埋地金屬管道交流電腐蝕研究進展
摘要：分別從交流電腐蝕的特點、機理、影響因素以及對陰極保護和微生物腐蝕影響的角度，對近年來國內外開展的交流電腐蝕研究進行系統(tǒng)綜述。通過對目前研究中存在的重點問題進行綜合分析，展望這一領域的研究前景及發(fā)展趨勢，為相關領域的研究人員提供新思路。
關鍵詞： 交流電； 埋地管道； 腐蝕機理； 影響因素； 陰極保護
近年來，隨著西電東送、西氣東輸工程的建設和城市軌道交通的快速發(fā)展，高壓、特高壓輸電工程與埋地油氣管道鄰近的并行或交叉鋪設情況已不可避免，甚至都集中在一個局部地區(qū)形成所謂的“公共走廊”。輸電線路對鄰近埋地油氣管道的交流電 （AC） 腐蝕和直流電 （DC） 腐蝕影響問題日益突出，甚至已威脅到國家能源輸送安全。2014年，西氣東輸二線廣東段管道多個閥室引壓管放電，引壓管絕緣卡套燒蝕，個別閥室甚至出現(xiàn)引壓管燒穿事故[1]。對日照-東明管道中的三個區(qū)段進行交流干擾數據監(jiān)測時顯示，較大的管道交流干擾存在于管道與鐵路近距離平行與交叉鋪設區(qū)域[2]。2000年美國一條鋼管線雖然管道有著良好的溶結型環(huán)氧粉末防護層，然而因高壓交流輸電線路的干擾，1年后檢測發(fā)現(xiàn)該涂層破損處的管道局部腐蝕速率高達10 mm/a[3]。埋地管道的交流電腐蝕問題日益嚴重，已成為材料腐蝕領域的研究熱點。
國內外在AC腐蝕的研究方面起步均較晚。早期研究[4-7]表明，交流干擾對金屬管道腐蝕的影響遠遠小于等量的直流干擾，AC腐蝕的效率也比較低。一般認為埋地管道的陰極保護系統(tǒng)可以有效地抑制腐蝕的發(fā)生，因此埋地管道的AC腐蝕問題在早期并沒有得到較大的重視。然而，近十幾年來，在國內外多地發(fā)生了多起由于AC腐蝕而造成石油天然氣管道泄漏及穿孔的案例[8-10]。埋地管道的AC腐蝕問題變得日益嚴重，逐漸引起人們重視。長期以來，圍繞金屬管道AC腐蝕問題，國內外許多學者進行了有益的嘗試，取得了一定的成果。然而，由于AC腐蝕機理十分復雜，在AC腐蝕的機理、評價、檢測方面仍存在許多難點問題亟待解決[11-15]，需要進行系統(tǒng)的深入研究。本文綜述了AC腐蝕問題的研究成果和最新進展，討論了AC腐蝕研究中存在的重點問題，對這一領域的研究前景及發(fā)展趨勢進行展望，為相關領域的研究提供借鑒。
1 AC干擾類型及腐蝕特點
1.1 AC干擾類型
不同條件與環(huán)境下，高壓交流輸電線路對埋地金屬管道的交流干擾類型有著明顯的差別，主要有3種情況[16-18]，如圖1所示。（1） 電容耦合干擾：由于管線外表面有防護層的存在，造成高壓交流輸電系統(tǒng)與埋地管道之間產生了一個由高壓交流輸電線路對管線的耦合電容和埋地管線對地的電容兩者通過串連而成的電容。在管線建設期發(fā)生，當初處于埋地且良好接地時，可以忽略不計[19]。（2） 電阻耦合干擾：這種干擾是偶然的，并不是常態(tài)。只有在高壓交流輸電線路出現(xiàn)故障，接地極材料的電流流入地下，形成干擾地電場時才會發(fā)生。（3） 電感耦合干擾：運用Faraday電磁感應定律，埋地管道上產生感應電壓和感生電流，這種類型稱為電感耦合干擾。干擾持續(xù)時間很長，是埋地管道受到的主要的交流干擾方式。輸電線路中不平衡電流的大小、與輸電線路平行的管道長度、管道與輸電線路間的距離長短、土壤電阻率及防護層電阻等決定著管道的感應電壓。高壓交流輸電線路中的供電電流及電流不平衡度越大，并且與埋地管道間的距離越小，造成交流干擾腐蝕的危險性大幅度上升，對保護電位的測量造成一定的影響，嚴重的話會導致判斷失誤，使陰極保護失效或者直接損壞。
