幾種新型接地材料的加速腐蝕性能對比

田鵬輝，譚波，童雪芳，江培柯，王湘漢

（1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，宜昌 443002；2.中國電力科學(xué)研究院有限公司武漢分院，武漢 430072）

接地是保證電力系統(tǒng)可靠運行的基礎(chǔ)，接地技術(shù)中接地裝置的防腐蝕問題一直是研究的重點。接地材料的腐蝕會降低其使用壽命，影響電力系統(tǒng)的安全運行，甚至引發(fā)安全事故［1-3］。由于我國銅材資源相對匱乏，目前普遍采用熱鍍鋅鋼材作為接地材料，相較于銅材，熱鍍鋅鋼材的耐蝕性較差。與歐美國家對比，我國每年因腐蝕造成的直接或間接經(jīng)濟損失更大［4-6］，故有必要研發(fā)新型接地材料。目前，我國電力系統(tǒng)中使用較多的接地材料有高硅鉻鐵、鋅包鋼、不銹鋼、碳鋼、銅、銅包鋼、碳納米改性材料、石墨烯復(fù)合材料等，這些材料在不同酸堿性土壤中的腐蝕行為大不相同。朱亦晨等［7］研究發(fā)現(xiàn)Q235鋼在三種土壤環(huán)境中都發(fā)生了局部點蝕以及全面腐蝕，且在酸性紅土壤中的腐蝕速率最高。李海玲等［8］研究了鍍鋅鋼在多種典型土壤中的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)鍍鋅鋼在p H 較低的鷹潭地區(qū)土壤中的腐蝕最嚴(yán)重。

接地材料在土壤中普遍存在電偶腐蝕［9］，即在介質(zhì)中有兩種或多種金屬相接觸，因不同金屬間存在電位差而形成電偶電池。電池陰極為電位較高的金屬，其腐蝕過程因陰極反應(yīng)而被抑制，陽極為電位較低的金屬，其腐蝕過程因陽極反應(yīng)而被加速。

很多因素會對電偶腐蝕產(chǎn)生影響。徐宏妍等［10］研究了在自來水和3.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）NaCl溶液中鑄造AZ91D 鎂合金和多種偶接材料之間的電偶腐蝕效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)AZ91D 鎂合金的電偶腐蝕速率隨著陰、陽極面積比的增大而增大。周蜜等［11］采用實驗室加速腐蝕方法研究了鍍鋅鋼接地材料的電偶腐蝕效應(yīng)，結(jié)果表明鍍鋅鋼接地材料的腐蝕量與陰陽極間距大致呈線性關(guān)系。

本工作針對我國目前使用較多的幾種新型接地材料，開展溶液加速腐蝕試驗和電偶加速腐蝕試驗［12-15］，分析了接地材料在不同酸堿性環(huán)境中的腐蝕速率，以期了解新型接地材料的腐蝕特性，并為實際接地工程的選材和防腐蝕技術(shù)提供參考依據(jù)。

1 試驗

1.1 試樣

溶液加速腐蝕試驗所用接地材料共八種，分別為碳鋼、不銹鋼、鋅包鋼、銅、銅包鋼、高硅鉻鐵、石墨烯復(fù)合材料、碳納米改性材料。其中，石墨烯復(fù)合材料和碳納米改性材料的外部鍍層分別為石墨烯和碳納米管，內(nèi)部均為鋼。用于溶液加速腐蝕試驗的試樣為?16 mm×5 cm 的圓柱體；用于電偶加速腐蝕試驗的試樣為?16 mm×10 mm 的圓柱體。試樣經(jīng)切割后用AB膠密封材料底面待用。

1.2 試驗方法

1.2.1 溶液加速腐蝕試驗

為研究八種接地材料在不同加速腐蝕時間后的溶液加速腐蝕特性，分別以15%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）NaCl溶液、15% NaOH 溶液和15% HCl溶液為腐蝕溶液，試驗溫度為室溫，將每種材料的三個試樣放入同一溶液中，分別加速腐蝕240，360，480 h后取出試樣，將其置于15%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）檸檬酸三銨溶液中，并在高低溫試驗箱中加熱至80 ℃持續(xù)2 h后，去除疏松的腐蝕產(chǎn)物、清洗、干燥、稱量后，利用失重法，采用式（1）計算幾種接地材料的腐蝕速率。

