接地網(wǎng)腐蝕性評(píng)價(jià)方法與腐蝕速率預(yù)測

陳敬友,陳 超,吳 迪,胡家元,韓 升,司戰(zhàn)超

(1. 重慶大學(xué) 電氣工程學(xué)院,重慶 400044； 2. 國網(wǎng)浙江平湖市供電有限公司,平湖 314200；3. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司 電力科學(xué)研究院,杭州 310014)

隨著經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的高速發(fā)展，我國對(duì)變電站容量的需求不斷擴(kuò)大，進(jìn)而對(duì)接地網(wǎng)安全運(yùn)行和接地體熱穩(wěn)定性的要求也越來越高。因?yàn)槭艿劫Y源、經(jīng)濟(jì)等條件的限制，我國接地網(wǎng)所用材料主要為普通碳鋼或者鍍鋅碳鋼[1]。對(duì)于運(yùn)行多年的接地網(wǎng)而言，土壤環(huán)境中的電化學(xué)腐蝕以及電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行中泄流造成的腐蝕使得接地體截面減小甚至斷裂，造成接地性能不良，不能滿足熱穩(wěn)定性的要求，電路電流將會(huì)燒壞地網(wǎng)，使得變電站內(nèi)出現(xiàn)高電位差，造成其他主設(shè)備發(fā)生毀壞，還會(huì)危及人身安全，并且由于接地網(wǎng)埋設(shè)在地下，翻修改造也十分困難[2]。因此，解決接地網(wǎng)腐蝕問題和評(píng)估接地網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)已成為變電站和發(fā)電廠避免事故發(fā)生采取的主要措施，其中接地網(wǎng)腐蝕性評(píng)價(jià)和腐蝕速率預(yù)測是接地網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估的重要內(nèi)容之一[3]。

目前金屬設(shè)備壽命預(yù)測研究主要集中在石油管道及橋梁結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域，國內(nèi)外關(guān)于接地網(wǎng)壽命預(yù)測的研究較少[4]。接地網(wǎng)壽命預(yù)測的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于其腐蝕速率的確定，然而影響接地網(wǎng)腐蝕速率的因素較多，且多種因素相互作用又導(dǎo)致實(shí)際情況更加復(fù)雜，因此必須將土壤腐蝕特點(diǎn)和接地網(wǎng)材料性質(zhì)相互結(jié)合，才能更好地評(píng)估接地網(wǎng)的剩余壽命。

本工作通過借鑒其他領(lǐng)域壽命預(yù)測的研究成果并結(jié)合目前國內(nèi)外對(duì)土壤腐蝕性的各種評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法，提出一種專門針對(duì)接地網(wǎng)的八指標(biāo)綜合評(píng)分法以評(píng)估接地網(wǎng)在土壤中的腐蝕狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上，將評(píng)分分值和腐蝕速率聯(lián)系起來，初步建立了一套接地網(wǎng)剩余壽命預(yù)測模型。經(jīng)過驗(yàn)證，評(píng)分分值和腐蝕速率間具有良好的一致性，通過建立評(píng)分與腐蝕速率的函數(shù)關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)對(duì)接地網(wǎng)腐蝕速率的預(yù)測，最終達(dá)到對(duì)接地網(wǎng)壽命進(jìn)行評(píng)估的目的。

1 接地網(wǎng)的腐蝕機(jī)理及影響因素

1.1 腐蝕機(jī)理

接地網(wǎng)在土壤中的腐蝕主要有宏電池腐蝕、微電池腐蝕、雜散電流腐蝕和微生物腐蝕等四種形式[5-6]。腐蝕的根本原因都是土壤和碳鋼金屬的結(jié)構(gòu)、組成和性質(zhì)的不均勻性導(dǎo)致埋在土壤中的接地網(wǎng)表面不同部位形成了不同的電極電位，通過土壤介質(zhì)構(gòu)成回路，形成腐蝕電池。如圖1所示，其中電位較低的部位成為陽極區(qū)，電位較高的部位成為陰極區(qū)，此外，接地網(wǎng)兼有均壓和泄流作用，所以還會(huì)發(fā)生金屬的電解腐蝕[7]。因此，接地網(wǎng)腐蝕的本質(zhì)都是電化學(xué)腐蝕，其陽極過程是碳鋼接地網(wǎng)溶解并釋放電子：

