Q235扁鋼接地材料雜散電流腐蝕行為研究

祝酈偉，楊丙坤，劉敏，胡家秀，3，錢洲亥

(1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310006；2.中國科學(xué)院 金屬研究所，遼寧 沈陽 110016；3.國家金屬腐蝕控制工程技術(shù)研究中心，遼寧 沈陽 110016)

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Q235扁鋼接地材料雜散電流腐蝕行為研究

祝酈偉1，楊丙坤2，劉敏1，胡家秀2，3，錢洲亥1

(1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310006；2.中國科學(xué)院 金屬研究所，遼寧 沈陽 110016；3.國家金屬腐蝕控制工程技術(shù)研究中心，遼寧 沈陽 110016)

針對接地網(wǎng)服役過程中的雜散電流腐蝕問題，在模擬交、直流雜散電流干擾條件下，研究了Q235扁鋼接地材料的腐蝕行為，利用掃描電鏡(SEM)和X線衍射(XRD)等方法研究了材料的腐蝕形貌及腐蝕產(chǎn)物，分析了材料的電位、電流變化規(guī)律及腐蝕失重.結(jié)果表明：雜散電流腐蝕具有集中腐蝕特征，腐蝕產(chǎn)物層疏松多孔，有明顯裂紋、分層、脫落現(xiàn)象，對基體不具有保護(hù)作用，腐蝕產(chǎn)物主要成分為Fe3O4和Fe2O3；失重測量結(jié)果顯示，雜散電流存在時Q235扁鋼腐蝕速率會大大增加，同等電流密度下，直流雜散電流腐蝕速率約為交流雜散電流的18倍；雜散電流腐蝕具有明顯的電解腐蝕特征，電流流入金屬構(gòu)件部位成為陰極而受到保護(hù)，相反電流流出的部位成為陽極而受到腐蝕.

Q235扁鋼；雜散電流；腐蝕產(chǎn)物；腐蝕速率

接地金屬材料的土壤腐蝕是引發(fā)變電站事故的重要原因.由于金屬材料埋于地下，腐蝕情況隱蔽，開挖檢修維護(hù)工作量大且費(fèi)用高，會造成相應(yīng)成本的增加[1].目前，有關(guān)接地金屬材料土壤腐蝕快速評價方法已經(jīng)做了很多研究，如陳坤漢等[2]采用土壤理化參數(shù)作為評價依據(jù)；翁永基等[3]利用交流阻抗技術(shù)研究沙漠接地材料的腐蝕行為；范璇等[4]通過對弱極化曲線數(shù)據(jù)處理得到材料腐蝕電流密度，依此評價土壤腐蝕速度，但尚不完善，沒有形成判斷土壤中金屬材料腐蝕速度的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范.由于土壤是由固相、液相、氣相組成的混合體系，成分復(fù)雜、不均勻，土壤腐蝕環(huán)境較大氣和海水復(fù)雜得多，腐蝕因素呈現(xiàn)多元化[5-6].

除了土壤自身腐蝕因素外，土壤中雜散電流引起的腐蝕問題也受到國內(nèi)外專家學(xué)者的關(guān)注，并進(jìn)行了大量研究[7-15]，這對認(rèn)識雜散電流腐蝕來源、機(jī)理、危害及防護(hù)有重要指導(dǎo)意義.土壤中的雜散電流主要有3種形態(tài)，分別為交流電流、直流電流和大地中的地電流，這3種形態(tài)各自具有不同的行為特點(diǎn).但是對于埋地金屬構(gòu)件有明顯腐蝕效果的是交流電流干擾和直流電流干擾[16].雜散電流腐蝕具有局部集中特點(diǎn)[17]，在短期內(nèi)就可能形成穿孔事故.雜散電流腐蝕不僅造成金屬構(gòu)件的失效，直接造成工程事故和經(jīng)濟(jì)損失，而且間接會對周圍的環(huán)境產(chǎn)生污染，造成環(huán)境損失.目前，對于雜散電流腐蝕的研究多集中在長距離輸送管道、船舶工程、軌道交通等領(lǐng)域，接地材料的雜散電流腐蝕問題研究比較有限.電力輸送分為高壓直流輸電和高壓交流輸電，二者都是以大地為回路，當(dāng)電流流經(jīng)接地網(wǎng)時，接地材料會在電流的作用下發(fā)生嚴(yán)重的電解腐蝕，且頻率越低，電解腐蝕越嚴(yán)重[18].變電站接地網(wǎng)存在嚴(yán)重雜散電流腐蝕傾向，對其進(jìn)行研究對變電站安全運(yùn)行具有重大意義.