式中：vsol為溶液加速腐蝕速率，g／（dm2·d）；Δmsol為溶液加速腐蝕質(zhì)量損失，g；Δtsol為溶液加速腐蝕時間，h；A為試樣的暴露面積，dm2。

為研究八種接地材料在酸性環(huán)境中冷熱循環(huán)條件下的溶液加速腐蝕特性，將試驗溫度設(shè)置為冷熱循環(huán)（早上九點打開高低溫試驗箱加熱至60 ℃，晚上九點關(guān)閉高低溫試驗箱），腐蝕時間為480 h，腐蝕溶液為15% HCl溶液。

1.2.2 電偶加速腐蝕試驗

電解質(zhì)溶液分別為5% NaCl溶液、5% NaOH溶液和5% HCl溶液，試樣經(jīng)無水乙醇清洗后干燥、AB膠密封底面、稱量。每種材料取三個試樣，將其分別放在三種電解質(zhì)溶液中，固定陰、陽極面積比為2∶1，陰、陽極距離為10 cm，試驗溫度為室溫，腐蝕時間為480 h。

黃銅與接地材料試樣偶接形成電偶對，接地材料作為電偶對的陽極，黃銅作為電偶對的陰極。試驗結(jié)束后取出接地材料試樣，去除疏松的腐蝕產(chǎn)物，經(jīng)除銹、清洗、干燥、稱量后按式（2）計算各種接地材料的腐蝕速率：

式中：vgal為電偶加速腐蝕速率，g／（dm2·d）；Δmgal為電偶加速腐蝕質(zhì)量損失，g；Δtgal為電偶加速腐蝕時間，h。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶液加速腐蝕試驗

2.1.1 腐蝕時間的影響

如表1所示，在15% HCl溶液中，高硅鉻鐵、不銹鋼、碳納米改性材料和石墨烯復(fù)合材料的綜合耐久性排名靠前。其中，不銹鋼、高硅鉻鐵和碳納米改性材料腐蝕480 h 的腐蝕速率分別為碳鋼的1／7 600、1／950和1／79，腐蝕速率較低，非常適用于酸性土壤環(huán)境。不銹鋼的溶液加速腐蝕速率隨著腐蝕時間的延長而降低，可以判斷不銹鋼接地材料在酸性環(huán)境中的使用年限較長，銅包鋼、碳鋼、鋅包鋼的腐蝕速率較快，耐蝕性較差。

表1 不同接地材料在15% HCl溶液中加速腐蝕不同時間的腐蝕速率Tab.1 Corrosion rates of different grounding materials in 15% HCl solution for accelerating corrosion at different times

如表2所示，在15%NaOH 溶液中，不銹鋼、高硅鉻鐵和石墨烯復(fù)合材料的耐蝕性較好。然而，當(dāng)腐蝕時間由360 h延長至480 h 時，高硅鉻鐵腐蝕速率的排名由第1名驟降到第7名，可以判斷高硅鉻鐵接地材料在堿性環(huán)境中的時使用年限較短。當(dāng)腐蝕時間為240～480 h時，不銹鋼的腐蝕速率一直較低，非常適用于堿性環(huán)境；石墨烯復(fù)合材料的腐蝕速率隨著腐蝕時間的延長而減小，說明其用作堿性環(huán)境中接地材料的使用年限較長。此外，銅包鋼、碳鋼、鋅包鋼的綜合腐蝕速率最快，在堿性環(huán)境中的耐蝕性較差。

表2 不同接地材料在15% NaOH 溶液中加速腐蝕不同時間的腐蝕速率Tab.2 Corrosion rates of different grounding materials in 15% NaOH solution for accelerating corrosion at different times

如表3所示，在15% NaCl溶液中，高硅鉻鐵、不銹鋼和石墨烯復(fù)合材料的綜合耐蝕性排名最優(yōu)。當(dāng)腐蝕時間為240～480 h時，高硅鉻鐵的腐蝕速率較低，適用于中性環(huán)境。此外，鋅包鋼、銅、銅包鋼的綜合腐蝕速率較快，在中性環(huán)境中的耐蝕性較差。

