1 前言

随着能源、电力以及交通行业的快速发展，由于地理位置的限制，埋地管道与高压输电线路或电气化铁路并行或交叉铺设的情况越来越多，甚至都集中在一个局部地区形成所谓的“公共走廊”。在这种情况下，在埋地管道附近的架空高压交流输电线路或交流电气化铁路将对埋地管道产生交流干扰，它可能击穿管道的绝缘层，破坏阴极保护系统，威胁人身安全，加速管道的腐蚀和破坏^[1]-[3]。

埋地管道的交流腐蚀问题日益突出，国内外学者围绕交流腐蚀问题已经开展了一些工作^[4]-[8]，但由于其影响因素众多，腐蚀过程较复杂，目前对于交流腐蚀的研究尚处于探讨阶段。交流腐蚀的机理有多种，如Faraday整流效应^[9]、阳极反应的不可逆性^[10]、阳极反应的去极化作用^[11]、交流电压在金属/介质界面的振荡作用^[12]等，各腐蚀机理对交流腐蚀现象的解释各有局限性，未能达成一致，同时交流腐蚀的评价指标也未统一，这使得对交流腐蚀进行准确预测及合理评价变得较困难。因而对交流腐蚀问题开展进一步的基础研究具有重要的现实意义和理论价值。

我国东南地区的红壤是典型的酸性土壤，这些地区温度较高、土壤致密、含水量高、含氧量低，含有较高的腐质酸，pH值为3~6.5，是腐蚀性较高的土壤之一。目前，我国还鲜见有关交流电作用下X80管线钢在酸性土壤模拟溶液中腐蚀行为的相关报道。因此，本文采用鹰潭酸性土壤模拟溶液作为环境介质，采用电化学测试和浸泡实验研究了交流电频率对X80管线钢在鹰潭酸性土壤模拟溶液中腐蚀行为的影响。为管道的安全运行提供相关参考依据。

2 实验方法

实验材料采用X80管线钢，其主要的化学成分 (质量分数，%) 为：C 0.036，Si 0.197，Mn 1.771，P 0.012，S 0.002，Cr 0.223，Ni 0.278，Cu 0.220，Al 0.021，Ti 0.019，Mo 0.184，V 0.001，Nb 0.110，N 0.005，Fe余量。

实验溶液为鹰潭土壤模拟溶液，成分配比为：0.222 g/L CaCl₂+0.936 g/L NaCl+0.284 g/L Na₂SO₄+0.394 g/L MgSO₄·7H₂O+0.586 g/L KNO₃+0.302 g/L NaHCO₃。用5%的醋酸溶液将pH值调到4.0。将配好的溶液放置在密封的容器中，通入N₂除氧2 h。实验前再次对溶液除氧30 min。实验过程中注意保持密封以隔绝O₂。

浸泡实验试样尺寸为50 mm×25 mm×2 mm。试样背面点焊引出Cu导线，用SiC水砂纸从150#逐级打磨至1500#，之后依次用无水乙醇和去离子水清洗，吹干。保留试样50 mm×25 mm的面积用作实验的暴露面，其余的5个面涂上硅胶，待硅胶充分凝固干燥后对试样进行称重。采用AT1645-3函数信号发生器对试样施加正弦波信号，函数信号发生器的正极接试样，负极接石墨电极。实验时对试样施加交流电流密度为100 A/m²，频率为50，100，200和400 Hz的正弦信号。实验时间为168 h。为避免温度因素的影响，采用恒温水浴锅控制实验温度为25 ℃。实验结束后，取出的一部分试样按照相关标准^[13]清除其表面的腐蚀产物，称重，计算其腐蚀速率。一部分试样用于表面腐蚀产物的观察和能谱 (EDS，EDAX-A10X) 分析。采用Quanta250型扫描电镜 (SEM) 对去除腐蚀产物前后的试样进行腐蚀微观形貌观察。

