长期以来，围绕杂散电流对埋地钢质管道的腐蚀进程及机理分析问题，开展了大量的调查研究，研究了交流杂散电流密度、管道防腐层缺陷面积、外部环境等影响因素对埋地钢质管道腐蚀的影响。在交流杂散电流腐蚀机理的研究中，学者们通过理论分析、实验验证、现场检测等方法提出了整流模型、碱化机理、自催化机制、振荡模型、英国标准CEN/TS 15280:2006交流腐蚀机理模型等5种典型的假说模型，但是由于交流腐蚀过程容易受到各种因素的干扰，进程比较复杂，交流腐蚀原因及进程各不相同，假说无法统一[3-5]。

目前大部分的研究都是在无阴极保护的条件下进行的，但是工程中已经开始普遍使用阴极保护系统和各类防腐层材料共同防护的措施，因此对于阴极保护下杂散电流对埋地钢质管道的腐蚀问题需要更加针对性的研究[6]。埋地钢质管道腐蚀案例和研究中都表明了杂散电流会对埋地钢质管道的阴保设施及阴保电位产生影响，传统的“-0.85 V”阴保电位判别标准可能失效，阴极保护系统何时失效，并且如何提高阴极保护系统的有效性问题越来越受到人们的关注[7]。

开展杂散电流对埋地钢质管道腐蚀规律的研究以及对阴极保护系统有效性的研究，阐明干扰因素的影响机制，探究不同情况下阴极保护系统的有效性问题，有利于准确判断工程中埋地金属管道的杂散电流腐蚀风险，提高阴极保护系统有效性，制定合理的杂散电流腐蚀评判标准和阴极保护评价标准，对于保障埋地钢质管道的安全稳定运行，相关设施及工作人员的安全具有重要意义。

实验试片采用X65钢,成分 (质量分数，%) 为：C 0.03；Si 0.17；Mn 1.51；P 0.024；S 0.005；Ni 0.17；Cu 0.04；Mo 0.16；N 0.006；Nb 0.06；Al 0.02；Ti 0.01，尺寸为10 mm×10 mm×2 mm；实验前依次采用丙酮-酒精-去离子水处理后风干备用，实验前采用800#-1200#砂纸打磨至表面无划痕；每组3个试片。

交流干扰电流密度值选择10~180 A/m2，电流频率10~500 Hz；实验溶液采用NACE配制的NS4溶液作为标准土壤模拟溶液，溶液使用纯化学试剂按照比例配制 (KCl 0.133 g/L；NaHCO3 0.483 g/L；CaCl2·2H2O 0.181 g/L；MgSO4·7H2O 0.131 g/L)。测得溶液的pH值为6.8，电导率为925 μS/cm，同时考虑溶液pH=2~12时，对交流杂散电流腐蚀干扰的影响情况；阴极保护电位设置为-0.85 V (CSE)；极化曲线测试范围±250 mV (vs.OCP)，扫描速率设置为1 mV/s。

电化学实验装置示意图如图1所示，选用PARSTAT 3000电化学工作站进行测试，三电极体系,工作电极为X65钢，选用饱和甘汞电极作为参比电极，碳棒为辅助电极。

图1   交流杂散电流干扰条件下腐蚀的电化学测试示意图

Fig.1   Schematic diagrams of electrochemical corrosion tests under the condition of AC interference: (a) without cathodic protection (b) with cathodic protection

交流干扰部分采用TFG 2010 DDS双通道函数信号发生器，主要用来输出正弦波的交流信号，形成稳定的可控的干扰环境。通过连接干扰回路中的电阻箱，改变电阻箱的电阻值可以控制输出实验要求的交流杂散电流干扰密度。