表3 不同接地材料在15%NaCl溶液中加速腐蝕不同時間的腐蝕速率Tab.3 Corrosion rates of different grounding materials in 15% NaCl solution for accelerating corrosion at different times

2.1.2 溫度變化的影響

如圖1所示，當(dāng)試驗溫度從室溫改變?yōu)槔錈嵫h(huán)后，不銹鋼的腐蝕速率增大了3 500倍，碳納米改性材料的腐蝕速率增大了140倍，這表明不銹鋼和碳納米改性材料的腐蝕速率受溫度變化的影響很大。因此，這兩種材料在晝夜溫差較大的酸性環(huán)境中的耐蝕性并不好。相比于其他七種材料，鋅包鋼的腐蝕速率最大，耐蝕性最差；高硅鉻鐵的腐蝕速率最小，耐蝕性最好。

圖1 在室溫和冷熱循環(huán)條件下酸性溶液中不同接地材料的溶液加速腐蝕速率Fig.1 Solution accelerated corrosion rates of different grounding materials in acid solutions at room temperature and hot and cold cycle condition

2.2 電偶加速腐蝕試驗

由圖2可以看出，除高硅鉻鐵外，其余接地材料在酸性環(huán)境中的電偶加速腐蝕速率都較大，大部分接地材料在堿性環(huán)境中的電偶加速腐蝕速率都較小。在酸性環(huán)境中，不銹鋼、高硅鉻鐵和碳納米改性材料的電偶加速腐蝕速率較小，其中高硅鉻鐵的最小，為0.004 2 g／（dm2·d），表明其在酸性環(huán)境中的耐電偶腐蝕性能最好。在堿性環(huán)境中，不銹鋼、高硅鉻鐵和石墨烯復(fù)合材料的電偶加速腐蝕速率較小，其中石墨烯復(fù)合材料的最小，為0.004 5 g／（dm2·d）。因此，石墨烯復(fù)合材料在堿性環(huán)境中的耐電偶腐蝕性能最好。在中性環(huán)境中，不銹鋼的電偶加速腐蝕速率最小，為0.008 2 g／（dm2·d），其在中性環(huán)境中的耐電偶腐蝕性能最好。

圖2 不同酸堿性溶液中不同接地材料的電偶加速腐蝕速率Fig.2 Galvanic accelerated corrosion rates of different grounding materials in solutions with different acid-base property

如圖3所示，不銹鋼表面大部分區(qū)域被腐蝕產(chǎn)物所包覆，表明不銹鋼在酸性環(huán)境中的電偶腐蝕較嚴(yán)重。

圖3 不銹鋼在5% HCl溶液中電偶加速腐蝕480 h后的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of stainless steel after galvanic accelerated corrosion for 480 h in 5% HCl solution

由圖4可以看出，在堿性環(huán)境中，碳納米改性材料外部的碳納米涂層發(fā)生大部分脫落，但其內(nèi)部金屬并未出現(xiàn)明顯的腐蝕跡象，說明碳納米涂層能夠有效保護內(nèi)部金屬遭受電偶腐蝕。

圖4 碳納米改性材料在5% NaOH 溶液中電偶加速腐蝕480 h后的宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of carbon nano modified material after galvanic accelerated corrosion for 480 h in 5% NaOH solution

3 結(jié)論

（1）在酸性環(huán)境中，不銹鋼、高硅鉻鐵和碳納米改性材料具備良好的耐蝕性，適合用作酸性土壤中的接地材料，且不銹鋼的使用年限較長。若綜合考慮地區(qū)晝夜溫差和電偶腐蝕的影響，高硅鉻鐵的耐蝕性最好。

（2）在堿性環(huán)境中，不銹鋼、高硅鉻鐵和石墨烯復(fù)合材料具備良好的耐蝕性，其中石墨烯復(fù)合材料的耐電偶腐蝕性能最好。

（3）在中性環(huán)境中，不銹鋼和高硅鉻鐵具備良好的耐蝕性，其中不銹鋼的耐電偶腐蝕性能最好。