的数学关系。X70 钢的腐蚀电位随着直流电流密度的增大而正移。用光学显微镜分析了钢表面的变化，腐蚀形貌表明X70 钢在直流干扰下发生了点蚀和缝隙腐蚀。

朱志平等[21]通过弱极化曲线测试、电化学阻抗谱测试和失重测试研究直流杂散电流和SO42-浓度对接地网材料在土壤的腐蚀行为，直流干扰强度为100，250，400 A/m2，电化学测试均在直流干扰30 d 后进行。研究结果表明直流杂散电流的影响比SO42-更大，电荷转移电阻Rt和极化电阻RP均随着SO42-浓度及直流干扰强度的增大而减小。

宋吟蔚[22]在室内试验装置中使用恒电流源产生0～1 500 A/m2大电流，模拟杂散电流对试片进行阳极干扰，研究在不同的电流密度、土壤电导率和土壤酸碱度下，试片的腐蚀速率和腐蚀形貌特征。结果证明试片腐蚀速率随电流密度线性增大，并通过回归分析建立了三因素与腐蚀速率的数学关系。对于腐蚀形貌的研究，应用分形理论中的计盒维数法，建立了分形维数与电流密度的指数关系式，发现分形维数能够表征腐蚀形貌的平整性，从而反映试片的腐蚀程度。

李长春等[23]在NaCl 溶液中对裸露面积为28 cm2的20 钢分别施加0.1 ～3.0 A 的阳极电流，失重法计算所得腐蚀速率随电流密度线性增大，符合法拉第电解定律。在直流干扰下，20 钢(阳极)表面生成浅绿色腐蚀产物，铜电极(阴极)表面产生气泡。王亚群[24]研究发现在300 A/m2直流电场中浸泡30 d 的X65 试片的流出点腐蚀明显，但未观察到点蚀。

秦润之等[25]将X80 钢与高压直流电源正极相连，辅助电极与负极相连，在土壤中构造成高压直流干扰回路，对X80 钢施加50～300 V 干扰测试X80 钢电流-时间曲线，并将该曲线划分为3 个阶段，即:上升阶段、下降阶段和稳定阶段。电流密度值在几秒内便达到最大值，然后在较短时间内快速下降，紧接着便达到了长时间的稳定阶段，电流密度只有小幅度的波动。通过失重法计算了腐蚀速率，结果表明X80 钢的腐蚀速率随着干扰电压的增大并不呈线性变化，而是先增大后减小。腐蚀产物经光谱分析证实为α- Fe2O3。

林龙镔[26]研究了地铁杂散电流和氯离子共同作用对钢纤维混凝土的影响，自制腐蚀试验装置，对不同氯离子浓度下钢纤维混凝土试件施加为期3 d 的60 V 的直流干扰，试件阳极侧出现大量腐蚀产物，材料强度明显降低，试验结果表明，在相同直流干扰下，氯离子浓度越高，钢纤维腐蚀越严重。

1.3 动态直流对金属材料的腐蚀规律

相较于稳态直流，动态直流干扰下金属材料的腐蚀规律研究较少且不够深入，腐蚀机理方面并未达成共识[27]。

王新华等[28]利用脉冲信号发生器结合功率放大器产生频率为5 ～30 Hz、直流电流密度为5 ～35 A/m2的信号模拟地铁动态直流，动态直流干扰下的浸泡试验证明，试片的腐蚀速率随动态干扰频率的升高而增大，随干扰电流密度线性增大。各因素影响试片腐蚀速率大小排序为:干扰电流密度＞土壤电导率＞动态干扰频率＞土壤pH 值。

张玉星等[29]将Q235 钢连接直流电源正极，通过干扰回路里的断路器的通断产生脉冲电流，模拟地铁动态杂散电流，电源干扰电压设为0.5 ～10.0 V，断路器设置为通0.3 s 断10.0 s，测试Q235 钢的电位-时间曲线，并计算不同总试验天数的腐蚀速率。结果表明Q235 钢的电位随直流干扰电压的增大而正移，动态干扰下的腐蚀速率相对于恒电压干扰要小很多，但随着总试验天数增加到3.5 个月，Q235 钢的腐蚀深度可达1 mm。改变断路器接通的时间以模拟不同的干扰电流频率，结果表明腐蚀速率不仅跟干扰电压有关，还要考虑电流频率。

以上两位学者分别模拟了动态干扰电压和动态干扰电流，但对金属材料均为阳极干扰，没有体现出地铁动态杂散电流的阴阳极交替干扰特性。Huo 等[30]以试片阴极保护电位为基准，利用低频正弦波作为动态干扰信号叠加在试片阴极保护电位上，正弦波的周期是1 min，振幅为250 mV，观察发现动态干扰下主要发生了局部腐蚀。陈奔[31]也以正弦信号模拟动态杂散电流，测试干扰2 h 后20 钢的极化曲线和电化学阻抗谱，研究发现当正弦信号频率增加时，20 钢的腐蚀速率减小，界面阻抗先大幅减小然后趋于稳定。