在进行交流杂散电流干扰实验中，以电化学工作站为主的测试回路中是直流电流回路，而交流干扰回路是交流电流回路，为了避免两个回路之间的相互干扰，通常在各自回路中加入电阻、电容、电感等滤波装置。首先在测试回路中串联一只电感器 (20 H，0.15 A)，电感器可以通直流电流，阻隔交流电流，电感器放置在电化学工作站与工作电极之间，防止交流干扰进入测试回路，对测试结果产生影响。在交流干扰回路中串联一只电容 (450 V，1000 μF)，电容可以通过交流电流，阻断直流电流，使得信号发生器输出较为稳定的干扰电流[8-10]。

用恒电位仪连接X65腐蚀试片工作电极，给定一个阴极保护电位，其数值由下文实验参数设计给定。其中为了防止干扰部分交流杂散电流对阴极保护直流信号的干扰，在电路中同样串联一个电感元件。

利用自行设计的失重法实验装置，按照标准流程实验前处理好X65管线钢试样，同样使用电化学工作站的虚拟恒电位仪提供-0.85 V阴极保护电位，施加交流干扰电流密度为10~150 A/m2，交流频率为50 Hz；在模拟土壤溶液中浸泡168 h。

图2为X65管线钢在有无阴极保护条件下受交流电流干扰时的腐蚀速率。从图中可以看到，施加-0.85 V阴极保护电位后，X65管线钢试片受同样大小的交流电流密度干扰时，腐蚀速率明显降低；在0~50 A/m2交流电流密度干扰时，-0.85 V阴极保护电位保护下的X65试片腐蚀速率非常小。根据NACE RP-0775-91标准对平均腐蚀速率的规定，腐蚀速率小于0.1 mm/a，属于轻度腐蚀范围，阴极保护效果良好；当交流干扰电流密度值到110 A/m2时，腐蚀速率大于0.1 mm/a，-0.85 V阴极保护电位已经不能给X65管线钢试片提供良好的保护。

图2   X65管线钢在有/无阴极保护条件下受交流电流干扰时的腐蚀速率

Fig.2   Corrosion rates of X65 steel without and with cathodic protection under AC interference

在实验过程中电源接通后，阴极碳棒附近缓慢产生气泡，阳极X65腐蚀试片表面生成墨绿色腐蚀产物，然后变成红棕色，最终变为黑色，并且随电流密度的增大，腐蚀产物越来越多，溶液越来越浑浊。从图3中可以看到在-0.85 V阴极保护下，随X65管线钢试样受交流干扰电流密度的增加，试样受腐蚀明显越来越严重。当电流密度在0~30 A/m2时，X65管线钢试样表面腐蚀程度比较轻，产物较少；在电流密度提高到50~150 A/m2时，管线钢试样表面产物由比较少的薄层，逐渐加重到电极表面被较厚的腐蚀产物完全覆盖，腐蚀程度加重。并且试片表面腐蚀程度呈圆环状改变，当交流干扰电流密度较小时，腐蚀产物主要集中在电极表面中心处，但是当干扰电流密度超过30 A/m2，试片四周的腐蚀程度要比中心处更严重些，电流密度自中心向四周逐渐减小导致了腐蚀程度随之改变。

图3   阴极保护 (-0.85 V) 下X65管线钢在不同电流密度的交流电干扰时的腐蚀形貌及SEM形貌

Fig.3   Corrosion macroscopic morphologies (a) and SEM surface images (b) of X65 steel under cathodic protection of -0.85 V and AC interference of 10 A/m2 (a1, b1), 30 A/m2 (a2, b2), 50 A/m2 (a3, b3), 110 A/m2 (a4, b4) and 150 A/m2 (a5, b5) densities

不同实验条件下X65钢的微观形貌如图3b所示。可以看到，在10 A/m2交流电流干扰时，表面比较光滑，基本没有腐蚀凹坑的出现，主要以轻微的均匀腐蚀为主。当交流干扰电流密度超过30 A/m2时，试样表面开始出现点蚀坑，腐蚀程度加重，在交流电流密度30和50 A/m2时点蚀坑逐渐增多，但是分布较为稀疏，在电流密度超过110 A/m2后试样发生严重的点蚀，并且腐蚀凹坑深度增加，直径变大，凹坑分布密集并且逐渐相连成片或成为更大的腐蚀凹坑，说明此时腐蚀程度严重[11,12]。