圖1 電容耦合，電阻耦合和電感耦合干擾示意圖
1.2 AC腐蝕的特點
AC腐蝕屬于干擾腐蝕，與自然腐蝕相比存在明顯的差異，主要表現(xiàn)為[20,21]：（1） 交流電流大小和方向瞬間變化比自然腐蝕的電化學反應時間要小幾個數量級；（2） AC腐蝕是在有外電場的存在下發(fā)生的，比自然腐蝕過程的內電場強度大很多，強度高的線路感應造成的交流電壓幅值要比電極自身是直流自然極化電位高十數倍；（3） 在改變迅速且強度十分大的交流電場作用下，特定化學反應發(fā)生的幾率顯著上升，發(fā)生反應的速度加快；（4） AC腐蝕發(fā)生在管道上交流電流過的地方，一般在涂層缺陷處發(fā)生，有局部腐蝕的特點，極易造成穿孔腐蝕。自然條件下的腐蝕一般都是均勻腐蝕，穿孔腐蝕不易發(fā)生。
盡管AC腐蝕和DC腐蝕都屬于雜散電流干擾腐蝕，然而由于交流電流密度的大小和方向在極短的時間間隔內不斷發(fā)生變化使得AC腐蝕與DC腐蝕有著明顯不同[22,23]：（1） DC腐蝕規(guī)律服從Faraday定律，可以計算它的腐蝕量。但由于AC腐蝕在交流電場的作用下金屬的電化學過程與上述不同，交流的電量與金屬腐蝕量間不是單一的對應關系。（2） AC腐蝕效率遠低于DC腐蝕，約只有DC腐蝕的2%，但這并不能說明交流電腐蝕的危害性更小。一些實驗研究結果表明[24-27]，由于交流電腐蝕多發(fā)生小孔腐蝕而直流腐蝕多發(fā)生均勻腐蝕，此時若簡單通過例如失重法來判斷是非常不科學的。（3） AC腐蝕不但會遭受交流干擾強度的影響，波形和頻率 （f ） 對金屬的交流電腐蝕行為也存在影響，而對于直流干擾腐蝕來說，一般情況下只和干擾強度如電壓、電流的大小相關。
2 AC腐蝕機理的發(fā)展
AC腐蝕機理的研究在20世紀70，80年代得到了較多的發(fā)展。國內外學者對交流電腐蝕機理還存在爭議，截至目前交流電誘使金屬發(fā)生腐蝕的原因尚未十分明確，主要可劃分為以下幾種。
2.1 Faraday整流效應
李明等[24]研究結論與McCollum等[28]提出的“整流說”相符，認為：腐蝕反應不可逆地導致了交流電腐蝕的產生，正半周期金屬腐蝕的增加量大于負半周期的減小量，陽極電流不等于陰極電流，產生凈Faraday電流，進而促進金屬腐蝕。Kulman[9]提出了在AC作用下的電解法整流機理，整流電流的流動方向為金屬到電解質。翁永基等[15]的研究結果支持了根據Faraday整流效應和活化控制下的動力學極化理論所得出的結論，即腐蝕電位會因為存在AC的干擾而產生偏移，陽極和陰極Tafel斜率之比為r，當r＞1時腐蝕電位會正向偏移，r＜1時則負向偏移。需要說明的是，這些模型并沒有考慮環(huán)境介質電阻等因素。但這個理論和模型的提出具有進步意義。
也有研究人員不贊同“整流說”。Williams[23]、Yunovich等[29]與Bruckner[30]認為交流腐蝕的產生完全是由于金屬離子在正半周期擴散造成的，金屬電極的腐蝕膜上不存在整流的跡象，整流效應機理解釋圖見圖2。由此可見，F(xiàn)araday整流效應機理并不能使交流電腐蝕得到很好的解釋，但對揭示AC腐蝕機理存在著積極作用。
圖2 整流效應機理解釋圖[29]
2.2 陽極反應的不可逆性