因此，本文通過模擬直流、交流雜散電流干擾下Q235扁鋼接地材料的土壤腐蝕行為，分析腐蝕產(chǎn)物形貌、組成，研究Q235碳鋼電化學(xué)參數(shù)變化規(guī)律，得出雜散電流腐蝕特點(diǎn)，為變電站接地網(wǎng)雜散電流腐蝕防護(hù)工作提供參考.

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)土壤取自浙江省某110 kV變電站，取樣深度0.7 m，相關(guān)離子參數(shù)見表1.土壤經(jīng)自然干燥后，研磨并過0.3 mm篩篩分，篩下土壤于105 ℃下烘干6 h備用.根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，用去離子水將上述土樣配制成含水率15.80%的土壤介質(zhì).實(shí)驗(yàn)所用金屬基體材料為Q235鋼，試片尺寸為20 mm×20 mm×3 mm，主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為：C 0.14，Si 1.41，Mn 0.44，P 0.015，S 0.031，F(xiàn)e 余量.實(shí)驗(yàn)前，試片右上角鉆一直徑2 mm孔，試片用400#，600#，800#金相砂紙逐級打磨至鏡面.后用蒸餾水沖洗，再用丙酮、無水乙醇清洗，吹風(fēng)機(jī)吹干，最后用濾紙包好，放入干燥器內(nèi)，24 h后用精度0.1 mg天平稱重.將干燥后試片用絕緣防水膠帶密封，試片正中平整處破壞密封膠帶，漏出基體，破損面積為1 cm2.

表1 土壤離子參數(shù)

圖1是自制土壤實(shí)驗(yàn)箱示意圖，交直流恒流源分別采用沈陽君印科技JY3000精密交流電流源、北京億良科技YL4012精密直流電流源，用于交、直流雜散電流的加載，實(shí)驗(yàn)加載干擾電流均為8 mA.將試片與鍍鉑鈦電極埋入土壤試驗(yàn)箱中，回路串聯(lián)一精密低電阻(R=1 Ω)，用精密微伏電壓測試儀測量電阻兩端電壓，通過伏安法測試回路電流大小.用飽和甘汞電極作參比測量試片電位值.為保證實(shí)驗(yàn)過程中土壤含水量的恒定，定期稱量試驗(yàn)箱質(zhì)量，適時補(bǔ)充水分.實(shí)驗(yàn)周期為12 d.整個實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)土壤實(shí)驗(yàn)箱處于密封狀態(tài).

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，取出試片，去除表面附著土壤，用ESEM XL30 FEG環(huán)境掃描電鏡(ESEM)對腐蝕產(chǎn)物形貌進(jìn)行觀察，利用電鏡自帶的能譜儀(EDS)以及X線衍射儀(XRD)分析腐蝕產(chǎn)物成分.試樣除銹、干燥后，用精度0.1 mg的分析天平進(jìn)行失重測量.

1 鍍鉑鈦電極；2 交/直流恒流源；3 精密電阻；4 微伏計；5 試片；6 試片開孔處.圖1 土壤實(shí)驗(yàn)箱示意圖Fig.1 Schematic diagram of soil test chamber

2 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕形貌

圖2是實(shí)驗(yàn)結(jié)束后試片宏觀低倍SEM形貌圖.觀察試片表面形貌同時結(jié)合圖2可知：自然狀態(tài)(未加載直流、交流雜散電流)下(圖2a)，腐蝕產(chǎn)物呈紅棕色，片狀分布且有連接長大趨勢，逐步從局部腐蝕過渡到均勻腐蝕，腐蝕程度很小，試片表面劃痕清晰可見；直流雜散電流從土壤流入試片處(圖2b)，腐蝕產(chǎn)物幾不可見，且試片裸露處仍有明顯金屬光澤，說明在直流干擾下發(fā)生的電化學(xué)腐蝕反應(yīng)其作為陰極被保護(hù)，未受到腐蝕；直流雜散電流從試片流入土壤處(圖2c)，試片表面有明顯且較深腐蝕坑，腐蝕產(chǎn)物部分已脫落，總體呈疏松顆粒狀，產(chǎn)物層有明顯裂紋，腐蝕程度嚴(yán)重；交流雜散電流干擾下(圖2d)，試片表面有腐蝕坑，但深度較直流條件下淺，腐蝕產(chǎn)物總體呈疏松細(xì)砂狀，產(chǎn)物層有明顯起皮、分層、脫落現(xiàn)象，與基體結(jié)合力差，腐蝕程度相對均勻.對比4張圖可以發(fā)現(xiàn)：1)相對自然狀態(tài)，雜散電流干擾會使Q235鋼的腐蝕程度加重；2)直流雜散電流干擾下，作為陰極的部分會受到保護(hù)，腐蝕程度很弱，而作為陽極的部分則會發(fā)生強(qiáng)烈的電解腐蝕；3)交流

