鹽堿環(huán)境中變電站接地體材料的腐蝕行為研究

楊 明，程 好

(1.江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇 南京211102；2.連云港供電公司，江蘇 連云港222100)

變電站的接地網(wǎng)是確保變電站工作接地、保護(hù)接地和防雷保護(hù)接地的必要設(shè)施，也是保障人身和設(shè)備安全、保證變電站可靠運(yùn)行的重要手段，對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行起著重要的作用。但是長(zhǎng)期埋在地下的接地網(wǎng)，由于土壤的腐蝕作用，7～8年便發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞[1]。從而毀壞電網(wǎng)中的二次設(shè)備，如直流、保護(hù)、通信等設(shè)備，引發(fā)事故甚至危及人身安全，接地裝置的腐蝕是導(dǎo)致事故的主要原因之一[2]。

近年來(lái)隨著我國(guó)電力需求量的增大，在沿海等鹽堿地區(qū)將建設(shè)更多的變電站等電力設(shè)施，其腐蝕環(huán)境的惡劣將使得接地網(wǎng)的腐蝕和安全問(wèn)題更為突出。因此開(kāi)展鹽堿土壤中接地材料腐蝕行為和防腐蝕材料的研究，對(duì)保證接地網(wǎng)接地性能的穩(wěn)定性，和電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著非常重要的作用。變電站的接地材料主要有鍍鋅鋼、銅或鍍銅材料以及鍍鋅鋼+導(dǎo)電涂料。我國(guó)變電站的接地體大多采用鍍鋅鋼材料，不能解決接地體的腐蝕問(wèn)題[3]。而銅的耐腐蝕性強(qiáng)，在土壤中的銅接地網(wǎng)表面會(huì)產(chǎn)生附著力極強(qiáng)的Cu（OH）2，它的形成對(duì)內(nèi)部的銅材起到了很好的保護(hù)作用，有效地阻斷了腐蝕的進(jìn)一步進(jìn)行[4]，美國(guó)和歐洲國(guó)家大都使用銅材作為變電站接地網(wǎng)材料。近年來(lái)國(guó)內(nèi)一些大的發(fā)電項(xiàng)目地網(wǎng)也開(kāi)始采用銅材，如浙江北侖電廠、大亞灣核電、秦山核電、廣東抽水蓄能電站等。但有研究表明，當(dāng)土壤中含有氯離子時(shí)，由于Cu會(huì)與土壤中大量氯離子形成（CuCl2-）絡(luò)合離子，加速了銅的局部腐蝕[5]；有報(bào)道稱(chēng)沿海地區(qū)鍍鋅鋼+導(dǎo)電涂料具有較好綜合技術(shù)性能[6]。

1 試樣和試驗(yàn)方法

1.1 試樣

試驗(yàn)用的試樣有市售4 mm厚的鍍鋅扁鋼接地體（鍍鋅層厚度實(shí)測(cè)值為33.2～108.6μm）、涂覆有納米碳防腐導(dǎo)電涂料的鍍鋅鋼（涂層厚度為100.4～123.7μm）和1 mm厚的黃銅板。試樣尺寸為100 mm×40 mm（長(zhǎng)×寬）。用剛玉砂布打磨除去銅和鍍鋅鋼試樣表面氧化皮至光亮，稱(chēng)取初始重量，在試樣一端機(jī)械引出導(dǎo)線，銅片的導(dǎo)線端及鍍鋅鋼片兩端用熱縮帶封閉，測(cè)量暴露面積，用無(wú)水乙醇和丙酮去污、去脂。試驗(yàn)用土壤為江蘇沿海某變電站場(chǎng)地原始土和回填土，土壤的腐蝕性參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)用土壤的腐蝕性參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

接地網(wǎng)在土壤中的腐蝕屬于典型的電化學(xué)腐蝕，同時(shí)存在著陰極反應(yīng)和陽(yáng)極反應(yīng)2個(gè)過(guò)程，陰極、陽(yáng)極和土壤電解質(zhì)共同構(gòu)成腐蝕電池。以鐵為例，其主要電極反應(yīng)過(guò)程如下。

（1）陽(yáng)極反應(yīng)過(guò)程：

（2）陰極反應(yīng)過(guò)程：

接地網(wǎng)在土壤中的腐蝕主要受陰極反應(yīng)過(guò)程控制；氫氧化亞鐵在土壤中的氧和水的作用下進(jìn)一步反應(yīng)生成氫氧化鐵，最后轉(zhuǎn)化成氧化鐵等腐蝕產(chǎn)物。本實(shí)驗(yàn)將試樣埋入上述2種土壤中，一定時(shí)間后取出試樣，清除試樣表面的腐蝕產(chǎn)物，烘干，稱(chēng)重，計(jì)算自腐蝕狀態(tài)下腐蝕失重量。在埋設(shè)期間定期測(cè)量試樣的自腐蝕電位和腐蝕速度，研究鹽堿土壤下接地材料的腐蝕行為和演變規(guī)律。試樣的自腐蝕電位采用阻抗大于10 MΩ的數(shù)字電壓表和飽和硫酸銅電極測(cè)量。試樣的腐蝕速度通過(guò)測(cè)量極化電阻并通過(guò)式（1）計(jì)算得到：