Goidanich等[31]通過對交流電對金屬電化學反應動力學的研究結果表明，金屬與介質界面間的電化學過程不是完全可逆時，F(xiàn)araday整流效應不能用來描述金屬被交流電腐蝕所造成的影響，如圖3所示。對于不受干擾的試樣，通過失重和Tafel圖推導得到的腐蝕速率有很好的一致性。在AC存在的情況下，Tafel推導得到的值明顯低于失重得到的。因此，在存在交流干擾的情況下，Tafel推導似乎不適用于Icorr的計算。這也意味著交流電腐蝕不能簡單地用觀察到的動力學參數的變化來解釋。交流干擾過程中腐蝕速率提高的一個可能原因是，正半和負半周期的電化學過程并不完全可逆，所以造成金屬溶液界面雙電層結構變化，金屬表面的化學成分也隨之改變。與之不同，曹楚南[32]認為AC作用下金屬陽極溶解時陽極溶解反應的動力學機制、Tafel斜率和交換電流密度都保持不變。但是，因為關于陽極溶解的E-I曲線不是線性的，AC造成的最終現(xiàn)象是導致金屬陽極溶解速率增大。
圖3 由失重實驗得到的腐蝕速率和通過對極化曲線的線性回歸獲得的值進行比較[31]
2.3 陽極反應的去極化作用
Jones[33]最先提出了陽極反應去極化作用的腐蝕機理，簡單來說就是由于Tafel斜率的不同導致了局部腐蝕，見圖4。實驗結果表明，AC會造成金屬的陽極溶解反應的動力學機構產生影響。李巖等[34]和王霞[35]等的研究也證明了這一觀點。但是，交流電產生這種去極化現(xiàn)象的原因并沒有詳細的解釋，此機理并不完善，需要后續(xù)的改進。
圖4 陽極反應的去極化作用示意圖[33]
2.4 堿化機理
隨著陰極保護下管道交流電腐蝕問題的增多，人們對陰極保護下管道的腐蝕機理開展研究。Nielsen等[36,37]通過實驗和失效案例分析認為，埋地管道有陰極保護時，因為在管道表面缺陷處發(fā)生陰極極化會產生OH-，使缺陷處的pH升高進而造成附近土壤的堿性化，并提出了“堿化機理”。該機理認為，對于陰極下管道的AC腐蝕是由于交流干擾引起的電流振蕩和管道外防腐層缺陷處較高的pH共同引起的。在交流干擾的周期波動下，管道腐蝕電位會隨著波動進入Pourbaix圖中的堿性腐蝕區(qū)，pH高時，金屬表面的氧化膜會被交流電壓的循環(huán)振蕩破壞然后發(fā)生腐蝕。Panossian等[38]研究了不同pH下金屬的AC腐蝕行為，模型是根據熱力學預估交流電腐蝕發(fā)生的原因，研究表明交流電腐蝕是由于在活化區(qū)和免蝕區(qū)或鈍化區(qū)和免蝕區(qū)間的反復交替變化，但是具體動力參數的影響規(guī)律卻沒有明確的模型可以解釋。
2.5 自催化機制
Nielsen在“堿化機理”之上，進一步提出了“自催化機制”[36,37,39]。這個機制的前提條件是：管道陰極保護恒電位儀電位控制點附近存在防腐層缺陷，且在該位置存在交流干擾。認為施加了陰極保護的埋地管道發(fā)生交流電腐蝕一般需要3個必須具備的條件：交流感應電壓、管道防腐層存在微小的缺陷和過負的陰極保護極化電位。因為存在著交流感應電壓，交流電流會流過管道防腐層的破損處，造成管道的去極化。此時，為了保持管道電位的穩(wěn)定需增加陰極保護電流。但是，增大陰保電流會有管道缺陷處局部土壤過堿化的后果，使得管道缺陷處的擴散電阻Rs變小。由Ohm定律可知，一定的交流干擾電壓下，管道缺陷的Rs變小會造成缺陷處的交流電流密度增大，而交流電流密度的增大又會進一步增強去極化作用，所以又需再加大管道的陰極保護電流。這又會使防腐層缺陷的Rs減小，陷入不斷惡性循環(huán)，交流腐蝕只會越來越嚴重，最終造成管道的穿孔。