a.無雜散電流干擾；b.直流雜散電流流入處；c.直流雜散電流流出處；d.交流雜散電流干擾.圖2 雜散電流腐蝕后試片表面宏觀腐蝕形貌SEM像Fig.2 SEM images of the corroded samples’ surface macro topography

雜散電流干擾下，發(fā)生腐蝕反應(yīng)的陰陽極隨電流方向的周期性變化而周期性互換，使得整體腐蝕情況不存在單獨(dú)的陰極部分和陽極部分，其腐蝕程度也弱于直流雜散電流干擾下陽極部分；4)雜散電流干擾下，Q235鋼表面腐蝕產(chǎn)物疏松易脫落，與基體的結(jié)合力弱，基體轉(zhuǎn)化為腐蝕產(chǎn)物時體積差的存在產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物層產(chǎn)生裂紋，而腐蝕產(chǎn)物層中的孔洞和裂紋會成為腐蝕介質(zhì)的通道，加速基體腐蝕[19].因此，腐蝕產(chǎn)物層對基體無保護(hù)作用，腐蝕情況會隨干擾時間的延長而更加嚴(yán)重.

圖3是實(shí)驗(yàn)結(jié)束后試片腐蝕產(chǎn)物表面放大后的高倍微觀形貌SEM圖.可以看出：在自然條件(無雜散電流干擾)下(圖3a)，腐蝕產(chǎn)物呈顆粒狀，與土壤顆粒膠著在一起，與基體結(jié)合力較強(qiáng)，不易脫落.直流雜散電流干擾下，電流從試片流入土壤處(圖3c)發(fā)生嚴(yán)重電解腐蝕，腐蝕產(chǎn)物呈絮狀，疏松易脫落，對基體不具有保護(hù)作用.交流雜散電流干擾下(圖3d)，腐蝕產(chǎn)物呈細(xì)砂狀，產(chǎn)物層較直流薄，疏松易脫落，對基體也不具保護(hù)作用.

通過觀察腐蝕產(chǎn)物表面形貌可知，雜散電流干擾下，Q235鋼表面腐蝕產(chǎn)物總體呈疏松狀，有明顯分層現(xiàn)象，易脫落，對基體無保護(hù)作用，因此，在持續(xù)雜散電流干擾下，Q235鋼的腐蝕情況只能愈發(fā)嚴(yán)重.

a.無雜散電流干擾；b.直流雜散電流流入處；c.直流雜散電流流出入；d.交流雜散電流干擾.圖3 雜散電流腐蝕后試片表面微觀腐蝕形貌SEM像Fig.3 SEM images of the corroded samples’ surface micro topography

2.2 腐蝕產(chǎn)物組成分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后取出試片，觀察表面腐蝕形貌，腐蝕產(chǎn)物呈黑綠色，一段時間后被氧化變?yōu)榧t褐色，經(jīng)EDS、XRD分析腐蝕產(chǎn)物成分，直流和交流雜散電流干擾下，金屬材料腐蝕產(chǎn)物組成大致相同，主要為Fe3O4和Fe2O3[20].姜子濤等[11]研究交流電對Q235碳鋼電位變化規(guī)律時，XRD分析結(jié)果顯示腐蝕產(chǎn)物組成為Fe3+O(OH) 和Fe2O3；杜翠薇等[22]研究Q235鋼在新加坡土壤環(huán)境中腐蝕行為時發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物組成為Fe3O4、Fe2O3、FeOOH和FeOCl.對于Q235碳鋼雜散電流腐蝕產(chǎn)物成分，許多科研工作者做過類似XRD分析，由于土壤腐蝕介質(zhì)自身性質(zhì)的差異，對于腐蝕產(chǎn)物組成尚沒有達(dá)成共識.雜散電流腐蝕機(jī)理同電解原理是一致的，電流流入金屬構(gòu)件部位成為陰極而受到保護(hù)，相反電流流出的部位成為陽極而受到腐蝕.陽極附近發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為

Fe→Fe2++2e,

Fe2++2OH-→Fe(OH)2,

4Fe(OH)2+2H2O+O2→4Fe(OH)3.

