交流雜散電流腐蝕的理論基礎(chǔ)概述目錄TOC\o"1-3"\h\u32152交流雜散電流腐蝕的理論基礎(chǔ)概述 198351.1交流雜散電流產(chǎn)生原因 1143271.2交流雜散電流腐蝕機理 2251451.3交流雜散電流特點 5322471.4交流雜散電流腐蝕的影響因素 6301111.5交流雜散電流危害及防護 9相比于直流雜散電流腐蝕，交流雜散電流的來源不僅是交流電流的直接泄漏，交流電流流過時產(chǎn)生的交變磁場感應(yīng)在并行鋪設(shè)的金屬結(jié)構(gòu)上的耦合電壓也是雜散電流的來源之一，雖然這種通過電磁耦合產(chǎn)生的雜散電流比較小，但持續(xù)時間長，也會對鐵路附近的金屬結(jié)構(gòu)造成較大的腐蝕。1.1交流雜散電流產(chǎn)生原因交流雜散電流的主要來源有交流電氣化鐵路、高壓輸變電的接地網(wǎng)放電、電氣設(shè)備的接地電流或放電電流以及高壓交流輸電線路的感應(yīng)電流。此外，有些是由細菌和微生物放電或閃電下降產(chǎn)生的。在不同大小和不同方向電場作用下的電化學腐蝕過程即為交流雜散電流腐蝕，且該電場的電場強度遠遠高于自然極化過程產(chǎn)生的電場。根據(jù)電磁場理論分析，高壓電路(包括電氣化鐵路牽引系統(tǒng))對埋地金屬管道的交流干擾主要通過電容耦合、電阻耦合和感應(yīng)耦合三種方式進行。電容耦合型電容耦合影響又稱靜電耦合影響，是指在高壓交流輸電線路或電氣化鐵路牽引供電線路會在垂直大地的方向形成一個電勢差，從而在地面上的金屬物體表面感應(yīng)出交流電壓，產(chǎn)生交流雜散電流干擾。這在物理上體現(xiàn)出電容[22]的特性。因此，把這種現(xiàn)象帶來的雜散電流干擾稱為電容耦合型的交流雜散電流。此電容分為兩部分，第一部分為輸電線路對管道的耦合電容，第二部分為管道對土壤的電容，總的雜散電流是由這兩部分電容串接而形成的。從外部看，這是輸電線路與大地之間形成的電場與管道通過電容相連接形成的，從而影響埋地管道，造成埋地管道對地電勢升高。一般情況下，這種方式帶來的危害很小，但特殊情況時，這種電壓形成的高電壓會威脅人身安全。而且，這種方式形成的雜散電流對地下金屬物體的影響不大，實際情況中不予考慮。電阻耦合型電阻耦合型主要存在于高壓輸電線路接地裝置附近，當埋地金屬體與高壓輸電線路的接地極距離接近且高壓輸電線路的接地體發(fā)生故障時，會導致故障電流通過接地極流到大地，在周圍土壤中形成強電場，感應(yīng)出的交流雜散電流直接通過接地裝置傳遞到地下金屬體上，會使地下金屬體遭受不同程度的腐蝕，甚至融化金屬材料，威脅管道、地下電纜的安全使用，造成巨大的經(jīng)濟損失。由于這種耦合是存在于地下金屬物體與輸電線路接地裝置之間，且接地裝置大多為電阻，因此將其稱為阻性耦合。磁感性耦合型高壓交流輸電線路會在周圍空間產(chǎn)生交變磁場，如果有金屬物體穿越此交變磁場，那么在金屬物體附近也會感應(yīng)處一個交變磁場，進而會在金屬物體中感應(yīng)出交流電流?，F(xiàn)實情況中，交流輸電電流一般都是三相交流電，而附近的金屬物體無論在輸電線路的那個方位，都無法保證與每項導線的距離相等，加之輸電線路中存在零序電流，則在金屬物體中感應(yīng)出的交流電流不可能為零，這就必然造成金屬物體的腐蝕。簡單來說，原理相當于變壓器，輸電線路上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的大小與該金屬物體與輸電線的并行距離有關(guān)，距離越長，感應(yīng)電壓就越高，對管道的腐蝕也更加嚴重。