2 直流杂散电流对埋地管道的干扰影响

2.1 金属腐蚀

直流杂散电流会极大加剧埋地管道破损点处的金属腐蚀。山东省天然气管道淄青线受到直流杂散电流干扰比较严重，外检测开挖发现有上百处管段金属缺失超20%[32]。江西省九昌樟输油管道仅在2012 年的5 个月内就由于直流杂散电流干扰发生了3 次腐蚀穿孔事件[33]。不同来源的直流杂散电流均对管道产生了金属腐蚀危害，很多研究者对此进行了报道。

高压直流接地极放电对周边大范围内的管道会产生腐蚀危害。西气东输二线管道与800 kV 高压直流接地极最近距离约为55 km，仍受到了接地极的严重干扰。当接地极放电5 000 A 时，5 处ER 腐蚀速率探头的监测结果表明有4 处的腐蚀速率超过ISO15589-1 标准的要求，最严重的一处腐蚀速率是标准允许值的50 多倍[34]；广东某天然气管道受到高压直流接地极的严重干扰，10 多处的开挖检测均发现了管道腐蚀坑和腐蚀产物，最严重的一处腐蚀坑深达到壁厚的14%左右，具有较大的安全隐患，电位监测平台也监测到此处管道在高压直流接地极阳极放电时的管地电位约为-175 V[35]。

阴极保护系统的阳极地床产生的直流杂散电流对美国一条输水管道造成了干扰，导致腐蚀穿孔而泄露[36]。Cui 等[37]研究了有外加电流阴极保护的管道1以及管道1 附近没有阴极保护的管道2，管道1 的部分阴极保护电流作为杂散电流影响管道2 的腐蚀。当2 条管道交叉时，管道2 在交叉点的电位相对自腐蚀电位正向偏移了0.2 V，交叉点处腐蚀非常严重。当2 条管道平行时，增加间距使得直流干扰程度降低，发生腐蚀减少。

地铁产生的动态直流杂散电流给埋地金属管道产生较大的干扰，是造成城镇燃气埋地管道腐蚀穿孔、防腐层剥离的主要因素，占比超过90%[38]。地铁动态杂散电流给受干扰的埋地管道的日常管理带来一系列的挑战。上海地铁和上海天然气管网交叉并行情况突出，在检修天然气管网时发现管道出现5.1 mm 的腐蚀缺陷，金属损失达54%，动态杂散电流给天然气管道的安全运行带来了严重危害[39]；还有报道指出上海地铁二号线产生的杂散电流导致埋地钢管腐蚀泄漏10 余次，造成高达200 万元的经济损失[40]；东北输油管网处抚顺地区管道由于受到直流电气化铁路杂散电流干扰，多次发生腐蚀穿孔进而导致漏油事故，对经济造成损失的同时，对环境也造成很大的不良影响[41]；戴舒等[42]在深圳供水管道受地铁杂散电流干扰严重的管段进行现场埋片试验，不与管道相连的试片模拟自然腐蚀，与管道相连的试片则受到动态直流干扰，结果表明，自然腐蚀的试片的腐蚀速率仅为受动态直流干扰试片的一半；北京地铁产生的杂散电流导致隧道内输水管道发生50 多处腐蚀穿孔[43]；广州地铁1 号线1999 年开通后，与地铁线路有大量并行、交叉的广州燃气中压管网的腐蚀维抢修次数就开始大幅增加[44]。

2.2 阴极保护干扰

曹阿林[10]在室内模拟装置中利用直流电源产生杂散电流，研究直流杂散电流对管道阴极保护的干扰情况。对于牺牲阳极阴极保护，干扰电流的存在影响了管道和牺牲阳极之间的驱动电压，致使牺牲阳极输出电流偏大或偏小，缩短牺牲阳极的使用寿命或者导致管道得不到有效保护。对于强制电流阴极保护，管道的两端管地电位偏移方向相反，管地电位偏移程度及地电位分布差异随着干扰电流的增大而增大。很多学者就不同来源的直流杂散电流对管道的阴极保护干扰进行了现场测试试验研究。

