地铁杂散电流干扰下埋地管道材料的腐蚀机理研究

Due to area limitation in cities, metro systems drove by DC power supply are usually closed to buried oil/gas pipelines. Interference was induced by stray current leaked from rails of metro systems, which is a corrosion threat to pipelines and several corrosion cases have been reported. Present researches at home and abroad were confined to detection and mitigation of stray current interference, the corrosion mechanism of which was considered as DC corrosion because such interference was classified as DC interference. However, the dynamic character of metro stray current has been ignored. Such time and frequency related character is somewhat the same as AC interference, but with randomness. This research focuses on the dynamic character and corrosion mechanism of metro stray current based on corrosion experimental with X65 pipeline steel, electrochemical polarization test, electrotechnology and theoretical analysis. Charging discharging characteristics of double layer of metal/electrolyte interface, effects of metro stray current on corrosion and their relationship were discussed. Metro stray current corrosion mechanism was expected to be clearly illustrated, and effective assessment method of metro stray current interference was also expected to be obtained.

受城市地域的限制，由直流供电的地铁或轻轨等电气化铁路和埋地油气输送管道往往使用公共走廊或相邻，从铁轨处泄漏到大地的杂散电流会对附近埋地金属管道构成地铁杂散电流干扰，对管道的安全运行构成极大威胁，国内外已有多例有关地铁杂散电流造成管道腐蚀穿孔的报道。目前对地铁杂散电流干扰的研究局限于地铁杂散电流干扰测试方法及缓解措施，由于地铁杂散电流被划入直流杂散电流干扰的范畴其腐蚀机理往往被界定为直流电解腐蚀，这忽略了地铁杂散电流的动态特征，而这种与时间和频率有关的动态杂散电流干扰与交流干扰类似，但更具有随机性。本课题将围绕杂散电流干扰的动态特征，以X65管线钢为研究对象，拟采用干扰腐蚀模拟实验、电化学极化测试、电工学及理论分析等方法研究金属/介质界面双电层充放电特性、干扰对腐蚀的作用机制及二者间的定量关系，探讨地铁动态杂散电流干扰的腐蚀机理，同时获得地铁杂散电流干扰的有效评价方法。

作为能源载体的管道和交通载体的地铁是城市发展的两大重要设施，不可避免地临近建设造成埋地管道受地铁泄漏直流杂散电流干扰，由此引起的腐蚀风险将日益突出。项目基于这种动态直流干扰下埋地管道碳钢材料的腐蚀机制及有效评价方法展开研究。在室内搭建了恒定阳极电流、对称方波下不同电流密度及周期、不同环境介质及干扰时长、以及不对称方波电流密度及周期等干扰下的腐蚀模拟实验获取腐蚀规律，结果表明对称方波干扰下不同干扰周期内碳钢的腐蚀速率呈现三种变化规律，即在周期较长时，腐蚀速率与法拉第定律计算的理论腐蚀速率一致，周期较小时，腐蚀速率增长较慢且小于理论腐蚀速率的10%，在其他周期范围内腐蚀速率增长较快。与此同时，腐蚀速率与干扰幅值呈正比，随干扰时长增加而减缓，与环境介质和干扰的不对称性均有一定的关系。通过金属/介质界面的电化学阻抗谱（EIS）和电子元器件模拟电路的充放电测试，以及动态干扰下的电路仿真软件仿真分析，结果表明弛豫时间随干扰周期增加而出现大小的交替变化，部分干扰电流用于双电层中电容的充放电是实际腐蚀速率小于理论腐蚀速率的重要原因之一，干扰周期越小即频率越高该机制越重要。同时，腐蚀产物的形成也会减小弛豫时间而降低进一步的腐蚀速率。此外，负向干扰电流下阴极反应产生的大量氢氧根离子消耗了部分阳极电流是腐蚀速率降低的另一个重要原因。基于室内腐蚀模拟实验和2组现场腐蚀埋片实验测试得到的干扰特征参数和腐蚀速率，通过比较发现杂散电流干扰下极化电位与时间、电流密度与时间的积分与腐蚀速率具有相对较好的定量关系，同时实测的腐蚀速率-干扰幅值/频率曲线也是一种定量关系，由此可得到的腐蚀评估方法具有借鉴意义，但目前不同实验条件下得到的结果未完全统一，主要受限于现场测试点和特征参数测试周期偏少的缘故，具体哪种方法更接近于实际情况还有待更多的现场测试，需要大量的数据积累来验证。