由于目前輸電線路的長度急劇增加，且有“公共能源走廊”的輸電線路與運輸管道并行的計劃，導致電磁感應(yīng)耦合型干擾成為交流雜散電流的主要來源，帶來的腐蝕也是最常見的。綜合以上分析可知，土壤中交流雜散電流來源比直流雜散電流更廣泛，但由于交流電流存在一定的偶然性，加之技術(shù)的進步，反而交流雜散電流腐蝕比直流雜散電流小的多，而且交流雜散電流的主要來源是電感耦合型與電阻耦合型，而電容耦合型帶來的影響很低，可以忽略不計。1.2交流雜散電流腐蝕機理迄今為止，人們對交流雜散電流做了大量的研究，對其腐蝕規(guī)律和影響其變化的因素有了很深的了解。但是由于交流電流的復(fù)雜性，時至今日，學界仍未達成共識，仍未對交流雜散電流的腐蝕形成一個統(tǒng)一的、具有普適性的理論。相對于直流腐蝕，交流雜散電流造成的腐蝕不及直流雜散電流造成的腐蝕的1%[23]，可忽略不計，這就使得人們在雜散電流研究工作的前期，將重心放在了對直流雜散電流的腐蝕上，忽視了對交流雜散電流的研究。正因如此，交流雜散電流的研究進度，包括檢測、評價、防護等理論大大落后于直流雜散電流。如今，卻是另一番現(xiàn)象，由于輸電線路和電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)大多采用交流方式，交流雜散電流腐蝕引發(fā)的重大事故層出不窮，這逼得人們將目光轉(zhuǎn)向交流腐蝕，國內(nèi)外眾多學者也開始對交流腐蝕機理、交流干擾來源、影響交流雜散電流腐蝕的因素、地下金屬體交流腐蝕特征以及交流干擾危害性評價等方面進行了大規(guī)模的研究，并且已經(jīng)獲得了大量的成果，總結(jié)目前的研究成果，可將交流雜散電流的腐蝕機理分為兩類：第一類為強電場誘導模型，認為空間中產(chǎn)生的強電場是造成交流腐蝕的主要原因；第二類是電化學模型，認為交流腐蝕的本質(zhì)是電化學腐蝕。但人們對交流雜散電流腐蝕仍然停留在案例分析、實驗室模擬試驗和建立腐蝕理論模型等三個方面，雖然提出了法拉第整流效應(yīng)、陽極反應(yīng)的不可逆性、陽極反應(yīng)的去極化作用和交流電壓在金屬/介質(zhì)界面的振蕩作用等交流腐蝕機理[24]。但這些機理都沒有普適性，只能適用于特定的案例，存在著各自的缺點與不足。目前為止，依舊沒有人能夠同時解決可以確定交流雜散腐蝕速率和可以解釋交流雜散電流腐蝕機理這兩種理論的學說。強電場誘導模型是指交流輸電線路或電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)在空間中的金屬物體上感應(yīng)出一個強度很高的電場，該電場強度比金屬物體內(nèi)部的極化電場強度高的多，會劇烈的影響金屬物體的腐蝕進度。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，輸電線路附近空間內(nèi)的金屬物體上會感應(yīng)出交流電壓，其電壓幅值比金屬自然極化的電壓高幾十倍，而且相比于化學反應(yīng)發(fā)生的時間，交流電的變化周期要快得多，這增加了反應(yīng)發(fā)生的機會與速度，從而加劇了金屬物體的腐蝕。交流腐蝕很多都發(fā)生在管道的局部位置，這是因為土壤中各處的電阻率不一樣，管道表面的破損皮層位置也不一樣，所以管道上感應(yīng)的電場強度各處也不一樣，某些區(qū)域大，某些區(qū)域小，而區(qū)域大的部位就會對管道造成較大的腐蝕。