（北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院，北京 100024）

交流电对X70钢在大港土壤溶液中腐蚀行为研究

王新华 张荣花 刘 强 徐 成 魏书琳 安建华

（北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院，北京 100024）

采用电化学测试技术、浸泡实验和表面分析技术研究了不同交流电密度（0～300A/ m2）对X70钢在大港土壤溶液中腐蚀行为的影响。结果表明：随着交流电密度的增加，X70钢的腐蚀电位逐渐负移，耐腐蚀能力下降。随着交流密度的增加，X70钢的腐蚀速率增加，腐蚀电流密度增大，交流电密度增大到100A/m2时的腐蚀速率大约为不施加交流电干扰时的两倍。当交流电密度大于100A/m2时，X70钢内层的腐蚀产物越难用棉棒除去；在不加交流电和低交流电密度（小于30A/m2）下X70钢的腐蚀形态为均匀腐蚀，当交流电密度大于30A/m2时X70的腐蚀形态为局部腐蚀，腐蚀坑的深度和直径增大。

X70钢 交流电流密度 腐蚀行为 大港土壤溶液

0 引言

较早的研究发现交流杂散电流引起的腐蚀强度要比直流杂散电流干扰的强度小得多，大约为直流电的1%或更小[1]，埋地管道的阴极保护系统能迅速地抑制交流腐蚀，因此，埋地管道的交流腐蚀问题一开始并未引起过多的重视[2]。然而，近年来国内外的相关报道[3-5]表明交流杂散电流腐蚀已成为埋地金属管道的新威胁，在埋地金属管道与交流电气化铁路和高压交流输电线路平行或交叉铺设的管段上会产生感应电压和感应电流，土壤与防腐层缺陷间传输着交流电流，从而就引起了管道的交流腐蚀，并可能破坏阴极保护系统的正常运行，加速管道的破坏。

随着埋地管道的交流腐蚀问题日益突出，国内外学者针对交流杂散电流对管道腐蚀的影响进行了大量的研究。Jones[6]等研究表明土壤中存在交流杂散电流，提高了土壤的导电性，从而加快了阴阳极得失电子的速率，加速了土壤中管道的腐蚀速率。曹备[7]等研究发现试样的自腐蚀电位随交流干扰强度的增大而波动越加明显。Funk[8]研究结果表明在阴极保护作用下，当施加的交流电密度大于30A/cm2时，管道的腐蚀速率高于0.1mm/a，腐蚀速率随着交流密度的增大而增大。Fu等[9]研究了交流电在含氯离子的碳酸盐和碳酸氢盐溶解中对涂层管线钢的腐蚀影响，结果表明，管线钢的腐蚀速率随着交流杂散电流密度的增大而增大,交流电振荡提高了钢的电化学活性，促使钢的腐蚀加剧。翁永基等[10]研究发现Q235钢在交流杂散电流干扰下其腐蚀速率与干扰强度成幂函数的规律。

交流电流的大小和方向均随时间改变，影响因素较多，腐蚀过程较复杂，虽然国内外针对交流腐蚀做了大量的研究，但目前对交流电流的腐蚀机理仍处于探讨阶段，针对交流腐蚀的研究还有大量问题有待澄清，大量基础实验研究是非常必要的。大港中心站地区的土壤是我国中部典型的碱性土壤，pH值为8.3～9，是腐蚀性较高的土壤类型之一。目前交流电对X70钢在大港土壤溶液中腐蚀行为影响还未有相关报道，因此，本工作采用电化学测试、浸泡实验和表面分析技术研究了不同交流电密度对X70钢在大港土壤溶液中的腐蚀行为影响，为X70钢的安全运行提供参考。

1 试验内容

试验材料及方法

实验材料采用X70管线钢，其主要化学成分（质量分数，%）为C 0.07，Si 0.27，Mn 1.60，P 0.009，S 0.05，Nb 0.05，Ti 0.01，Mo其余。