(1)

圖1 碳鋼在不同土壤中形成的濃差電池Fig. 1 Concentration cell formed by carbon steel in different soils

在中性或堿性土壤中，鐵離子與氫氧根離子進(jìn)一步生成氫氧化亞鐵：

(2)

當(dāng)陽極區(qū)有氧氣存在時(shí)，氫氧化亞鐵將被氧化成溶解度更小的氫氧化鐵：

(3)

陰極過程主要為氧的去極化作用：

(4)

在含有硫酸鹽還原菌(SRB)的土壤中，陰極過程還可能發(fā)生硫酸根離子的還原：

(5)

另外，土壤中的CO2-、S2-、HCO3-也可以與陽極區(qū)附近的鐵離子反應(yīng)，生成不溶于水的腐蝕產(chǎn)物。因此，接地網(wǎng)腐蝕的最終產(chǎn)物主要為鐵的氧化物、氫氧化物以及鐵離子與土壤中的陰離子結(jié)合生成不溶于水的物質(zhì)[8]。

1.2 腐蝕影響因素

1.2.1 土壤電阻率

對(duì)于宏電池腐蝕，特別是兩極相距較遠(yuǎn)時(shí)，土壤作為電解質(zhì)，其電阻率越小，金屬電子越容易丟失，同時(shí)電池內(nèi)部電子遷移速率也會(huì)越快，因此土壤電阻率對(duì)宏電池腐蝕速率起決定性作用。而對(duì)于微電池腐蝕，由于發(fā)生概率較小，土壤電阻率在其中的作用幾乎可以忽略不計(jì)。

1.2.2 土壤含水量

水分是使土壤成為電解質(zhì)，造成電化學(xué)腐蝕的先決條件。由1.1節(jié)可知，無論是陽極還是陰極，水都是電化學(xué)腐蝕不可缺少的反應(yīng)物。當(dāng)土壤中含水量極低時(shí)，接地網(wǎng)腐蝕將以化學(xué)腐蝕為主，而在中性或堿性土壤中，這種腐蝕要比電化學(xué)腐蝕漫長很多。研究表明，當(dāng)土壤含水量低時(shí)，腐蝕速率隨著含水量的增加而增加，達(dá)到某一含水量時(shí)材料腐蝕速率最大，含水量再增加,其腐蝕速率反而下降，這是因?yàn)楹窟^大會(huì)使土壤膠粒膨脹，孔隙變小，降低土壤中的氧氣含量，阻礙陰極反應(yīng)過程[9]。

1.2.3 土壤含氧量

由1.1節(jié)可知，氧氣作為氧化劑在接地網(wǎng)電化學(xué)腐蝕中起著至關(guān)重要的作用。土壤氧含量越高則氧氣的滲透能力越強(qiáng)，越容易得到更多電子，從而使得金屬接地體失去更多電子，加速接地網(wǎng)腐蝕。因此,土壤氧含量的多少可以影響電化學(xué)陰陽極反應(yīng)速率，進(jìn)而影響接地網(wǎng)腐蝕速率。

1.2.4 土壤pH

當(dāng)埋地金屬的腐蝕取決于微電池腐蝕或距離不長的宏電池腐蝕時(shí)，腐蝕速率主要受陰極過程控制[10]。而在pH為6.5～9.0的中性和近中性土壤中，陰極過程主要發(fā)生氧的還原反應(yīng)，氫離子難以得到電子。但當(dāng)土壤酸度過大，pH較低時(shí)，土壤中氫離子氧化性較強(qiáng)，將析出氫氣，對(duì)金屬膜具有較大的破壞作用，一定程度上加速了接地網(wǎng)的腐蝕。

1.2.5 土壤含鹽量

土壤中的鹽分對(duì)金屬材料的腐蝕影響較大，一方面參與電化學(xué)反應(yīng)，另一方面影響土壤電阻率。土壤含鹽量與電阻率具有明顯的負(fù)相關(guān)性,含鹽量越高，則土壤電阻率越低，腐蝕性越強(qiáng)。除此外，土壤中氯離子和硫酸根離子的氧化性較強(qiáng)，對(duì)金屬材料的鈍性具有較大的破壞作用，可加速土壤腐蝕的陽極過程[11]。