這就是強電場誘導模型對于交流雜散電流造成的腐蝕的解釋。電化學模型則由很多人提出，以下幾種最具代表性：整流模型法拉第整流效應(yīng)是由McCollum[25]提出，他指出：自然狀態(tài)下的金屬電極上施加一個交流電壓，交流電壓就會在金屬電極上產(chǎn)生極化，而且陽極極化與陰極極化周期性的交替變化，但兩者產(chǎn)生的電流不一樣，其差值便會導致金屬電極上產(chǎn)生一個總電流，該總電流稱為法拉第電流。但Williams并不認同整流機制[26]，他認為金屬在交流電正半周期發(fā)生的陽極氧化反應(yīng)，使金屬離子發(fā)生了擴散是交流腐蝕的本質(zhì)原因。Kulmam[27]則認為整流法拉第電流就是導致交流雜散電流造成腐蝕的主要原因，腐蝕程度與該電流的極性、大小有關(guān)。即金屬發(fā)生腐蝕的原因就在于該電流是否是陽極電流，如果是，則發(fā)生腐蝕，反之，不會發(fā)生腐蝕。陽極電流越大，腐蝕速率越快，陽極電流越小，腐蝕速率越慢。非線性模型研究證明，只有金屬材料電化學過程可逆的條件下，才會產(chǎn)生法拉第整流效應(yīng)。但該理論在實際過程中并不完全成立。這是因為交流電流在正半周期內(nèi)在金屬電極上發(fā)生的化學反應(yīng)與在金屬電極上負半周期內(nèi)發(fā)生的化學反應(yīng)不是完全可逆的，因此該理論有很大的升級空間。一些學者基于此，采用活化下的動力學理論對法拉第整流效應(yīng)的方程進行了修正，用來解釋交流腐蝕的本質(zhì)，修正后的模型即為非線性模型。在長期的研究中，人們更傾向于用電化學腐蝕理論解釋交流雜散電流對金屬陽極的溶解作用。曹楚南[28]在研究交流電流對金屬陽極溶解速率的影響時，認為金屬陽極溶解反應(yīng)的極化曲線是一條非線性曲線，陽極溶解電流密度I和E之間呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，還認為陽極溶解反應(yīng)是一條非線性曲線。交流電流電壓幅值的最高點與最低點分別位于正負周期的相關(guān)位置處。從而導致在交流電流正半周期內(nèi)的金屬腐蝕的平均增加量比負半周期內(nèi)的平均減少量要大，最終的結(jié)果是得出金屬陽極的溶解速率是導致金屬腐蝕的主要原因。非線性模型是根據(jù)電化學理論推導出的金屬的非線性的腐蝕規(guī)律，很多學者通過實驗也驗證了該理論，但這個理論還是無法深入的解釋交流電的腐蝕機理，或者說，該理論充滿了隨機性與偶然性。震蕩模型Nielsen[29]等在一些實際的案例中，通過對現(xiàn)場事故的分析和數(shù)據(jù)的調(diào)查，認為造成埋地金屬體外絕緣保護層缺陷處發(fā)生交流雜散電流腐蝕的原因可能是埋地金屬物體絕緣保護層缺陷的地方的周圍土壤呈現(xiàn)一個小范圍的堿性環(huán)境，還有交流電壓在金屬-介質(zhì)的界面的發(fā)生振蕩作用造成金屬體保護層缺陷處的交流腐蝕破壞。振蕩作用產(chǎn)生的原因是交流電產(chǎn)生的交變電場力作用于溶液中的反應(yīng)物。在陰極保護系統(tǒng)下，大量的OH-離子會在埋地金屬物體表面溢出，而這些大量的OH-離子會使保護層缺陷處的小范圍環(huán)境pH值增大，在高pH環(huán)境中，金屬物體的氧化膜會被破壞，從而振蕩作用造成劇烈的腐蝕。