电化学试样尺寸为10 mm×10 mm×3 mm，背面点焊引出Cu导线，并用环氧树脂包封。实验前试样用SiC水砂纸从60#逐级打磨至1500#，依次用无水乙醇和去离子水清洗，吹干待用。采用PARSTAT2273电化学测试系统测试X80钢的腐蚀电位和极化曲线。实验采用三电极体系，工作电极为X80钢试样 (工作电极面积为1 cm²)，辅助电极为Pt片，参比电极为饱和甘汞电极 (SCE)。电化学测试用实验装置见图1。采用AT1645-3函数信号发生器对试样施加正弦波信号，函数信号发生器的正极接试样，负极接石墨电极，其中电容用以防止电化学测试系统对交流电源的干扰，电感以防止交流电对电化学测试系统产生干扰。测试时对试样施加交流电流密度为100 A/m²，频率为50，60，100，200，300 和400 Hz的正弦信号。测试时首先将工作电极在-1.0 V下预极化3 min，以去除电极表面在空气中形成的氧化膜，然后将工作电极在溶液中静置1 h后在施加交流电的情况下以0.5 mV/s的扫描速率进行动电位极化扫描，扫描范围为-1.2~0.5 V (SCE)。腐蚀电位的测试时间为2600 s。

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图1   

Fig.1   电化学测试用实验装置图

3 实验结果

3.1 金相组织

图2为X80钢的金相组织。由图可知，X80钢的组织以针状铁素体为主，并有少量的粒状贝氏体。晶粒的方向各异，沿着不同的晶体学方向生长，形状不规则，无明显完整的晶界。

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图2   

Fig.2   X80钢的金相组织

3.2 腐蚀形貌

图3为不同交流电频率作用下X80钢去除腐蚀产物后的微观形貌。从图可知，不施加交流电时，X80钢发生均匀腐蚀，腐蚀很轻微。交流电频率为50 Hz时 (图3b)，点蚀较明显，圆盘状的点蚀坑较多，蚀坑连接成片，大点蚀坑内有小点蚀坑产生。随交流电频率的增大，点蚀逐渐减弱；频率为100 Hz时 (图3c)，试样局部区域发生了点蚀。当交流电频率增大到200和400 Hz时 (图3d和e)，试样腐蚀较轻微，有少量点蚀坑产生，且400 Hz时的蚀坑较小。由此可见，交流电频率主要影响蚀坑的形态以及蚀坑的密度。随交流电频率的增大，X80钢的腐蚀程度减弱。但相比未施加交流电时，施加交流电的X80钢的腐蚀程度更严重。

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图3   

Fig.3   不同交流电频率作用下X80钢去除腐蚀产物后的微观形貌

3.3 腐蚀速率

图4为不同交流电频率作用下X80钢的腐蚀速率。从图可知，交流电频率越低，腐蚀速率越高。Fernandes等^[14]认为在较低频率时，金属阳极溶解消耗电量大于阴极金属沉积消耗的电量，当频率增加时，阳极和阴极半周期的时间间隔逐渐缩短，金属溶解相对减少，在很短的时间间隔内，阳极溶解的金属离子很快在阴极周期内重新聚集，因而其腐蚀速率减小。从图3中也可反映出腐蚀速率的这一变化规律。

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图4   

Fig.4   不同交流电频率作用下X80钢的腐蚀速率

3.4 腐蚀产物形貌及组成

图5为不同交流电频率作用下X80钢的腐蚀产物形貌和EDS结果。从图可知，各交流电频率作用下生成的腐蚀产物分布较均匀，腐蚀产物较疏松，腐蚀产物间有较多的裂纹，这些裂纹为腐蚀性离子提供了快速通道，使侵蚀性离子进入基体发生电极反应而导致腐蚀的发生，因而该腐蚀产物对基体几乎没有保护作用。对各交流电频率作用下X80钢的腐蚀产物进行EDS分析，可知其腐蚀产物主要由Fe和O组成。