实验溶液采用大港中心站的土壤溶液，其成分配比:1.04895g/L CaCl2、25.02g/L Na2SO4、5.2275 g/L MgSO4·7H2O、0.3063g/L KNO3、0.2492g/L NaHCO3，土壤模拟溶液均采用分析纯试剂和去离子水配置，pH=8.3。

浸泡试样的实验尺寸为10mm×10mm，试样外观如图1所示，实验前将试样用SiC水砂纸从60#逐级打磨至2000#，然后依次用无水乙醇和去离子水清洗，吹干，对试样进行称重，放在干燥箱内备用。在实验测试中，利用SG1005·5MHz数字合成信号发生器施加频率为50Hz，交流电密度为30A/m2、100A/m2、200A/m2、300A/m2的正弦波信号。浸泡实验的实验时间为24h。实验结束后，取出试样进行形貌观察，然后放到除锈剂（0.5gSb2O3+1.5gSnCl2· 2H2O+25mLHCl）中除锈，等X70钢表面的腐蚀产物完全除去，用去离子水清洗干净，待充分干燥后放入电子天平称中称重，计算其腐蚀速率通过公式1进行计算:

其中，△W为试样平均失重量，g；W○为试样原始重量，g；W为去腐蚀产物后试片质量，g；S为试样暴露面积，m2；t为浸泡时间，h；Vcorr为腐蚀速率，g/(m2·h)。

测完失重后利用扫描电镜对除锈试样进行腐蚀微观形貌观察。

图1 X70钢试样外观

采用Solatran公司的Parstat2273电化学工作站测试X70钢的腐蚀电位和极化曲线。实验采用三电极体系，其中工作电极为X70管线钢（工作面积为1cm2），参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极，电路的连接如图2所示。交流信号发生器的一端接试样，另一端接石墨电极，其中电容（500 uF）用以防止电化学测试系统对交流电源产生干扰，电感（15 H）用以防止交流电对电化学测试系统产生干扰，保证两电路互相独立。施加交流电后溶液静置半个小时，X70试样开始进行开路电位和极化曲线的测量。其中，开路点位的测试时间为30分钟。在极化曲线的测量中，扫描速率为1mV/s，扫描电位范围为-0.5～0.7V。实验数据采用CorrView软件进行处理分析。

图2 实验装置原理图

2 实验结果与分析

2.1 腐蚀电位的测试分析

图3为不同交流电密度下X70钢的腐蚀电位。从图可知，随着交流电流密度的增大，X70钢在大港中心站土壤溶液中的腐蚀电位产生负移。当施加交流电流密度增大0A/m2～30A/m2时，开路电位从-0.62 V负移至-0.72V。当交流电流密度增大至100A/m2、200A/m2及300A/m2时，开路电位负移至-0.74V、-0.78V、-0.80V。自腐蚀电位是金属发生腐蚀反应热力学趋势的一种量度，电位越负，表明阴极和阳极的电位差越大，金属发生腐蚀的可能性就越大。可能是交流电场对金属/溶液界面的双电层进行了扰动，导致X70钢的腐蚀电位负移[11]。腐蚀电位可以看出随着交流电密度的增大X70钢在大港中心站土壤溶液的抗腐蚀性能逐渐下降。

2.2 极化曲线的测试分析

图4为不同交流电密度下X70钢在大港中心站土壤溶液中的极化曲线。如图4所示，交流电对阳极曲线和阴极曲线都有一定的影响，X70钢一直处于活性溶解状态，没有钝化产生。随着交流电密度的增大腐蚀电位发生一定的负移，腐蚀电流密度也随着增大，说明交流电加快了钢的腐蚀。在交流电的作用下，试样表面有无色的气泡生成，大港中心站土壤溶液为弱碱性电解质溶液体系，说明发生了氧的还原反应:

阳极反应:Fe→ Fe2++ 2e-

阴极反应:4OH-→O2+ 2H2O +4e-

氧的还原反应促进了阴极反应产物的生成，加速了钢的腐蚀。

图3 施加不同交流电流密度下X70钢在大港中心土壤溶液中的开路电位

图4 施加不同的交流电下X70钢在大港中心站土壤溶液中的极化曲线

表1 不同密度交流电干扰下X70钢在大港溶液中由极化曲线获得的动力学参数

从图4的极化曲线看出，金属在进行阳极溶解时，金属表面上没有钝化膜的存在，X70钢在活性区的阳极溶解。

式中，b为均匀腐蚀中ba=bc=b，Io.a表示金属阳极溶解反应的交换电流密度，Io.c表示去极化剂阴极还原反应的交换电流密度。

公式2中腐蚀电位与塔菲尔斜率和交换电流密度数值有关。公式3中ba和bc影响腐蚀电流Icorr的大小，ba和bc的数值越大，Icorr就越小；阴极反应和阳极反应的平衡电位之差也影响腐蚀电流Icorr的大小，Ee.c-Ee.a的数值越大，腐蚀速度越快。因此从图4可知交流电密度的增大加速了X70钢的腐蚀。

2.3 腐蚀形貌分析

X70钢在不同交流电密度作用下在大港溶液中浸泡24h后的宏观形貌及微观形貌如图5和图6所示。从图5可以明显的看出，在大港溶液中相同浸泡时间内X70钢随着交流电密度的增大腐蚀程度越来越严重，腐蚀产物的堆积越来越厚。从颜色可以看出内层主要有黑色产物组成，外层主要有棕黄色和红棕色产物组成。当交流电密度小于30A/m2时，X70钢的腐蚀严重程度和无交流电干扰下的相接近，外层棕黄色和红棕色的产物较少。而在较高的交流电密度（100A/ m2～300 A/m2）作用下，外层棕黄色和红棕色的物质增多，分布在整个试样的实验面上，厚度也随着增加。在除锈的过程中可以发现，内层的黑色物质随着交流电密度的增加越来越致密，很难用棉棒除去。

图5 不同密度的交流电作用下X70钢在大港溶液中浸泡24h后的腐蚀宏观形貌

图6 不同交流电密度下X70钢在大港溶液中去腐蚀产物的微观形貌

图6为不同交流电密度下X70钢在大港溶液中浸泡24h后的微观形貌。从图6（a）可以看出在不施加交流电时，X70钢腐蚀较轻微，腐蚀形态为均匀腐蚀。交流电流密度增大到30A/m2、100A/m2时，X70钢的腐蚀形貌如图6(b)、(c)所示，试样表面粗糙度逐渐增大，试样表面的腐蚀坑的分布和大小较为均匀，分布也比较集中。交流电密度增大到200A/ m2时，试样表面出现了较多的腐蚀坑，腐蚀坑的直径和深度较100A/m2时增加增大，出现连接聚拢的趋势，试样表面发生了局部腐蚀。交流电密度增大到300A/m2时，试样表面凹凸不平的趋势加大，出现大且深的腐蚀坑，有的腐蚀坑相互连接成更大的腐蚀坑，试样腐蚀的不均匀程度增加。因此可知，随着交流电密度的增大X70钢在大港中心站土壤溶液中的腐蚀程度加剧，交流电的施加加速了钢的腐蚀。

2.4 腐蚀速率分析

图7为不同交流电密度作用下X70钢在大港溶液中的腐蚀速率。从图7可以看出，随着交流电密度的增加，X70钢的腐蚀速率逐渐加快。在没有交流电作用下，X70钢的腐蚀速率很低，当交流电密度增大100A/m2时，X70钢的腐蚀速率约为没有交流电作用下的2倍。当交流电的密度大于100A/m2时，X70钢腐蚀的速率加速增加。交流电加速金属腐蚀的原因可能为交流电在正半周产生的金属离子没有在负半周沉积，即正半周金属腐蚀的增加量大于负半周的减少量，导致阳极极化和阴极极化产生的总电流不相等，因而产生了净法拉第电流，促进了金属的腐蚀[12]。