将X65管线钢试样放入模拟土壤溶液中，测得X65管线钢试样在不同交流电流密度干扰下的开路电位情况如图4a所示。在无交流干扰时，开路电位在-0.72 V左右；施加180 A/m2的交流电流后，开路电位负向偏移至-0.85 V左右，表明试样腐蚀倾向上升，越容易发生腐蚀。

图4   不同电流密度的交流电干扰下X65管线钢的开路电位及极化曲线

Fig.4   Open circuit potentials (a, b) and polarization curves (c) of X65 steel in simulated solution under AC interference of different current densities

先对X65管道钢试片阴极保护恒电位极化600 s，随后施加10~180 A/m2的交流干扰，待极化稳定后，测量X65管道钢试片的极化电位。图4b显示了在-0.85 V阴极保护条件下，X65管线钢试片受到不同电流密度的交流电流干扰时极化电位的变化情况。与无阴极保护时不同的是，当受到交流杂散电流干扰时，X65管线钢试片阴极保护极化电位从-0.85 V开始向正向偏移，并且随着交流电流密度的增加正向偏移量逐渐增加。当电流密度为30 A/m2时，极化电位正向偏移至-0.84 V，当交流电流密度为110 A/m2时，极化电位正向偏移至-0.80 V；并且随着交流电流密度的增加，增加相同的电流密度值，极化电位正向偏移值越来越大，在0~30 A/m2，极化电位正向偏移了0.01 V，而在150~180 A/m2之间，极化电位正向偏移了0.04 V。

无阴极保护时，结合Lalvani给出的数学模型解释了腐蚀电位变化的原因[13]。当有阴极保护给定恒定电位时，X65管线钢受到阴极极化，受到交流电流干扰后，X65管线钢会发生阴极极化和阴极去极化反应 (阳极氧化反应)，在此阴极保护电位下，X65管线钢正半周期内的阳极氧化速率大于负半周期内的阴极极化速率，因此使得X65管线钢的极化电位发生正向偏移。

待开路电位稳定后紧接测量流程开始测得试样在不同交流电流密度干扰下的极化曲线如图4c所示。交流电流密度从0~180 A/m2，阳极极化曲线更加倾斜，阴极极化曲线变化不明显，交流干扰对阳极反应影响程度大于对阴极反应的影响。

图5为X65管线钢腐蚀电位随交流电流密度变化情况。交流干扰电流密度从0增加到180 A/m2，腐蚀电位从-0.769 V负向偏移至-0.895 V，腐蚀电位与金属腐蚀倾向性有关，腐蚀电位越低，腐蚀倾向越高，金属越易腐蚀。其次，在交流电流密度从0 A/m2增加到90 A/m2时，腐蚀电位下降了0.102 V，而从90 A/m2增加到180 A/m2时，仅下降了0.024 V，负向偏移速度减小。

图5   X65管线钢腐蚀电位和腐蚀速率随交流电流密度变化曲线

Fig.5   Variation curves of corrosion potential (a) and corrosion rate (b) of X65 pipeline steel with AC density

X65管线钢电极在没有外界杂散电流干扰时，电极阴阳极反应达到平衡时腐蚀电位稳定。当交流电流从X65管线钢电极上流出时，一大部分电流作为非法拉第电流流过电极与模拟土壤溶液的双电层，不参与到电极的化学反应，不改变电极电位。而另一小部分为法拉第电流，这部分外加电流会作用于电极反应，管线钢电极的反应平衡被打破，电极被极化，腐蚀电位会相应的发生变化，待受到干扰后电极极化反应达到再次平衡后，此时的电极电位为受到交流电流干扰后的腐蚀电位。施加交流杂散电流干扰后的工作电极腐蚀电位是Tafel斜率之比和交流电流峰值电压的函数，当交流电流密度增加时相应的峰值电压Ep也增大，由电化学参数表中可知，Tafel斜率之比小于1，因此腐蚀电位随着交流电流密度的增加而负向偏移，也表征了X65管线钢发生腐蚀的倾向提高。