高压直流接地极放电对埋地管道阴极保护干扰的程度极大。翁源高压直流输电接地极单极大地回路阴极运行时，放电达1 200 A，孙建桄等[45]测试了该干扰下西气东输管道某管段的电位和管中电流，结果显示靠近接地极的管道电位正移最严重，最正的电位接近90 V，远远大于人的安全电压，严重威胁工作人员的生命安全。周军峰等[35]的测试表明，广东某天然气管道受到比较严重的高压直流输电系统的杂散电流干扰，有近30 处管道的阴极保护电位达不到要求。HVDC 系统接地极单极大地回路阳极运行时，放电高达3 000 A，靠近接地极的管道电位负移最严重，最负的电位接近-180 V，管道的防腐层容易剥离。西南某输气管道与800 kV 高压直流输电接地极最近距离约15 km，当接地极放电近2 300 A 时，张良等[46]对管地电位进行了连续监测，结果表明接地极放电导致全线管道阴极保护系统发生异常，管地电位最大正向偏移了1.5 V，最大负向偏移量近4 V。还有更多高压直流接地极放电对管道阴极保护产生干扰的报道:如向家坝-上海800 kV 高压直流接地极对川气东送管道[47]；三峡-上海500 kV 高压直流接地极对西气东输管道[48]；武义接地极对西二线上海支线[49]；贵广II 回500 kV 高压直流输电接地极对西南山区某天然气管道[50]；永宁接地极对中缅管道[51]等。

阴极保护系统的阳极地床产生的杂散电流容易对附近的管道产生干扰。毕武喜等[52]测试了存在并行和交叉关系的2 条输油管道的阴极保护电位，发现管道a受到管道b 阳极地床电流的干扰，管道a 越靠近阳极地床，其阴极保护电位负移的越多，最负为-1.76 V，断掉管道b 的阴极保护后，管道a 的阴极保护电位表现在正常范围，由此也证实了管道a 确实受到管道b 阴极保护电流的干扰。

更多的学者研究表明埋地管道阴极保护系统容易受到地铁动态杂散电流的干扰。惠海军等[53]报道某天然气管道受到地铁2 号线的影响，地铁运行时管道的通电电位在-2.9 ～0 V 范围内正负波动，而地铁停运时，管道的通电电位趋于稳定。北京地铁里程长，其动态杂散电流的干扰影响相应有着大量报道[54-56]:北京地铁15 号线与北京某石油管道有交叉，管道在交叉处电位波动非常剧烈，最大波动幅度达10 V[54]；北京地铁某线路与北京燃气管网密集交汇，刘瑶等[55]的动态直流干扰测试表明相比平行位置，交叉处的管道受干扰程度更大，约76%的测试点都存在风险。广州机场航油管道受广州地铁杂散电流干扰，管道阴极保护系统曾经发生瘫痪[57]。国内地铁里程排名靠前的其他城市，如上海、深圳、南京、重庆、武汉、青岛等，均有报道管道阴极保护受地铁杂散电流干扰事件[58-64]。在欧美、俄罗斯等国家和地区也存在地铁杂散电流干扰的问题[65-67]。

为了控制和减缓直流杂散电流对埋地管道的干扰影响，应采取排流措施，直流排流主要有4 种方式:直接排流、极性排流、强制排流及接地排流[68，69]。直接排流保护适用于干扰源(铁轨)电位一直低于管道的情况，优点是简单经济，排流效果好，缺点是应用条件较为苛刻，风险较大，一旦干扰源电位高于管道，电流将会流入管道，加剧干扰。极性排流保护解决了干扰电流反向流入管道的问题，只能单向排流，效果好，简单便捷，动态干扰下仍然适用，缺点是当管道距离干扰源较远，排流效果就不明显。强制排流保护范围大，无干扰下对管道也会产生强制电流阴极保护的效果，缺点是前期投资和后期维护费用较高，对干扰源(铁轨)和附近金属构筑物会产生干扰影响。接地排流适用于不能向干扰源排流的各种场合，简单灵活，还起到牺牲阳极保护的功能，缺点是排流效果较差，需要定期更换阳极。因此，实际应用时，应根据现场环境、排流效果和经济成本优选出合适的排流方式。

3 总结与展望

(1)稳态小直流对金属材料的腐蚀规律研究相对成熟，针对稳态大直流干扰的研究较少且主要集中在腐蚀影响，对金属材料在稳态大直流干扰下电化学行为的研究很稀缺，是未来需要进行重点研究的方向之一。

(2)国内外研究者对动态直流杂散电流干扰下金属材料的腐蚀规律研究涉及较少，也不够深入，腐蚀机理方面并未达成共识。需要进一步采用电化学等方法对动态干扰下金属材料的腐蚀规律进行系统研究。

(3)不同类型的直流杂散电流均对埋地管道产生了影响，干扰了阴极保护系统的正常运行，加剧了金属的腐蚀。阴极保护系统直流杂散电流影响最小；高压直流杂散电流影响程度大，范围广；地铁动态直流杂散电流影响更广泛，影响时间更长。亟需对后2 种直流干扰基于腐蚀规律研究而形成有效的防护技术。