2.6 腐蝕產物膜層演變
交流電會引起雙層化學成分的變化，從而引起平衡電位的變化和表面腐蝕產物膜的生長[25,40]。如圖5所示，在交流干擾的正半周期中，陽極極化結果是金屬被溶解生成Fe2+，F(xiàn)e2+和溶液中的OH-在電極表面結合形成多孔且疏松的Fe（OH）2，被氧化為Fe3O4。在交流干擾的負半周期中，陰極極化的結果是腐蝕產物的還原。Fe3O4被還原為Fe（OH）2 （圖5中d）。隨著下一個周期的開始，一部分Fe（OH）2在下一次陽極極化過程中被氧化為Fe3O4，另一部分則轉變?yōu)镕e（OH）3 （圖5中e）。因此，腐蝕產物的內層為黑色的Fe3O4，腐蝕產物的外層為Fe（OH）3 （圖5中g和h），隨著腐蝕的進一步發(fā)生，F(xiàn)e（OH）3轉變?yōu)镕e2O3和FeOOH。由此可知，腐蝕產物層的外層是由Fe（OH）2，F(xiàn)e（OH）3和FeOOH組成的沒有阻礙金屬腐蝕作用的多孔介質，腐蝕產物層底層緊挨金屬基體的是致密的、有利于保護管線鋼基體的Fe3O4[38]。
圖5 腐蝕產物膜層演變示意圖[25]
綜上所述，現(xiàn)有的各種AC腐蝕機理的模型都有它的局限性和特殊性。截至目前，AC腐蝕機理尚未統(tǒng)一，有待深入研究。
3 AC腐蝕的影響因素
3.1 交流電流密度
交流電流密度是影響金屬腐蝕行為的主要因素之一。一些研究人員[41,42]認為，金屬的腐蝕速率隨著交流電流密度的增大而升高（見圖6）。Kim等[43]的研究表明，施加低交流電流密度20 A/m2，碳鋼的腐蝕速率比較小，隨著交流電流密度的增加，管道的腐蝕速率甚至可以高達1.3 mm/a。Goidanich等[40]的實驗表明，與無交流電干擾時相比，當交流電流密度為10 A/m2時，碳鋼的腐蝕速率增加了一倍；當交流電流密度大于30 A/m2時，腐蝕速率呈指數增長。Wu等[44]認為由于交流電流密度增加導致了氧還原加快，提高了極限擴散電流密度，析氫反應容易被激發(fā)，進而加速金屬的腐蝕。Reyes等[45]的研究表明，隨著交流干擾的不斷加強，由于交流電自身不斷增強的攪拌和加熱作用，腐蝕速率增加。
圖6 交流電流密度與腐蝕速率的關系[42]
除此之外，交流電流密度的變化還會影響金屬的腐蝕行為，如均勻腐蝕、點蝕、應力腐蝕。Fu等[26]和李明等[24]研究表明，在交流電流密度較低時，發(fā)生的是以均勻腐蝕為主的腐蝕形態(tài)；在交流電流密度較高時，點蝕反而普遍發(fā)生。碳鋼在低電流密度 （100 A/m2） 作用下發(fā)生的是均勻腐蝕，當在高電流密度 （如500 A/m2） 作用下管線鋼發(fā)生嚴重的局部腐蝕。Guo等[25]的研究也證明了這一觀點。Kuang等[27]研究證明在堿性環(huán)境中，交流干擾下，存在著臨界電流密度0.002 A/cm2，交流電流密度較小時，鈍化膜可以阻擋腐蝕；交流電流密度較大時，由于陰極極化造成鈍化膜被破壞，加速了金屬腐蝕尤其是點蝕的產生。楊燕[46]的研究結果表明，同等條件下交流電流密度越大，蝕坑越深；交流電流密度小于臨界值時，隨著電流密度增加，腐蝕越劇烈，如圖7和8所示。Liu等[47]和Wan等[48]研究表明，在交流干擾下，隨著交流電流密度的不斷上升，應力腐蝕敏感性也不斷上升。交流電干擾的存在使得吸氧和析氫反應加速發(fā)生，腐蝕速率也隨之增加。