式（1）中：B為塔費(fèi)爾常數(shù)；Rp為極化電阻，它是自腐蝕電位附近的極化電位ΔE與極化電流I的比值。

本試驗(yàn)試樣的極化電阻采用三電極體系的恒電位法測(cè)量，參比電極為飽和甘汞電極，鉑電極為對(duì)電極，室溫下測(cè)試，測(cè)試儀器為PS-168型電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，極化電位為自然電位偏移正負(fù)10 mV。測(cè)試裝置示意如圖1所示。

圖1 試樣極化電阻測(cè)量示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 試樣腐蝕狀況和腐蝕量

試樣在2種土壤中埋設(shè)腐蝕219 d后從土中取出，各試樣已發(fā)生了不同程度的腐蝕，不同接地材料在土壤中的腐蝕情況如圖2—4所示。

圖2 鍍鋅鋼在土壤中腐蝕情況

由圖2（a）可見(jiàn)，鍍鋅鋼片表面出現(xiàn)白色的氫氧化鋅和黃色的氧化鐵，表明不僅鍍鋅層已發(fā)生局部破壞，內(nèi)部的鋼也發(fā)生了腐蝕，2號(hào)土壤中的腐蝕較1號(hào)土嚴(yán)重。由圖3可見(jiàn)，試樣表面的導(dǎo)電涂層已鼓泡破損，且已出現(xiàn)鐵腐蝕的黃色銹跡，表明導(dǎo)電涂層在這2種土壤中對(duì)鍍鋅鋼接地體沒(méi)有明顯保護(hù)效果。由圖4可見(jiàn)，銅片在1號(hào)土壤中表面已有較多的綠色銅銹，出現(xiàn)較大面積的腐蝕坑斑，而在2號(hào)土壤中只出現(xiàn)細(xì)小的腐蝕淺坑，腐蝕較為輕微。鍍鋅鋼和銅的腐蝕失重量如表2所示。

圖3 涂覆有導(dǎo)電涂料鍍鋅鋼在土壤中腐蝕情況

圖4 銅片在土壤中腐蝕情況

表2 接地體試樣腐蝕失重量

由表2可見(jiàn)，不同土壤對(duì)鍍鋅鋼和銅具有不同的腐蝕性，就不同土壤，鍍鋅鋼在2號(hào)土壤中腐蝕速率較高，為1號(hào)土壤的1.86倍；而銅在2號(hào)土壤中的腐蝕速率則較低，僅為1號(hào)土壤的18.8%。這是由于2號(hào)回填土與1號(hào)的原始土相比，疏松，含氧量高的原因，對(duì)于氧去極化引起腐蝕的鍍鋅鋼，氧氣含量越大，腐蝕越嚴(yán)重；而對(duì)于銅而言，氧氣含量充分時(shí)能在銅表面形成具有保護(hù)作用的Cu（OH）2。在同一土壤中，不同的接地體材料具有不同的抗腐蝕能力，在1號(hào)土壤中，銅的腐蝕速率是鍍鋅鋼的29.3%，在2號(hào)土壤中銅的腐蝕速率是鍍鋅鋼的3.0%，說(shuō)明在2種鹽堿土中銅均具有較高的耐腐蝕能力。接地材料埋設(shè)試驗(yàn)表明：（1）鋼表面的鍍鋅層以及導(dǎo)電涂層在鹽堿土壤中在較短時(shí)間內(nèi)就腐蝕或失效，對(duì)接地體保護(hù)效果較小。（2）在2種鹽堿土壤中，銅的腐蝕速率分別是鍍鋅鋼的29.3%和3.0%，銅的耐蝕性明顯好于鍍鋅鋼。