图7 大港模拟土壤溶液中不同交流电作用下对X70钢腐蚀速率的影响

3 结论

（1）随着交流电密度的增加，X70钢在大港溶液中的腐蚀电位负移，X70钢耐腐蚀性逐渐减弱；

（2）交流电对阴、阳极极化曲线的影响交流大，阳极极化曲线的电流密度随着交流电密度的增加而增大，交流电的施加不利于X70钢表面钝化膜的形成；

（3）随着交流电密度的增加，X70钢在大港模拟土壤溶液中的腐蚀速率增加，腐蚀产物堆积厚度增加。当交流电的密度大于100A/m2时，X70钢表面的腐蚀坑直径和深度加大，试样腐蚀的不均匀程度增加，X70钢的表面腐蚀形态由均匀腐蚀转变为局部腐蚀，对X70钢的破坏程度大大加剧。

[1] Hewes F. Four phenomena affecting cathodic protection and corrosion rates [J]. Mat. Prot.1969,8(9):67-71.

[2] 张永国. 交流电力线路对埋地管道的交流干扰及防护[J]. 石油库与加油站，1999, 8(44).

[3] 米琪. 交流干扰-埋地管道完整性的新威胁及其危害性的分类标准[J]. 防腐保温技术，2008, 16(3):27-35.

[4] 李自力, 杨燕. 金属管道交流腐蚀研究新进展[J]. 石油学报, 2012, 33(1):164-171.

[5] 杜晨阳, 曹备, 吴萌顺. 交流电干扰下-850mV(SCE)阴极保护电位准则的适用性研究[J]. 腐蚀与防护, 2009, 30(9):655-659.

[6] Hanson H R, Smart J. AC Corrosion on a Pipeline Located in an HVAC Utility Corridor [C]. Corrosion/2004,New Orleans,2004,Paper No.209.

[7] Funk D, Prinz W, Schoneich H G. Investigations of AC corrosion in cathodically protected pipes[J]. 3R International, 1992,31(6):336-341.

[8] A.Q.Fu, Y.U.Cheng. Efects of alternating current on corrosion of a coated pipeline steel in a chloride-containing carbonate/bicarbonate solution[J], Cossosion Science,210,52:612-619.

[9] 翁永基, 王宁. 碳钢交流电腐蚀机理的探讨[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2011,31(4):270-274.

[10] 曹备, 刘科伟, 吴荫顺. 电阻耦合型交流干扰对管线钢自腐蚀电位行为影响[C]. 北京:第五届全国腐蚀大会论文集，2009.

[11] McCollum B. Ahlborn G H. The influence of frequency of alternating or infrequently reversed current on electrolytic corrosion[J]. Transaction of the American institute of electrical engineers,1916, XXXV(1):301-345.

Study on Alternating Current Corrosion Behavior of X70 Pipeline Steel in Dagang Soil Solution

WANG Xin-hua, ZHANG Rong-hua, LIU Qiang, XU Cheng, WEI Shu-lin, AN Jiang-hua
(Beijing University of Technology, University of mechanical engineering and Applied Electronics, Beijing 100024, China)

The efects of alternating current (AC) current denstity(0-300A/m2) on the corrosion behavior of X80 steel in Dagang soil simulated solution was studied by electrochemical test, immersion tested and surface analysied technology. The rusults show that with the increase of the density of AC, the corrosion potential of X70 steel shift negatively, and the corrosion resistance of the steel is decreased. With the increase of the AC density, the corrosion rates of X70 steel increase, the corrosion current density increases, and the corrosion rate increases to two times of the AC interference when the AC density increases to 100A/m2. When the current density is greater than 100A/m2, the corrosion products of X70 steel lining of the more difcult to use cotton swab to remove; in the absence of alternating current and low current density (less than 30A/m2) the corrosion morphology of X70 steel under uniform corrosion, the corrosion morphology when alternating current density is greater than 30A/m2X70 for localized corrosion, corrosion pit depth and diameter.

X70 steel; AC current density; corrosion behavior; the soil solution of the Dagang

TG171

A

10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2016.11.067.06

国家自然基金（E011101）

王新华（1969.12-），山东德州人，博士，教授，主要研究方向为流体传动与控制、机电伺服驱动技术、埋地压力管道检测技术等。