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图5   

Fig.5   不同交流电频率作用下X80钢腐蚀产物形貌和EDS结果

3.5 腐蚀电位测试

图6为交流电频率对X80钢腐蚀电位的影响。由图可知，施加不同频率的交流电均使X80钢的腐蚀电位向负方向偏移。随交流电频率的增加，X80钢的腐蚀电位接近于无交流电作用下X80钢的腐蚀电位，即X80钢腐蚀电位的偏移量减小 (见图7)。当交流电频率增加至400 Hz时，X80钢的腐蚀电位与无交流电作用时的X80钢腐蚀电位非常接近，两者重叠在一起，此时腐蚀电位的偏移量很小。

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图6   

Fig.6   交流电频率对X80钢腐蚀电位的影响

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图7   

Fig.7   腐蚀电位的偏移量与交流电频率的关系曲线

金属/溶液的界面等效电路为一个电阻和一个电容并联在一起^[15]。通过金属/溶液界面的总电流为通过双电层电容的电流与通过极化电阻的电流之和。交流电的总量不变，随交流电频率的增加，双电层电容阻抗减小，使双电层电容上通过的电流增加，极化电阻上流过的电流减小，导致腐蚀电位偏移量减小。由于双电层电容的阻抗与交流电频率的倒数成正比，因而，X80钢的腐蚀电位偏移量随交流电频率的增加而减小 (见图7)。

3.6 极化曲线测试

图8为不同交流电频率作用下X80钢的极化曲线。由图可知，随交流电频率的增大，阴、阳极的振荡幅度减弱。当交流电频率为50和60 Hz时，交流电的施加对试样的影响很大，阴、阳极极化曲线均出现了较大幅度的振荡。随交流电频率的增大，阴、阳极极化曲线的振荡幅度逐渐减弱。当频率增加至400 Hz时，阴、阳极的振荡幅度很小，这可能是由于随交流电频率的增加，阴、阳极交替极化的时间缩短，因此阴、阳极极化曲线的振荡幅度减弱。对比图8a和g可知，交流电的施加不仅使阴、阳极的电流密度增大，还使阴极反应由混合控制逐渐向活化控制转变，这说明交流电的施加一定程度上会改变X80钢的电化学反应机制。

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图8   

Fig.8   不同交流电频率作用下X80钢的极化曲线

4 讨论

交流电对金属极化作用产生重要影响，当施加交流电后，金属处于阳极极化和阴极极化交替进行的过程中，阳极极化过程中加速金属的溶解，阴极极化过程减缓腐蚀的发生，但交流电正半周期内金属阳极溶解电流密度的增大量高于负半周期内的减小量，因而诱发了金属的腐蚀^[16]。当频率增加时，阴、阳极交替极化的时间缩短，金属溶解减少，因而X80钢的腐蚀速率减小。

由图6可知，交流电的施加导致X80钢的腐蚀电位负移，其电化学活性增大，金属更易腐蚀，从图3也可说明这一点，施加交流电的X80钢的腐蚀程度较无交流干扰X80钢的严重。相关研究^[17]表明，交流电引起的腐蚀电位的变化与阴、阳极Tafel斜率之比 (r =b_a/b_c) 有关，当r ≠1时，金属的腐蚀电位产生偏移，交流电对金属腐蚀产生影响。对比图8a和g可知，交流电的施加使X80钢阴、阳极的电流密度增大，从而加速了腐蚀的进行。而图7表明，X80钢的腐蚀电位偏移量随交流电频率增加而减小，当交流电频率为400 Hz时，X80钢的腐蚀电位与无交流电作用下的腐蚀电位非常接近，因而在400 Hz时X80钢的腐蚀程度相对较轻微 (图3e)。

5 结论

(1) 随交流电频率的增加，X80钢的腐蚀速率逐渐减小，腐蚀程度减弱。

(2) 交流电作用下X80钢生成的腐蚀产物疏松，裂纹多，对基体的保护性很差。

(3) X80钢的腐蚀电位偏移量随交流电频率增加而减小。随交流电频率的增大，阴、阳极极化曲线的振荡幅度逐渐减弱。

(4) 交流电的施加不仅使阴、阳极的电流密度增大，还使阴极反应由混合控制逐渐向活化控制转变。

参考文献

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