當(dāng)Fe被電解成離子態(tài)從陽極進(jìn)入土壤后，即和土壤中的OH-離子生成氫氧化亞鐵，然后再進(jìn)一步被氧化成氫氧化鐵——一種紅褐色的疏松組織，脫水后變成鐵的氧化物.

2.3 腐蝕失重結(jié)果

在相同實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，分別在自然、直流干擾、交流干擾條件下進(jìn)行2組平行實(shí)驗(yàn)，失重結(jié)果取二者平均值，換算成腐蝕速率，結(jié)果如表2所示.從表2可以看出：1)自然狀態(tài)下，Q235碳鋼的腐蝕速率為0.168 mm/a，說明在實(shí)驗(yàn)土壤中具有較差的耐蝕性；2)直流雜散電流流入金屬構(gòu)件處，金屬處于陰極保護(hù)狀態(tài)，腐蝕速率為0.028 mm/a，僅為自然狀態(tài)下的1/6；3)直流雜散電流流出金屬構(gòu)件處，金屬發(fā)生強(qiáng)烈陽極溶解反應(yīng)，腐蝕嚴(yán)重，腐蝕速率高達(dá)10.30 mm/a，是自然狀態(tài)下的61倍；4)交流雜散電流下，電流的方向隨頻率進(jìn)行交替變化，金屬試片表面無明確的進(jìn)出點(diǎn)，2個試片均受到腐蝕，腐蝕速率是自然狀態(tài)的3.3倍.

值得注意的是，失重結(jié)果顯示，交流雜散電流腐蝕速率是直流的5.36%，這與許多文獻(xiàn)[23-24]中指出的“交流雜散電流腐蝕的危害是直流雜散電流腐蝕的1%左右”不一致，但相關(guān)報道均未明確說明實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)操作細(xì)節(jié)，如是否同等電位或同等電流強(qiáng)度條件下，如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)等.本文通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)：在同等外加電流強(qiáng)度下，交流雜散電流腐蝕的危害是直流雜散電流腐蝕的5.36%，對充分認(rèn)識交流、直流雜散電流腐蝕危害有很大的補(bǔ)充作用.在雜散電流干擾下，Q235鋼表面形成疏松，易脫落的腐蝕產(chǎn)物，對基體不具有保護(hù)作用，同時其疏松多孔的特征反而會加速土壤中氧氣的擴(kuò)散，使腐蝕加重，強(qiáng)烈的電解作用和疏松的腐蝕產(chǎn)物層是導(dǎo)致雜散電流腐蝕程度高于自然狀態(tài)的根本原因.

表2 試片腐蝕速率

2.4 電化學(xué)參數(shù)變化

直流、交流雜散電流干擾下，試片電位、電流隨時間變化如圖4所示.在直流雜散電流干擾下(圖4a、b)，電流流入試片，該處受到陰極保護(hù)，電位更負(fù)，低于臨界腐蝕電位[21](圖4虛線處)；電流流出試片，該處金屬陽極溶解，電位高于臨界腐蝕電位，加劇腐蝕[15].電流變化呈現(xiàn)先增大后急劇減小至某一值左右小幅波動，說明腐蝕開始發(fā)生時，試片表面氧濃度較高，腐蝕速率隨時間呈增大趨勢；一定時間后，試片表面氧濃度下降，土壤含水量較大，氧擴(kuò)散較慢，此時腐蝕速率受氧擴(kuò)散控制，腐蝕速率急劇下降；腐蝕速率下降到某一值后，氧擴(kuò)散速率與試片表面陽極溶解速率達(dá)到平衡，腐蝕電流密度維持穩(wěn)定.在交流雜散電流干擾下(圖4c、d)，試片間電流隨頻率周期性變化，從圖4c中可以看出，隨實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，電位先急劇下降后逐漸穩(wěn)定在某一值，從圖4d中看出，試片間電流呈波動狀態(tài)，但幅度不大，基本穩(wěn)定.在一定頻率的交流干擾雜散電流加持下，試片表面與緊鄰?fù)寥澜橘|(zhì)處的雙電層進(jìn)行快速充放電，一定程度上起到了緩存作用，電流呈小幅波動狀態(tài).對比圖4a、b和圖4c、d可知，在交、直流雜散電流干擾下，Q235扁鋼接地材料的電位、電流變化規(guī)律具有很大差別，應(yīng)分別加以研究，不可一概而論.