Kulamm認為金屬物體被交流雜散電流腐蝕的根本原因是因為金屬的電化學腐蝕反應(yīng)過程是一個不可逆的過程。當金屬物體附近土壤環(huán)境的pH<14時，金屬物體表面很難形成鈍化膜而導致材料腐蝕；而在pH>14的時，金屬物體表面的氧化膜會被交流電循環(huán)往復(fù)的振蕩不斷溶解與生成，這會對埋地金屬物體造成巨大的腐蝕。以上這些模型雖然解釋了許多案例，但也只是對特點條件下的交流腐蝕發(fā)生的原因以及交流腐蝕的規(guī)律給出了解釋，這些理論還是沒有普遍成立的性質(zhì)。充滿了隨機性與偶然性，不符合科學原理的論證過程。而且，從大量的事實中，我們得出結(jié)論：交流雜散造成的腐蝕遠遠小于直流雜散電流造成的腐蝕，發(fā)生事故的嚴重性也遠遠不如直流腐蝕，這一方面會打擊交流腐蝕研究的興趣，另一方面說明現(xiàn)在對于交流腐蝕的認識遠遠不夠，上述各個理論都不能給任意一個交流腐蝕給出合理的解釋。隨著時間的深入，交流雜散電流腐蝕的原因，其基本規(guī)律會被逐漸摸清的。1.3交流雜散電流特點交流雜散電流腐蝕與直流雜散電流腐蝕以及自然的電化學腐蝕有著非常大的區(qū)別，總結(jié)為以下幾點：①交流雜散電流腐蝕是金屬物體在外界輸電線路的強電磁場作用下感應(yīng)產(chǎn)生的，存在于外部空間的強電場比金屬在自然腐蝕下的內(nèi)部電場產(chǎn)生的電壓強度要高上很多，其會產(chǎn)生比電極本身的直流極化電位高幾十甚至上百倍的外部干擾電壓。②交流腐蝕本質(zhì)上是在電場作用下發(fā)生的電化學過程，該電場的大小與方向處于不斷的變化過程中。在日常情況下，交流電的頻率為50Hz,這不足以支持一般的電化學腐蝕反應(yīng)，說明化學反應(yīng)需要在極短時間內(nèi)完成，這不符合基本的科學規(guī)律，因而反應(yīng)實際很難進行，界面發(fā)生極化是非常困難的。③交流雜散電流造成的電化學腐蝕是變化的，這是因為交流雜散電流處于一個強度很高但時刻變化的電場中，在如此劇烈的變化中，有些反應(yīng)根本來不及進行，有些反應(yīng)會突然增加，而有些反應(yīng)會受到很強的抑制。④腐蝕區(qū)域具有集中性。在金屬雜散電流腐蝕的過程中會產(chǎn)生很多腐蝕產(chǎn)物，這些腐蝕產(chǎn)物疏松多孔，容易脫落，如果腐蝕產(chǎn)物從金屬表面脫落，管道表面就會變得特別粗糙，這導致局部的極化電場強度進一步變大，與周圍的電場強度不一樣使金屬腐蝕區(qū)域變得更深，造成金屬物體穿孔現(xiàn)象。⑤具有不均勻性。產(chǎn)生交流雜散電流的交流感應(yīng)電壓的峰值會在管道和輸電線路相對位置處發(fā)生突變，而在管道與輸電線路的中間位置，交流雜散電流又會造成明顯的腐蝕。這讓交流腐蝕在實際的測量過程中的判斷因為這種不確定性變得十分困難。1.4交流雜散電流腐蝕的影響因素大量的研究表明，交流雜散電流對金屬物體的腐蝕遠小于同等電流密度大小下的直流雜散電流對金屬物體的腐蝕。Fu[30]的研究結(jié)果顯示相同在電流密度下的直流雜散電流腐蝕和交流雜散電流時，只有不到1%的交流雜散電流部分參與了腐蝕。Bertolini[31]也指出，電流密度為1mA/cm2的直流雜散電流就足以引發(fā)嚴重的鋼筋混凝土點蝕，然而電流密度為4mA/cm2交流雜散電流時卻不會引發(fā)任何一點的鋼筋混凝土的腐蝕。McIntosh[32]等人的研究表明，在交流電流頻率為60Hz的情況下，鋼的腐蝕約為等效直流干擾下的1%。