1.2.6 雜散電流

雜散電流是存在于土壤介質(zhì)中的一種大小和方向都不固定的電流。土壤中雜散電流主要為直流雜散電流和交流雜散電流，直流雜散電流對(duì)金屬的腐蝕同電解原理一致，即陽極為正極，陰極為負(fù)極，其作用時(shí)間、大小直接影響金屬材料的腐蝕速率。對(duì)于接地網(wǎng)而言，長時(shí)間的直流雜散電流是造成其腐蝕的主要原因之一。

1.2.7 其他因素

除了以上因素外，接地網(wǎng)在土壤中的腐蝕速率還可能受氣候條件、環(huán)境溫度、通風(fēng)狀況、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤酸度、土壤微生物等因素的影響。而這些因素最終作用結(jié)果又會(huì)反映在土壤中各種理化性質(zhì)的變化上。各種因素的相互作用使得接地網(wǎng)在土壤中的腐蝕規(guī)律變得更加復(fù)雜多樣[12]。

2 接地網(wǎng)腐蝕評(píng)價(jià)及預(yù)測

2.1 接地網(wǎng)腐蝕評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)鋼鐵材料在土壤中耐蝕性的方法主要是失重法和最大孔蝕深度法。這兩種評(píng)價(jià)方法不僅客觀直接而且能比較準(zhǔn)確地反映土壤的腐蝕性，因而被廣泛運(yùn)用，同時(shí)也被作為衡量其他評(píng)價(jià)方法和新的試驗(yàn)手段是否可靠的標(biāo)準(zhǔn)[13]。但兩種方法必須通過埋片并等待較長時(shí)間后才能得到結(jié)果，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在工作運(yùn)用中也不方便，更無法實(shí)現(xiàn)腐蝕速率的預(yù)測。因此，為了實(shí)現(xiàn)土壤腐蝕性的預(yù)測，減少時(shí)間和人力成本，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多其他評(píng)價(jià)方法。

長期以來，研究者習(xí)慣于用土壤理化性質(zhì)來預(yù)測其腐蝕性，許多國家在考察土壤腐蝕性時(shí)仍在參考某些單項(xiàng)指標(biāo)，如土壤電阻率、含水量、含鹽量等。在某些特定場合，單相指標(biāo)評(píng)價(jià)方法十分方便也較為可靠。但由于土壤腐蝕介質(zhì)本身的特殊性和復(fù)雜性，金屬材料土壤腐蝕因素不僅種類多，而且各因素間存在著交互作用，實(shí)際情況十分復(fù)雜，因此單相指標(biāo)評(píng)價(jià)土壤腐蝕性具有很大的局限性，且往往容易誤判[14]。目前國內(nèi)外許多研究越來越傾向于多項(xiàng)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)土壤腐蝕性，其中最具有代表性的是德國的Baeckman綜合評(píng)分指標(biāo)和美國的ANSIA21.5土壤腐蝕性評(píng)價(jià)法[15-19]。前者由于考慮的因素過多，而某些因素測量存在困難，實(shí)際運(yùn)用十分不便，而后者則主要傾向于評(píng)價(jià)埋地管道耐蝕性。因此，目前國內(nèi)外尚缺少一套專門針對(duì)接地網(wǎng)的專一、有效的評(píng)價(jià)方法。

本工作參考了國內(nèi)外的單指標(biāo)評(píng)價(jià)方法和Baeckman評(píng)分法,在此基礎(chǔ)上，基于接地網(wǎng)腐蝕機(jī)理和影響因素，提出了一套專門針對(duì)接地網(wǎng)的使用范圍廣、實(shí)施難度低的八指標(biāo)綜合評(píng)分法，其具體內(nèi)容見表1，具體規(guī)則如下：

表1 接地網(wǎng)腐蝕的八指標(biāo)綜合評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Tab. 1 Eight indicators comprehensive scoring standard of grounding grid corrosion

(1) 采取十分制，負(fù)值代表對(duì)腐蝕有抑制作用，正值代表對(duì)腐蝕促進(jìn)作用;

(2) 評(píng)分越高腐蝕越嚴(yán)重;

(3) 權(quán)重系數(shù)λi滿足：

(6)

