接地材料室內(nèi)外土壤腐蝕試驗(yàn)的相關(guān)性與評(píng)價(jià)方法

劉 欣,裴 鋒,田 旭,朱亦晨,劉光明,李財(cái)芳,賈蕗路

(1. 國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，南昌 330096； 2. 南昌航空大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，南昌 330063)

輸變電設(shè)備的接地裝置是防雷接地、工作接地和保護(hù)接地三者的統(tǒng)一體[1]。若變電站的接地裝置發(fā)生腐蝕，極易導(dǎo)致電力安全事故的發(fā)生，進(jìn)而威脅人身安全[2-3]。近年來(lái)，電力系統(tǒng)不斷向超高壓、大容量和遠(yuǎn)距離的方向發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的要求也日益提高，鋅包鋼、銅包鋼、不銹鋼覆層鋼、鋁鎂合金覆層鋼等一大批新型的接地材料不斷涌現(xiàn)[4-6]。與傳統(tǒng)接地材料(碳鋼、鍍鋅鋼)相比，新型接地材料在土壤中的腐蝕數(shù)據(jù)積累相對(duì)較少，腐蝕測(cè)試方法和評(píng)價(jià)體系尚不完善。

目前，西方發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于接地材料的腐蝕性能已經(jīng)進(jìn)行了深入研究，并建立了全面的防護(hù)工程標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的法律制度[7]。但我國(guó)的土壤腐蝕環(huán)境復(fù)雜多變，土壤理化性質(zhì)與國(guó)外存在較大差異[8-9]。完全照搬西方的管理和檢測(cè)制度，難以保證服役于我國(guó)復(fù)雜土壤環(huán)境中接地材料的可靠性。因此,開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便、可靠和規(guī)范化的土壤加速腐蝕試驗(yàn)方法，研究接地材料室內(nèi)外腐蝕試驗(yàn)的相關(guān)性及相應(yīng)的腐蝕評(píng)價(jià)方法，對(duì)于新型接地材料在我國(guó)典型土壤環(huán)境中的腐蝕數(shù)據(jù)積累及腐蝕評(píng)價(jià)工作具有重要意義[10-12]。

本工作通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)試驗(yàn)和室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)，并結(jié)合失重法測(cè)定了接地材料在我國(guó)四種典型土壤中的腐蝕速率，得出了接地材料在室內(nèi)外土壤中腐蝕試驗(yàn)的相關(guān)性及腐蝕評(píng)價(jià)方法。以期提出通用的接地材料耐蝕性測(cè)試方法和評(píng)估體系，從而對(duì)各接地材料進(jìn)行分級(jí)評(píng)估，指導(dǎo)工程應(yīng)用。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣及土壤

試驗(yàn)材料為碳鋼、銅、鍍鋅鋼(鋅層厚度為0.2 mm)、銅包鋼(銅層厚度為0.2 mm)、鋅包鋼(鋅層厚度為1 mm)、鋅鎂合金銅覆鋼(鋅鎂合金層厚度為1 mm，銅層厚度為0.2 mm)和不銹鋼包鋼(不銹鋼層厚度為0.2 mm)。在進(jìn)行土壤加速腐蝕試驗(yàn)前用丙酮和無(wú)水酒精將試樣仔細(xì)清洗干凈后吹干，放入干燥器中備用。其中，對(duì)于鋅包鋼、銅包鋼等具有金屬覆蓋層的試樣，用704硅膠對(duì)基材暴露區(qū)域進(jìn)行涂封，以防止電偶腐蝕對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。

試驗(yàn)土壤分別取自武漢、天津、南昌和成都，土壤取樣均按中國(guó)土壤腐蝕試驗(yàn)網(wǎng)站標(biāo)準(zhǔn)，取自地表下0.6～1.0 m處無(wú)碎石和雜草等異物的深層土壤，經(jīng)化驗(yàn)其主要離子含量及理化參數(shù)如表1所示。采集的土樣經(jīng)自然干燥、研磨后過(guò)20目篩(0.83 mm)，然后置于110 ℃烘箱中干燥6 h，與蒸餾水按比例混合得到含水量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為25%的試驗(yàn)土壤。

表1 土壤的理化分析結(jié)果Tab. 1 Physical and chemical analysis results of soils

1.2 試驗(yàn)方法

現(xiàn)場(chǎng)埋樣腐蝕試驗(yàn)地點(diǎn)分別在武漢、天津、南昌和成都市內(nèi)，試驗(yàn)流程均按中國(guó)土壤腐蝕試驗(yàn)網(wǎng)站標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試樣埋設(shè)深度為0.6 m，設(shè)置4個(gè)平行試樣，四個(gè)地區(qū)埋片腐蝕試驗(yàn)的周期分別為356 d、322 d、296 d和338 d。室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)在LHS-70C型恒溫恒濕箱中進(jìn)行，試驗(yàn)土壤溫度控制在45 ℃，相對(duì)濕度為85%。采用如圖1所示的試驗(yàn)裝置進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，試樣平行放置于試驗(yàn)土壤中，各方向土壤厚度均為50 mm，共設(shè)置15 d和30 d兩個(gè)試驗(yàn)周期，各周期的平行試樣為3個(gè)。試驗(yàn)過(guò)程中每隔24 h測(cè)量一次含水率，定期加入蒸餾水以補(bǔ)充土壤中蒸發(fā)的水分。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig. 1 Schematic drawing of test device