X65管线钢试样腐蚀速率可以用法拉第定律计算，得出电流密度对应的理论腐蚀速率。如图5b所示，X65管线钢试样的腐蚀速率与交流电流密度呈正相关线性增加。交流电流的干扰使得X65管线钢电极的电极反应平衡状态被打破，交流电流有方向交替变换的两个半周期，当在正半周期时，管线钢试片作为阳极发生氧化反应，金属失掉电子被腐蚀溶解，反应电流密度增加，加剧了管线钢试片的腐蚀；在负半周期时，管线钢试片作为阴极而发生阴极极化反应，阳极反应电流密度减小，此时电极相当于被阴极保护，但是腐蚀反应是不可逆的，产生的腐蚀产物已经不能被还原。结合图5b极化曲线可知在交流电流正半周期阳极反应电流密度的增加量大于负半周期内的电流密度的减小量，整体来看阳极反应电流密度增加，X65管线钢腐蚀速率增加。也就是说交流电正负半周期的阳极反应电流密度不对称性以及腐蚀反应的不可逆性，增大了X65管线钢的腐蚀速率。

以X65管线钢试样为研究对象，施加-0.85 V阴保电位，研究交流电流频率对试样的腐蚀影响规律。选取50和150 A/m2两个交流电流密度，设定交流电流频率分别为10~500 Hz。待试样开路电位稳定后，打开电化学工作站的动电位极化模块开始测量试样的极化曲线，测得结果如图6所示。

图6   不同频率的交流电干扰下X65管线钢的极化曲线

Fig.6   Polarization curves of X65 steel under AC interference of 50 A/m2 (a) and 150 A/m2 (b) current densities and different frequencies

从图中可以看出虽然交流电流密度不同，但是腐蚀电位与交流频率呈正相关向正向偏移。阳极极化曲线左移，阳极反应电流密度与交流频率呈负相关。如图7a所示为X65管线钢试样施加50 A/m2和150 A/m2交流电流密度干扰，腐蚀电位随电流频率的变化情况。腐蚀电位与电流频率呈正相关关系向正向偏移，并且随着频率增大到200~500 Hz时，腐蚀电位增大减缓趋于直线，并可推测随着交流频率的无限增大，腐蚀电位将稳定在某一值不变化[13-15]。

图7   不同频率的交流电干扰下X65管线钢的腐蚀电位

Fig.7   Corrosion potentials (a) and corrosion rates (b) of X65 steel under AC interference of different frequencies

绘制腐蚀速率随交流频率变化情况如图7b所示。50和150 A/m2交流电流密度干扰下，X65管线钢试样腐蚀速率与交流频率呈负相关，上文分析交流频率的增加减小了流过电极的法拉第电流，降低了参与电极阳极反应的电流密度。频率的增加也减小了交流电流正负半周期各自的时间，使得阳极反应电流密度的差值减小，即不对称性减小，电极的腐蚀速率减小。当交流频率增加到200 Hz以上时，腐蚀速率曲线趋于水平，可见大频率的交流电流能够缓解本身对于埋地钢质管道的腐蚀干扰。

选取50和50 A/m2交流电流干扰时，施加-0.85 V阴保电位，在溶液pH=2~12时对管道钢进行电化学实验测试。图8为不同pH溶液下X65管线钢受交流干扰的腐蚀电位变化，随着pH值的增大，开路电位呈线性减小，pH值越小表明模拟土壤溶液中的H+浓度越高，溶液本身的化学势较高，X65管线钢在其中的开路电位升高。