圖7 不同交流電流密度干擾24 h后X80鋼的腐蝕形貌[35]
圖8 不同交流電流密度干擾10 d后X70鋼試樣腐蝕形貌[46]
另外，交流電流密度大小對于金屬的鈍性和化學反應的控制步驟也存在著影響。Chin等[49]研究表明，在AC的作用下堿性環(huán)境中低碳鋼的陽極極化曲線的形狀發(fā)生了變化，隨著交流電流密度的增加，致鈍電流的密度不斷增加，致鈍電位負移。和宏偉等[50]研究表明，交流干擾越大，對氧擴散的影響作用越明顯，但增加到一定程度后陽極溶解會替代氧擴散步驟變?yōu)樾碌目刂撇襟E。由此可見，一般來說，交流電流密度愈大，腐蝕傾向愈加嚴重，并且容易發(fā)生嚴重點蝕且應力敏感性增加。
3.2 交流電頻率
交流電是周期變化的，這也就影響著電極反應的速率。因此，交流電頻率對金屬腐蝕形態(tài)、蝕坑形態(tài)大小和密度等都有著重要的影響。目前，對于交流電頻率對腐蝕的影響還沒有統(tǒng)一的認識。常見的AC腐蝕涉及的頻率范圍較小，通常腐蝕發(fā)生在工頻 （50~60 Hz） 下，在此范圍內金屬的腐蝕速率隨著頻率的增長而下降。但也有研究人員提出了不同的意見。Bertocci[51]認為，在電路中只有少數交流電流發(fā)生了電荷轉移，非Faraday交流電流因頻率的不斷升高使得通過雙電層的次數不斷增多，導致腐蝕速率很小，而且也會影響金屬的鈍性[52]。Liu等[47]研究結果表明，在30 Hz時反應速率最大，因為頻率的改變對于產生的反應產物有周期性的吸附和擴散的影響。Radeka等[53]研究認為，在AC的作用下船舶用鋼的腐蝕臨界頻率為2000 Hz。但Dyer等[54]研究鋁箔的交流腐蝕表明，當頻率小于臨界值時，頻率越大，蝕坑越小越密；當頻率大于臨界值時，有較大腐蝕坑產生，導致金屬變薄。
3.3 交流電波形
交流電波形也是金屬腐蝕行為的重要影響因素之一。目前，關于交流電波形對腐蝕影響的研究較少。Chin等[49]分別使用三角波、正弦波和方波的交流電 （頻率均為60 Hz） 進行Fe的腐蝕實驗。相同條件下，在降低金屬鈍性和腐蝕嚴重性的方面，從大到小的順序為：三角波＞正弦波＞方波；而應力敏感性從大到小的順序為：正弦波＞方波＞三角波。郭敏等[55]研究交流電波形對低壓腐蝕鋁箔微觀形貌的影響結果顯示，正弦波和三角波的孔徑在大小和間隔大致相同尺寸大而淺，方波所產生的孔徑小而密；波形有一段平穩(wěn)不變期時，易產生并孔。對于電流處于不斷變化中的三角波與正弦波，并孔較少；三角波使蝕坑有縱向發(fā)展加深的機會，并且電流數值上始終不發(fā)生變化，又能誘導新點蝕的萌生。所以就腐蝕速率而言，三角波造成的腐蝕最為嚴重。
3.4 環(huán)境參數
一些學者的研究[30,56]表明，金屬的溫度隨交流電流密度的增大而升高。大家普遍認為，在交流電流密度約為0~835 A/m2時，溫度可升至約40 ℃。但是在現(xiàn)場沒有明確證據說明AC會引起溫度升高[57]，僅僅是在室內實驗時得到此結論。
此外，溶液成分也是重要的影響因素。一些離子可以通過直接或間接參與電極反應，如CaCO3和NaHCO3，由于CO32-與HCO3-參與電極反應而導致腐蝕加劇。流動的介質腐蝕更嚴重[27,58,59]。Cl-可以使腐蝕的程度加劇[26,60,61]，且有研究[46,62]表明，當Cl-與SO42-共存時，SO42-具有緩蝕性，可減弱Cl-對金屬點蝕的影響，減少點蝕的數量。另一些離子在金屬表面生成致密的腐蝕產物膜覆蓋在金屬表面，最終影響電極反應的傳質過程[63,64]。