雖然不同情況下，引起的金屬腐蝕各不相同，但其原理都是雜散電流從雜散電流源正極流入金屬物體，從而使金屬物體-大地之間的電位差為負，電流流出時，金屬體便遭腐蝕。雖然在相同的外界環(huán)境與電流密度下，交流雜散電流對金屬物體腐蝕造成的影響遠小于直流電流對金屬物體的腐蝕，但交流雜散電流依然對金屬構(gòu)件的腐蝕有著不可忽視的影響。通過國內(nèi)外眾多學者的研究，交流雜散電流的腐蝕機理被一步步的掌握，也對影響交流雜散電流腐蝕的一些關(guān)鍵性因素達成了共識，研究證明，包括但不限于交流雜散電流密度、交流雜散電流波形、交流雜散電流頻率、地下管道保護系統(tǒng)、溫度等因素是影響交流雜散電流的因素。正是由于這些因素的存在，導致交流雜散電流腐蝕的過程變得十分復(fù)雜，不僅難以研究與判斷，更對檢測與防護帶來了巨大的難題，這給交流雜散電流的研究帶來了很大的困擾。在早期，人們對交流電缺乏認識時，類比于直流電，人們對交流電的研究多集中在電壓上，很多人認為峰值電壓是影響交流雜散電流金屬腐蝕的重要因素，但后來研究發(fā)現(xiàn)，峰值電壓對于交流雜散電流金屬腐蝕程度的影響有限，更重要的因素是交流電頻率和密度。另外，交流電的不同波形也會對對金屬的交流雜散電流腐蝕造成影響。外界環(huán)境，比如土壤電阻率、Clˉ濃度也會造成影響。①頻率對交流電腐蝕的影響交流電是電流方向和大小隨時間呈周期性變化的電流，所以交流電頻率如果發(fā)生變化，就會對金屬腐蝕速率與金屬腐蝕程度產(chǎn)生顯著的影響，進而影響腐蝕體系。日常生活常用的的電力設(shè)施的交流電頻率一般為50Hz或60Hz，但一些非線性用電負載會產(chǎn)生高次諧波和瞬時頻率，從而影響腐蝕規(guī)律。朱敏在對不同頻率下交流雜散電流對X80鋼的腐蝕行為的研究中，得出了如下結(jié)論：當交流電頻率從50Hz增大到400Hz的過程中，交流雜散電流對金屬的腐蝕速率以及電位偏移量隨頻率的增加而降低，陰極和陽極的極化曲線振蕩幅度會明顯的減緩。這種現(xiàn)象可能的原因是：交流電頻率增大時，陽極和陰極的轉(zhuǎn)換周期會減小，從而使反應(yīng)金屬溶解量減少，腐蝕速率下降。姜子濤的研究同樣發(fā)現(xiàn)，交流電不僅會引起金屬腐蝕電位的偏移，而且還會影響電位偏移的方向，電位的偏移量隨頻率的增大而減小，波動幅度的大小也會隨著頻率的增大而減小。不過也有研究表明，交流電頻率在一個臨界值的左右影響著交流雜散電流的腐蝕，當頻率低于該值時，交流雜散電流對金屬物體的腐蝕速率隨頻率的增加而增大，當頻率高于該值時，交流雜散電流對金屬物體的腐蝕速率隨頻率的增加而減小。該臨界值僅決定于腐蝕體系，腐蝕體系不同，臨界值的取值也不同。②電流密度對交流電腐蝕的影響研究表明，交流電流密度與交流雜散電流對金屬的腐蝕密切相關(guān)，交流電密度是決定金屬腐蝕速率大小的關(guān)鍵因素之一。Wakelin研究交流電密度如何影響X80鋼在強酸性的碳酸鹽中的應(yīng)力腐蝕開裂行為的研究當中發(fā)現(xiàn)，在不同電流密度X的情況下，鋼的腐蝕情況是不一樣的。當X<20A/m2時，交流雜散電流不會對X80鋼產(chǎn)生腐蝕；當X=20~100A/m2時，交流雜散電流對X80鋼的腐蝕是不確定的；當X>100A/m2時，交流雜散電流對X80鋼就會發(fā)生嚴重的腐蝕。Fu的研究發(fā)現(xiàn)，當交流電密度不超過30A/m2時，腐蝕速率隨交流電流密度的增大而緩慢增加，當交流電流密度超過30A/m2時，腐蝕速率會隨電流密度的增加而大幅度增加。