图8   不同pH溶液中交流电流干扰下X65管线钢的开路电位及极化曲线

Fig.8   Open circuit potentials (a) and polarization curves (b, c) of X65 steel under AC interference in simulated solutions with different pH values

如图8b，c所示为交流电流干扰分别为50和150 A/m2交流电流干扰时，管线钢试样在pH=2~12的溶液中的极化曲线。

整体看pH从2变化到12时，腐蚀电位Ecorr与pH值呈负相关，其值不断减小。酸性、碱性溶液分开来看，随着从中性溶液变酸和变碱时，腐蚀电流密度都不断增加，腐蚀速率也都不断增加。腐蚀电位Ecorr本质上属于热力学定义[16,17]，能够表征金属电极发生腐蚀反应的趋势，腐蚀电位与pH值的相关关系可用 式 (1) 表述。从式中可以腐蚀电位Ecorr与溶液pH值呈线性相关关系，并且随着pH值的减小逐渐正向增大。

其中，nc是反应电子转移数，F是Faraday常数值，kc是H+还原反应速度常数，vc是H+的反应级数，Ee,a为电极阳极氧化反应的平衡电位，I0，a为电极阳极氧化反应交换电流密度。

对于腐蚀电流密度Icorr，可以推得如下公式：

其中，λa和λc是阳极和阴极电极反应的传递系数。说明腐蚀电流密度取对数值与溶液的pH值呈线性相关，Icorr随pH值降低而逐渐增大，腐蚀速率相应增加。

试片腐蚀速率可以用Faraday定律计算，得出电流密度对应的理论腐蚀速率，如图9所示。从中性溶液开始pH逐渐变小或者逐渐变大时，X65管线钢试样的腐蚀速率均逐渐增大，在溶液逐渐变酸性时，腐蚀速率近似呈线性上升，pH从7变化到2时，腐蚀速率上升了1.289 mm/a，从7变化到12时，腐蚀速率上升了1.13 mm/a，说明酸性溶液对于杂散电流的腐蚀进程促进作用更强。

图9   不同pH溶液中交流电流干扰下X65管线钢的腐蚀速率

Fig.9   Corrosion rates of X65 steel under AC interference in simulated solutions with different pH values

(1) 交流电流密度增大了X65管线钢试样阳极反应电流密度，加大了交流电正负半周期内管线钢电极阳极反应电流密度变化的不对称性，进而使管线钢的腐蚀速率增大，并且腐蚀倾向提高，容易发生腐蚀。阳极反应电流密度与交流频率呈负相关，交流频率的增加减小了流过电极的法拉第电流，降低了参与电极阳极反应的电流密度。交流频率的增加也减小了交流电流正负半周期各自的时间，使得阳极反应电流密度的差值减小，即不对称性减小。

(2) 对X65管线钢试片施加-0.85 V阴极保护电位后，随着交流电流密度的增大，腐蚀电位逐渐向-0.85 V正向偏移，并且偏移幅度越来越大。当交流电流密度在0~50 A/m2时，X65管线钢电极表面腐蚀极其轻微，阴极保护有效；超过50 A/m2后，腐蚀速率快速上升，超过110 A/m2后达到中度腐蚀，-0.85 V阴极保护已经失效。观察腐蚀形貌可以看到由均匀腐蚀加重到点蚀坑加密，到逐渐相连成片成为更大的腐蚀凹坑。因此在交流干扰程度较大的环境中，应该设置排流保护措施，并增加阴保系统电流输出，保证管线电位处于-0.85~-1.2 V (CSE) 阴保电位范围内。

(3) X65管线钢试样开路电位与pH值呈负相关，溶液pH值越小，电解质中H+浓度越高，溶液化学势增大，并且酸性溶液对于交流杂散电流干扰的促进作用更强烈。