2.2 試樣自腐蝕電位隨時(shí)間演變

鍍鋅鋼、導(dǎo)電涂料鍍鋅鋼和銅試樣在土壤中的自腐蝕電位隨時(shí)間的演變?nèi)鐖D5所示。

圖5 3種接地體試樣在土壤中的自腐蝕電位隨時(shí)間變化

由圖5可見(jiàn)，鍍鋅鋼初期自腐蝕電位較負(fù)，表明鍍鋅層處于活性腐蝕狀態(tài)，隨著埋設(shè)試驗(yàn)的進(jìn)行，鍍鋅層不斷腐蝕破損，電位逐步正移，在2種土壤中埋設(shè)分別約為70 d和30 d時(shí)，電位已正于-700 mV，與鋼的自腐蝕電位相當(dāng)，說(shuō)明此時(shí)鍍鋅層已破壞。而后電位分別穩(wěn)定-700～-650 mV和-700～-550 mV之間，表明試驗(yàn)期間鋼一直處于活化腐蝕狀態(tài)。導(dǎo)電涂料鍍鋅鋼初始有涂層的保護(hù)，電位較低，隨后電位較快負(fù)移，在2種土壤中埋設(shè)分別約為10 d和30 d時(shí)，電位已負(fù)于-700 mV，開(kāi)始表現(xiàn)出鋅的電位，說(shuō)明此時(shí)導(dǎo)電涂層已破損，到約50 d時(shí)，電位達(dá)到最負(fù)值，而后又逐漸正移，鍍鋅層逐步開(kāi)始腐蝕，分別約在160 d和100 d，電位已基本與鍍鋅鋼試樣的電位重合。由此表明鍍鋅鋼和導(dǎo)電涂層在2種土壤中有效保護(hù)時(shí)間很短。銅在2種土壤的電位明顯正于鍍鋅鋼試樣，其耐蝕能力較高。

2.3 試樣腐蝕速率隨時(shí)間演變

鍍鋅鋼和銅試樣在2種土壤中的腐蝕速率隨時(shí)間的變化如圖6所示。

圖6 接地體試樣在2種土壤中的腐蝕速度隨時(shí)間變化

從圖6（a）可見(jiàn)，鍍鋅鋼在埋設(shè)初期腐蝕速率較高，同樣表明鍍鋅層在鹽堿土壤中具有較高的腐蝕活性，隨著埋設(shè)時(shí)間的延長(zhǎng)，腐蝕速率逐漸降低，內(nèi)部鋼開(kāi)始腐蝕，1號(hào)原始土中的腐蝕速度基本維持在約3（g/dm2）·a，而在含氧量高的2號(hào)土中腐蝕速率又再次升高6～17（g/dm2）·a。對(duì)于銅試樣來(lái)說(shuō)，在1號(hào)土壤中初期腐蝕速率約為2.5（g/dm2）·a，而后略有下降至1.1～1.9（g/dm2）·a之間波動(dòng)；而在2號(hào)中其腐蝕速率明顯較低，初期為1.1（g/dm2）·a，隨著銅表面氧化膜的不斷形成，腐蝕速率逐步降低，基本穩(wěn)定在約0.1（g/dm2）·a。由此可見(jiàn)，在試驗(yàn)的2種鹽堿土中，銅材的腐蝕速率均低于鍍鋅鋼的腐蝕速率。在原始土中，銅的腐蝕速率約為鍍鋅鋼的1/2，但在回填土中銅的腐蝕速率比鍍鋅鋼有明顯的降低，約只有其1%。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)鍍鋅鋼、導(dǎo)電涂層鍍鋅鋼和銅3種接地體材料在取自江蘇沿海某變電站場(chǎng)地鹽堿土中的腐蝕試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

（1）在鹽堿土壤中鍍鋅層呈現(xiàn)高的腐蝕活性，對(duì)鋼不具有保護(hù)作用。納米碳導(dǎo)電防腐涂料對(duì)鋼也沒(méi)有明顯的保護(hù)效果。

（2）不同的土壤對(duì)不同的接地體材料的腐蝕特性不同，在2種鹽堿土壤中，銅的平均腐蝕速率分別為1.407（g/dm2）·a和0.264（g/dm2）·a，是鍍鋅鋼的29.3%和3.0%，銅的耐蝕性明顯好于鍍鋅鋼。

（3）鍍鋅鋼在原始土中，銅在回填土中的腐蝕速率表現(xiàn)為隨時(shí)間逐漸下降并趨于穩(wěn)定的規(guī)律；銅在2種土壤中的穩(wěn)定腐蝕速率分別約為1.5（g/dm2）·a和0.1（g/dm2）·a，鍍鋅鋼在原始土中的腐蝕速率約為3（g/dm2）·a，在回填土的腐蝕速率大于10（g/dm2）·a，應(yīng)根據(jù)土壤的性質(zhì)選擇合適的接地體材料。

[1]楊道武，朱志平，李宇春，等.電化學(xué)與電力設(shè)備的腐蝕與防護(hù)[M].北京：中國(guó)電力出版，2004：220-221.

[2]黃小華，邵玉學(xué).變電站接地網(wǎng)的腐蝕與防護(hù)[J].全面腐蝕控制，2007，21(5)：21-25.

[3]張富順.變電所銅接地網(wǎng)與扁鋼接地網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)[J].江蘇電機(jī)工程，2006，25(2)：23-24.

[4]朱忠偉，吳一平，葛紅花.變電站接地網(wǎng)腐蝕與防護(hù)研究進(jìn)展[J].上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，25(9)：570-574.

[5]鹿中暉，章鋼婭，王永紅，等.銅在典型內(nèi)陸鹽土中的腐蝕特征[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2009，21(6)：522-526.

[6]歐洲華.變電站接地裝置的腐蝕機(jī)理及防腐措施研究[J].中國(guó)西部科技，2009，08(19)：4-6.