3.5 微生物
交流電能夠影響微生物新陳代謝，進而影響金屬的微生物腐蝕行為。然而，相關研究鮮有報道。卿永長等[65]利用電化學方法和腐蝕形貌觀察法對Q235鋼在交流電和微生物共同影響下的腐蝕行為研究表明，在交流電流密度為50 A/m2，交流電頻率為50 Hz的條件下，正弦波對硫酸鹽還原菌 （SRB） 的生長未造成較大的影響 （圖9），交流電的存在使得SRB微生物膜的吸附性降低并加速了微生物膜的脫附。在實驗前期，活性的微生物膜抑制了金屬的腐蝕，但在實驗后期微生物膜失去活性，發(fā)生脫附，和SRB的代謝產物一并加速試樣的腐蝕。在交流電的作用下，由于整流效應的存在，點蝕的自催化效應越發(fā)嚴重，局部腐蝕更加嚴重。SRB的生理代謝過程使得Q235鋼的局部腐蝕敏感性增大。AC的存在造成試樣腐蝕產物疏松，點蝕等局部腐蝕傾向加劇。此外，Qing等[66]的研究還表明，對X80鋼施加10 mA/cm2的AC電流抑制了懸浮在溶液中和吸附在金屬基體上SRB的生長和代謝，間接地促進了金屬基體的腐蝕，認為SRB存在下交流電腐蝕的機理是由Fe的活性溶解和生物膜的降解共同控制的。
圖9 實驗中細菌數量隨時間的變化[65]
4 AC腐蝕防護措施的實驗研究
4.1 陰極保護
一般來說，管道上施加的最小陰極保護電位為-0.85 V （CSE）[67]。當管道承受交流干擾時，由于交流干擾也會對埋地管道的電位等造成嚴重的影響，所以也會影響陰極保護的參數，這可能就會造成陰極保護數值的變化。只有在了解AC對埋地管道陰極保護的影響規(guī)律和臨界值后才能更好地保護埋地管道，真正的起到保護管道完整性的作用。目前，已經有很多學者進行了AC對埋地管道陰極保護的影響規(guī)律的研究，并得到了一些結論。
學者們一致認為，AC會使陰極保護的效果減弱甚至失效。但是，對于陰極保護在遭受交流電干擾時使用更負的保護電位是否可以保持管道完整性卻存在著兩種不同意見。一些學者認為，陰極保護之所以會失效是因為保護程度不夠，只要保護電位是足夠負的，交流電腐蝕是完全可以被避免的。Hosokawa等[68]和Kajiyama等[69]認為，管道即使?jié)M足-0.85 V （CSE） 的陰極保護標準電位，也會遭受嚴重的AC腐蝕。AC的存在會降低陰極保護的防腐效果，只有當陰極保護電位為更負時才能完全保護管道。Ibrahim等[70]認為交流干擾在兩個方面降低陰極保護效果：一是金屬腐蝕電位負向波動，二是交流電流的流入使陰極保護效率降低。Guo等[71]認為在交流電流密度較小時，原有的陰極保護-0.85 V （CSE） 有效；當電流密度較大時，若想抑制腐蝕，則需要更負的陰極保護電位，如-0.95 V （CSE）。Kim等[43]認為，只要陰極保護足夠負，AC腐蝕是完全可以避免的。當陰極保護電位為-1.1 V （CSE），交流電流密度小于100 A/m2時，造成的腐蝕都可以忽略不計。Xu等[72]的研究也證實了這一觀點。Kuang等[73]選用了3種陰極保護電位：-0.85，-0.925和-1.0 V （CSE），得到結論是：施加交流電干擾后，陰極保護電位并不是保持施加值而不發(fā)生改變；并且在陰極保護電位為-0.85 V （CSE），當電流密度小于10 A/m2時，不發(fā)生腐蝕；陰極保護電位為-0.925 V （CSE），電流密度在10~50 A/m2時，不會發(fā)生腐蝕；而在陰極保護電位為-1.0 V （CSE） 時，電流密度再高也不會造成腐蝕。