腐蝕試驗(yàn)結(jié)束后,用軟毛刷輕輕刷去與試樣表面結(jié)合不緊密的土壤顆粒，按GB/T 16545-2015《金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除》將試樣表面的腐蝕產(chǎn)物清除干凈，各接地材料清洗液配方及清洗參數(shù)見(jiàn)表2。清除腐蝕產(chǎn)物后，采用失重法計(jì)算試樣的平均腐蝕速率，見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：W0為腐蝕試驗(yàn)前試樣的原始質(zhì)量(g)；W1為腐蝕試驗(yàn)后，去除腐蝕產(chǎn)物后的試樣質(zhì)量(g)；S為試樣的暴露表面積(dm2)；t為試樣的腐蝕時(shí)間(a)；V為試樣的平均腐蝕速率(g·dm-2·a-1)。

2 結(jié)果與討論

2.1 室內(nèi)外腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)及擬合結(jié)果

由于現(xiàn)場(chǎng)埋樣的土壤環(huán)境與接地材料實(shí)際服役環(huán)境基本一致，得到的腐蝕速率能夠反映材料的真實(shí)耐蝕性。由表3可見(jiàn)，室內(nèi)外土壤腐蝕試驗(yàn)得出的接地材料耐蝕性規(guī)律具有良好的一致性，七種接地材料腐蝕速率由大到小依次為碳鋼>鍍鋅鋼>鋅包鋼>鋅鎂合金銅覆鋼>銅包鋼>銅>不銹鋼包鋼。

(a) 15 d

如圖2所示，R2為擬合優(yōu)度，反映回歸直線對(duì)觀測(cè)值的擬合程度，R2值越接近1，說(shuō)明回歸直線對(duì)觀測(cè)值的擬合程度越好。r是這兩組數(shù)列的皮爾森(pearson)相關(guān)系數(shù)，反映兩組數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性的大小，該值接近1或者-1說(shuō)明數(shù)據(jù)具有強(qiáng)相關(guān)性。經(jīng)計(jì)算可知，15 d室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)的回歸直線斜率為8.8，30 d室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)的回歸直線斜率為6.4，兩組數(shù)據(jù)的擬合優(yōu)度均為0.895。單從皮爾森相關(guān)系數(shù)考慮，兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)性都比較好，即室內(nèi)加速腐蝕速率可以較好地反映真實(shí)土壤中材料的腐蝕趨勢(shì)。但是兩組數(shù)據(jù)的加速比差距較大，即室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)的加速比會(huì)隨著試驗(yàn)周期的改變而發(fā)生變化。原因是現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)腐蝕試驗(yàn)和室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)的埋設(shè)地點(diǎn)、試驗(yàn)時(shí)間、土壤壓實(shí)程度、材料氧化層分布和季節(jié)等因素都會(huì)影響材料的腐蝕速率[14-15]，而且這些因素具有較大的隨機(jī)性，即使在統(tǒng)一的試驗(yàn)條件下，室內(nèi)加速試驗(yàn)所得腐蝕速率也很難按加速比直接反推真實(shí)土壤中材料的腐蝕速率，需要進(jìn)行歸一化數(shù)據(jù)處理以規(guī)避部分隨機(jī)因素的影響。

表2 清洗液配方及清洗參數(shù)Tab. 2 Formulation and cleaning parameters of rust removal solution

表3 現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)試樣和室內(nèi)加速試樣的腐蝕速率Tab. 3 Corrosion rates of on-site embedding samples and indoor accelerated samples g·dm-2·a-1

2.2 室內(nèi)外腐蝕試驗(yàn)歸一化數(shù)據(jù)及擬合結(jié)果

歸一化的原因是，每次試驗(yàn)都存在隨機(jī)因素，但是如果每次試驗(yàn)都加入相同規(guī)格的碳鋼作為對(duì)比樣，進(jìn)而求出同條件下接地材料腐蝕速率與碳鋼腐蝕速率的比值，就有可能消除部分隨機(jī)因素造成的影響，從而提高數(shù)據(jù)的可靠性,如表4所示。此外，我國(guó)接地材料絕大多數(shù)都采用碳鋼材料，這種歸一化方法也具有一定的實(shí)際意義。

表4 同條件下接地材料與碳鋼的腐蝕速率比值Tab. 4 Corrosion rate ratio of grounding material to carbon steel under the same conditions