(4) 最終評(píng)分：

(7)

2.2 接地網(wǎng)腐蝕速率預(yù)測

基于前文建立的接地網(wǎng)腐蝕八指標(biāo)綜合評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)文獻(xiàn)[9]中14個(gè)站的土壤腐蝕性進(jìn)行打分評(píng)價(jià)，對(duì)于無污染、非強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或含鹽量極高的常規(guī)疏松土質(zhì)，接地網(wǎng)腐蝕主要由電化學(xué)反應(yīng)引起，而土壤電阻率、含水量、含氧率及氧化還原電位是影響反應(yīng)速率的主要因素。因此權(quán)重系數(shù)(λ)1～ 8分別取0.2、0.15、0.15、0.1、0.1、0.05、0.05、0.2，最終評(píng)價(jià)結(jié)果如表2所示。

表2 碳鋼在全國14個(gè)站的腐蝕速率及評(píng)分Tab. 2 The corrosion rates and scores of carbon steels in 14 stations nationwide

由圖2可見，通過八指標(biāo)綜合評(píng)分法得出的評(píng)分與實(shí)測腐蝕速率有良好的線性關(guān)系，這說明綜合評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)具有實(shí)用性。因此，可以通過建立評(píng)分與腐蝕速率的關(guān)系以實(shí)現(xiàn)對(duì)接地網(wǎng)腐蝕速率的預(yù)測，最終達(dá)到接地網(wǎng)壽命評(píng)估的目的。表2中的數(shù)據(jù)通過擬合得到評(píng)分與腐蝕速率的關(guān)系如式(8)所示：

vcorr=0.921Z-0.168 38

(8)

為驗(yàn)證上式的適用性和準(zhǔn)確性，選取文獻(xiàn)[10]中8個(gè)站進(jìn)行打分評(píng)價(jià)，并通過式(8)預(yù)測其腐蝕速率。

從表3中可以看出，腐蝕速率預(yù)測的與實(shí)測值的誤差為2%～14%，這說明在一定范圍內(nèi),采用式(8)對(duì)接地網(wǎng)的腐蝕速率進(jìn)行預(yù)測是可行的。造成誤差主要有以下原因：

(1) 樣本容量太少，無法得到更準(zhǔn)確的擬合關(guān)系。

圖2 分值與腐蝕速率的關(guān)系Fig. 2 The relationship between scores and corrosion rates

表3 腐蝕速率預(yù)測值與實(shí)測值的對(duì)比結(jié)果Tab. 3 Comparison of predicted values and measured values of corrosion rates

(2) 采用評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)得到的測量結(jié)果與評(píng)分間的對(duì)應(yīng)關(guān)系存在躍遷，測量結(jié)果分級(jí)還不夠細(xì)，當(dāng)測量數(shù)值位于兩級(jí)之間時(shí)評(píng)分具有誤差。

(3) 由于雜散電流大小和方向的不固定性，在實(shí)際情況中難以測量，因此評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)忽略了各區(qū)域雜散電流的差異，認(rèn)為其造成的影響相近。

3 結(jié)論

(1) 影響接地網(wǎng)在土壤中腐蝕速率的因素是復(fù)雜多樣的，只靠單一指標(biāo)無法實(shí)現(xiàn)腐蝕速率的準(zhǔn)確預(yù)測。

(2) 接地網(wǎng)在土壤中的腐蝕以電化學(xué)腐蝕為主，因此電化學(xué)參數(shù)如土壤電阻率、氧化還原電位等與接地網(wǎng)腐蝕速率間有更為密切的聯(lián)系。

(3) 八指標(biāo)綜合評(píng)分法得出的評(píng)分與實(shí)測腐蝕速率有良好的線性關(guān)系，該評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)具有一定的使用價(jià)值。

(4) 在八指標(biāo)綜合評(píng)分法的基礎(chǔ)上建立評(píng)分與腐蝕速率的關(guān)系以實(shí)現(xiàn)對(duì)接地網(wǎng)腐蝕速率的預(yù)測，但存在一定誤差且適用范圍受樣本容量的限制。因此需擴(kuò)大樣本容量，改進(jìn)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，建立更準(zhǔn)確的測量結(jié)果與評(píng)分關(guān)系。