與之相反，另一些學者認為，陰極保護電位過負不但不會減弱對金屬的腐蝕反而會加劇金屬的腐蝕。Vagramyan等[56]研究得到，當陰極保護電位高于-0.95 V （SCE） 或-1.20 V （SCE） 時，在施加交流電后反而會促進金屬的腐蝕，起不到防腐的作用。交流電流密度與直流密度之比同腐蝕速率之間的關系如圖10[74]所示，由圖中規(guī)律提出了加大陰極保護電流和施加弱保護電流這兩種減小金屬腐蝕速率的方法。唐志德等[75]研究認為，當金屬“欠保護”時，由于金屬表面沒有形成完整的保護膜，金屬暴露在交流電下進而造成了腐蝕；當金屬“過保護”時，雖然形成了完整的保護膜但是由于交流電的震蕩作用和實時電位的波動，最終保護膜破裂，金屬遭到腐蝕。和宏偉[76]研究得出，交流干擾的存在不但會使腐蝕程度大大增加還會使陰極電流顯著增長，管道還會面臨腐蝕加速、氫脆、陰極剝離等風險。
圖10 碳鋼腐蝕速率隨交直流電流密度之比和陰保極化電位變化圖[74]
對于新的歐洲標準[77]，Ormellese等[78]通過研究存在AC干擾的陰極保護系統(tǒng)得出：（1） 由于AC干擾的存在，管道電位正移，-850 mV標準并不能給管道提供足夠的保護。（2） 對于存在陰極保護的管道，只采用交流腐蝕電流密度這一個標準是不正確的，還需考慮交流、直流電流密度比值與管道電位，這也是十分重要的。（3） 當陰極保護電位處于-1.0~-1.2 V （CSE） 之間，不存在過保護的情況，交流、直流電流密度比值小于20時，可以認為陰極保護是有效的。除此之外，Di Biase等[79]也指出，因為管道上每一點的極化特性都不是固定不變的，而是隨著時間而改變，這使得標準中的極化特性即使十分必要但也難以在實際中應用。目前交流電對陰極保護影響的評判指標[80,81]也在不斷完善，還有待進一步的研究。
4.2 涂層保護
埋地管道采用涂層和外加陰極保護聯(lián)合使用是最為經濟有效的控制腐蝕發(fā)生的措施。涂層的主要作用是使管道與外界環(huán)境產生物理阻隔，避免基體與周圍環(huán)境產生相互作用。然而，由于涂層本身在制作完成時就會有如針孔等缺陷的存在，在實際施工與運行中涂層會無法避免地受到破壞。當涂層破損處有交流雜散電流流過時，容易造成埋地管道的局部腐蝕，使管道形成穿孔。目前，埋地管道防腐層大多采用具有較高絕緣電阻率的溶結環(huán)氧粉末涂層或三層聚乙烯涂層，該類防腐層的效率可達到99.9%。雖然這能有效將管道與腐蝕環(huán)境進行隔離，避免環(huán)境介質對管道的腐蝕。但是，當管道附近存在交流干擾源時，管道防腐層絕緣性能越好，管道上的感應電壓就越不容易像以前容易存在涂層破碎的管道那樣通過防腐層缺陷將其排出到大地中。Li等[82]研究結果表明，在交流干擾下，涂層破損面積小的開路電位小，涂層破損面積大的開路電位大，所以缺陷面積小的更容易被腐蝕，而且隨著交流干擾的不斷增大，缺陷面積小的地方腐蝕程度加深，缺陷面積大的地方腐蝕速率下降。丁清苗等[83]研究表明，交流干擾增加了剝離涂層下試樣的腐蝕傾向性及腐蝕速率，且破損點處試樣的腐蝕速率受其影響較大，腐蝕形態(tài)為局部腐蝕。這是由于固定的外加交流電在小缺口處產生了較高的交流電流密度，并且腐蝕產生的陽離子很難從局部的狹小缺陷中擴散出來。另外，Wang等[84]的研究表明，交流電干擾還會使涂層發(fā)生分層剝離的現(xiàn)象，且交流電流密度越大，涂層的分層越多越明顯，涂層的剝離現(xiàn)象越嚴重。如圖11[37]所示，通過對兩組實驗數據進行擬合，在土壤電阻率不變的情況下，交流電流密度與破損面積呈倒數關系。