從金屬表面的腐蝕形態(tài)來看，當交流電流密度較低時，金屬試樣的表面的腐蝕產(chǎn)物均勻分布；當交流電流密度較大時，金屬試樣的表面的腐蝕產(chǎn)物不規(guī)則分布，有的地方厚，有的地方薄，隨著電流密度的進一步增大，金屬試樣的表面的腐蝕產(chǎn)物就會重合，一起脫落之后就會使金屬的厚度變薄。Guo[33]等研究表明，交流電流密度存在一個臨界值，當交流電流密度低于這個值時，交流雜散電流對金屬物體的腐蝕速率隨交流電流的密度增大的曲線近似呈正比例函數(shù)曲線；當交流電流密度高于這個值時，交流雜散電流對金屬物體的腐蝕速率上升曲線略有減緩。觀察腐蝕形貌同樣可以看出，在交流電流密度較小時，腐蝕產(chǎn)物均勻分布，隨著交流電流密度的不斷增加，腐蝕產(chǎn)物的形態(tài)由均勻分布轉(zhuǎn)變?yōu)榧蟹植迹饘傥矬w表面出現(xiàn)蜂窩狀的腐蝕產(chǎn)物，金屬試樣表面出很多深的點蝕坑。③交流電波形對腐蝕的影響交流電流波形也是影響雜散電流對金屬物體的腐蝕速率的一個因素?，F(xiàn)實中，存在各種波形的交流電流，如正弦波形、三角波、方波等。不同波形對金屬腐蝕的影響各不相同，有研究證明，在電壓有效值相同的情況下，三角波電流對金屬的鈍性破壞最大，對金屬的腐蝕作用也是最大的，甚至三角波電流對金屬物體的腐蝕速率也是最大的。正弦波對金屬物體的腐蝕速率小于三角波大于方波，而方波交流雜散電流對金屬的腐蝕效果是最小的。三種波形中，三角波交流電的最大電壓是最大的，正弦波居中，方波最小。④防腐層對交流腐蝕的影響早期輸電線路的電壓不高，所以即使埋地管道沒有防腐涂層，在埋地金屬管道上感應(yīng)出的交流雜散電流也不會對埋地金屬管道產(chǎn)生較大的影響。隨著電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展，輸電線路的電壓迅速升高，現(xiàn)如今的輸電線路輸電電壓都是幾百萬伏的高壓，其在空間內(nèi)感應(yīng)出的雜散電流非常大，所以如今的埋地金屬管道、埋地電纜都有防腐保護涂層，但保護層時常遭受物理傷害，導致保護層缺陷處受到的腐蝕很大。研究證明，交流電壓相同時，金屬試樣保護層暴露的面積越大，金屬的腐蝕速率反而越小。在較高的交流電壓下，隨著試樣涂層的暴露面積越大，金屬的腐蝕速率會明顯的下降，反之，現(xiàn)象不明顯。⑤溫度對交流腐蝕的影響調(diào)查研究結(jié)果表明，低電阻率的條件下，交流雜散電流對地下金屬的腐蝕速率會隨著溫度的增加而增加，當溫度達到峰值時，溫度上升，則交流雜散電流對地下金屬的腐蝕速率會隨著溫度的增加而下降，但腐蝕速率仍然比常溫時要高；高電阻率的條件下，溫度升高，金屬的腐蝕速率會下降。⑥環(huán)境因素對交流腐蝕的影響環(huán)境因素對交流腐蝕的影響主要體現(xiàn)在Clˉ的濃度和土壤的酸堿性。研究結(jié)果證明:Clˉ的濃度越高，交流雜散電流對地下金屬的腐蝕速率就越大，Clˉ的濃度越低，交流雜散電流對地下金屬的腐蝕速率就越?。凰嵝原h(huán)境中，交流雜散電流對地下金屬的腐蝕速率反而越小，這是因為試樣表面形成的致密的氧化膜會保護金屬試樣免受交流雜散電流的腐蝕，而在中性環(huán)境中，試樣表面產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物不足以形成致密的氧化膜，保護不了交流雜散電流