(a) 15 d

由圖3可見(jiàn)，兩組數(shù)據(jù)的擬合優(yōu)度分別為0.918和0.952，可以得出，利用接地材料腐蝕速率與碳鋼腐蝕速率的比值來(lái)評(píng)價(jià)接地材料的耐蝕性明顯比直接利用接地材料的腐蝕速率更準(zhǔn)確，且30 d加速腐蝕試驗(yàn)比15 d加速腐蝕試驗(yàn)更準(zhǔn)確。通過(guò)這種數(shù)據(jù)處理方式得出的結(jié)果符合腐蝕試驗(yàn)周期越長(zhǎng)則數(shù)據(jù)可靠性越強(qiáng)的常識(shí)性規(guī)律。此外，兩組數(shù)據(jù)擬合出的斜率非常接近1，說(shuō)明這種歸一化方法規(guī)避了部分加速比變化帶來(lái)的影響，因此利用加速腐蝕試驗(yàn)進(jìn)行接地材料評(píng)價(jià)時(shí)，不必考慮加速比這一因素，這進(jìn)一步提高了試驗(yàn)的可操作性。

2.3 接地材料分級(jí)評(píng)價(jià)法

通過(guò)對(duì)接地材料與碳鋼的腐蝕速率比值進(jìn)行歸一化處理，得到了較為理想的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果。但各個(gè)點(diǎn)仍存在一定的離散性，使得直接利用接地材料與碳鋼的腐蝕速率比值進(jìn)行接地材料耐蝕性評(píng)價(jià)依然不夠準(zhǔn)確。這是由于在進(jìn)行多種接地材料耐蝕性橫向評(píng)價(jià)時(shí)，同一試驗(yàn)條件下數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和評(píng)價(jià)方法的普適性不能同時(shí)得到保證。一套普適性強(qiáng)的接地材料耐蝕性評(píng)價(jià)方法，難以精確評(píng)估某種接地材料在某種特定土壤中的使用壽命。

分級(jí)評(píng)價(jià)只要求試驗(yàn)數(shù)據(jù)在某一區(qū)間內(nèi)即可，降低了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的要求并且提高了評(píng)價(jià)方法的普適性。因此，可通過(guò)分級(jí)評(píng)價(jià)的方法，給出接地材料耐蝕性的優(yōu)劣區(qū)間，從而得出相應(yīng)的評(píng)分。

分級(jí)區(qū)間的設(shè)定原則：(1) 總分100分，分?jǐn)?shù)越高則耐蝕性越好;(2) 耐蝕性最強(qiáng)的不銹鋼可獲得100分，耐蝕性其次的銅可獲得80分，碳鋼可獲得60分;(3) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)加速試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的評(píng)分盡量保持一致。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，提出較為理想的接地材料耐蝕性分級(jí)評(píng)價(jià)，如表5所示，α為接地材料與碳鋼的腐蝕速率比值。

表5 接地材料耐蝕性分級(jí)評(píng)價(jià)Tab. 5 Grounding material corrosion resistance evaluation classification

由圖4可知，接地材料總體打分結(jié)果基本滿足分級(jí)區(qū)間設(shè)定的三個(gè)原則。以現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)所得的28個(gè)評(píng)分為基準(zhǔn)值，15 d加速腐蝕試驗(yàn)評(píng)分中有4個(gè)失準(zhǔn)，準(zhǔn)確率為85.7%；30 d加速腐蝕試驗(yàn)評(píng)分中有1個(gè)失準(zhǔn)，準(zhǔn)確率為96.4%。

圖4 室內(nèi)加速試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)試驗(yàn)的腐蝕評(píng)分對(duì)比Fig. 4 Corrosion scores comparison of indoor accelerated test and on-site embedding test

3 結(jié)論

(1) 本工作設(shè)計(jì)的室內(nèi)土壤加速腐蝕試驗(yàn)?zāi)茌^好地模擬材料在真實(shí)土壤環(huán)境中的腐蝕行為，并且對(duì)材料耐土壤腐蝕的性能做出分級(jí)評(píng)價(jià)，得到了良好的室內(nèi)外腐蝕試驗(yàn)相關(guān)性。

(2) 當(dāng)接地材料進(jìn)行加速腐蝕試驗(yàn)時(shí)，宜采用埋放相同規(guī)格的碳鋼標(biāo)準(zhǔn)件同時(shí)進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)的方式，以接地材料/碳鋼的腐蝕速率比值作為耐蝕性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從而減少試驗(yàn)隨機(jī)因素對(duì)結(jié)果造成的影響，進(jìn)一步提高評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。

(3) 使用此方法對(duì)本工作中的接地材料進(jìn)行評(píng)分，并以現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)試驗(yàn)所得評(píng)分作為參考，15 d加速腐蝕試驗(yàn)評(píng)分準(zhǔn)確率為85.7%，30 d加速腐蝕試驗(yàn)評(píng)分準(zhǔn)確率為96.4%。