圖11 涂層破損面積與交流電流密度之間關系[37]
4.3 接地排流
接地排流是將管道與接地體相連接，以排除管道所受到的交流干擾。常用的接地方式為：直接接地、負電位接地、固態(tài)去耦合器接地。目前，國內外最常用的交流緩解措施是交流緩解地床+去耦合裝置 （常用的緩解線材料為鋅帶），鋅帶通過去耦合器與管道相連，去耦合器具有阻直通交的作用，避免了陰極保護電流的流失。對此，國內外也進行了一些計算分析工作及實驗研究。Lu等[85]研究得到，去耦合裝置和鋅帶共同使用時管道的腐蝕速率比單獨使用鋅帶時要小很多。孫磊峰認為[86]，目前對固態(tài)去耦合器排流設施全面性檢測評價依據國內標準缺乏詳細內容，需要在排流設施基本狀況調查檢測、排流去耦合器性能檢測評價、排流位置陰極保護效果檢測評價等方面的詳細內容上完善或補充現(xiàn)有標準。對有陰極保護管道，為了陰極保護的良好效果，建議排流地床材料盡量選擇負電位材料如鋅帶。劉波等[87]認為利用固態(tài)去耦合器連接銅線或鋅帶，在排流方面鋅帶更好，多個固態(tài)去耦合器同時使用可以得到更加明顯的排流效果。劉國[88]認為，排流點的數量及設計工程量遠大于真正的需求，不但造成了資金的浪費，又給管道后續(xù)的防腐層和陰極保護檢測帶來負面影響。
4.4 其他保護方法
多年來研究人員致力于想要防止埋地金屬管道可能遭受到的交流干擾，減少對管道可能產生的危害，以及避免對相關操作人員可能引起危險的發(fā)生。目前，實際當中廣泛應用的防護方法還有：增加埋地管道與強電線路的間距、電屏蔽等。但在長時間的實踐應用和生產使用過程當中，這些方法都或多或少的出現(xiàn)了一些問題，也都存在各自的局限性，這些還有待實驗人員不斷地進行研究和解決。
5 結語與展望
（1） 交流電對埋地管道的腐蝕熱力學和動力學過程及保護效果都有著重要的影響作用，其中主要參數包括交流電密度、波形以及頻率。由于交流電干擾的存在，會不同程度地促進金屬的腐蝕與增加局部腐蝕敏感性。然而，已有的研究成果在臨界條件上并沒有得到統(tǒng)一的結論。
（2） 目前已提出多個交流電腐蝕機理模型，包括：Faraday整流效應、陽極反應的不可逆性、陽極的去極化作用、堿化機理、自催化機制及腐蝕產物膜層演變。雖然這幾種機理被廣泛認同，但是幾種機理的內在聯(lián)系始終沒被突破，每種機理都各自受環(huán)境介質或實驗現(xiàn)象產生原因不明等問題的影響，不同條件下并沒有統(tǒng)一適用的模型。因此，今后的研究重點應該放在機理研究方面，特別是交流電腐蝕機理的本質、內在聯(lián)系和統(tǒng)一性，這會促進交流腐蝕預測、評價及防護技術的進一步發(fā)展。
（3） 埋地管道在現(xiàn)場應用的過程中，不僅僅只受交流干擾這一種因素影響，目前所做的實驗研究干擾因素過于單一，只考慮到了土壤環(huán)境、陰極保護或微生物腐蝕的影響，忽略了實驗結論的現(xiàn)場應用性，應進行例如陰極保護與微生物協(xié)同作用下對交流電腐蝕影響等的多因素實驗研究。因此，在研究的過程中應該注重在埋地管道鋪設現(xiàn)場不同影響因素與交流電的協(xié)同作用。
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