3 結(jié)論

通過研究Q235扁鋼接地材料在浙江變電站土壤中的雜散電流腐蝕行為，結(jié)果顯示：1)雜散電流腐蝕具有集中腐蝕特征，腐蝕產(chǎn)物呈疏松狀，產(chǎn)物層有明顯裂紋、分層、脫落現(xiàn)象，對基體不具有保護(hù)作用.交、直流腐蝕產(chǎn)物組成大致相同，主要為Fe3O4、Fe2O3.2)雜散電流腐蝕具有明顯的電解腐蝕特征，電流流入金屬構(gòu)件部位成為陰極而受到保護(hù)，相反電流流出的部位成為陽極而受到腐蝕.3)失重分析顯示，相對自然狀態(tài)，在雜散電流干擾下，Q235接地扁鋼會加速腐蝕，且在同等外加電流強(qiáng)度下，交流雜散電流腐蝕的危害是直流雜散電流腐蝕的5.36%.4)隨反應(yīng)時間延長，交、直流雜散電流腐蝕電化學(xué)參數(shù)呈不同的特征，二者電位變化情況基本一致，均為先下降后穩(wěn)定趨勢，直流雜散電流呈先增后降最后穩(wěn)定的趨勢，交流雜散電流基本不出現(xiàn)衰減趨勢，在一定范圍波動.

a.直流雜散電流干擾下試片電位變化；b.直流雜散電流干擾下試片間電流變化；c.交流雜散電流干擾下試片電位變化；d.交流雜散電流干擾下試片間電流變化.圖4 試片電位、電流隨時間變化情況Fig.4 Potential and current of sample in corrosion progress

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(責(zé)任編輯：梁俊紅)

Stray current corrosion behavior of Q235 carbon steel grounding material

ZHU Liwei1,YANG Bingkun2,LIU Min1,HU Jiaxiu2,3,QIAN Zhouhai1

(1.State Grid Zhejiang Province Electric Power Research Institute,Hangzhou 310006,China;2.Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China;3.National Engineering Technical Research Center for Metal Corrosion Control，Shenyang 110016,China)

On the base of stray current corrosion(SCC) problems in the grounding grid service process，the corrosion behavior of Q235 carbon steel grounding material under simulation of AC or DC stray current interference conditions was studied by means of potential，current and corrosion weight loss measurement，and the corrosion morphology and products were characterized by SEM and XRD.The results showed that SCC had concentrated corrosion characteristics and the AC or DC SCC product layer was porous and had obvious crack，delamination and detachment，which implies its uselessness to protect the matrix.The corrosion products mainly consisted of Fe3O4and Fe2O3.The results of weight loss measurement showed that the corrosion rate of Q235 steel was increased under AC or DC stay current interference conditions and the corrosion rate of DC SCC was about 18 times of AC SCC under the same current density.SCC had obvious electrolytic corrosion characteristics.The area where current flowing into was protected as the cathode and the current outflow area was corroded as the anode.

Q235 carbon steel；stray current；corrosion product；corrosion rate

10.3969/j.issn.1000-1565.2016.05.008

2015-10-21

國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(50499333)；國家電網(wǎng)公司重點(diǎn)科技項(xiàng)目資助(5211DS120348)

祝酈偉(1979—)，男，浙江杭州人，國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)腐蝕與防護(hù)技術(shù)研究.E-mail:wwlyz@163.com

楊丙坤(1988—)，男，河北滄州人，中國科學(xué)院金屬研究所在讀碩士研究生，主要從事金屬材料土壤腐蝕與防護(hù)技術(shù)研究.E-mail:bkyang13s@imr.ac.cn

TG174

A

1000-1565(2016)05-0494-07