化工企業(yè)接地裝置的腐蝕問題

陸明明

（黑龍江省防雷中心,黑龍江 哈爾濱150030）

1 引言

在對一些化工企業(yè)的常規(guī)防雷檢測中， 經(jīng)常會出現(xiàn)接地阻值超標(biāo)甚至無窮大，通過檢查分析，發(fā)現(xiàn)是由接地裝置被腐蝕甚至斷裂造成的。

化工企業(yè)接地裝置長期處于陰暗潮濕并且含有各種酸、堿、鹽等化學(xué)成分的環(huán)境中，運行環(huán)境惡劣，極易發(fā)生腐蝕[1]。 而由于其屬于隱蔽工程，又無監(jiān)視裝置，遭受長期腐蝕而不易察覺。 發(fā)生腐蝕后，鋼材會變薄、變脆，截面積變小，甚至最終發(fā)生斷裂現(xiàn)象。

長期腐蝕縮短接地裝置的使用年限， 引發(fā)接地網(wǎng)內(nèi)部及接地線與接地網(wǎng)連接處的斷裂。 腐蝕產(chǎn)物降低接地性能，增大接地電阻，甚至造成一些設(shè)備和防雷設(shè)備“失地”，當(dāng)短路故障或泄放雷電流時，產(chǎn)生反擊，使設(shè)備嚴(yán)重受損，威脅人身安全[2]。 因此，必須對化工企業(yè)的接地裝置采取相關(guān)措施進(jìn)行防腐。

2 腐蝕環(huán)境和部位

接地裝置的腐蝕按照環(huán)境主要分為三種： 大氣腐蝕；土壤腐蝕；海水腐蝕[3]。

大氣腐蝕是指金屬在空氣中與O2及H2O 接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的腐蝕； 土壤腐蝕是指接地體在地下與土壤內(nèi)的物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)，造成局部損壞；海水腐蝕是指海水中鹽類、溶解氣體等有機(jī)物質(zhì)，對敷設(shè)在海水里的接地體產(chǎn)生的腐蝕作用。

化工企業(yè)的接地裝置主要是前兩種腐蝕問題，接地引下線和各焊接部位主要受大氣腐蝕， 地下水平和垂直接地體部位主要受土壤腐蝕。

3 腐蝕機(jī)理

接地裝置的腐蝕機(jī)理主要包括化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩類[4]。

3.1 化學(xué)腐蝕

化學(xué)腐蝕是金屬接地體與非電解質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而引發(fā)的腐蝕， 反應(yīng)發(fā)生在金屬與介質(zhì)的接觸面上，腐蝕時不產(chǎn)生電流。 例如鐵暴露在空氣中，會與氧氣接觸產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng):Fe+O2→FeO。

鐵發(fā)生氧化反應(yīng)生成氧化鐵， 這種化學(xué)腐蝕主要與周圍環(huán)境的溫度、 化學(xué)腐蝕物質(zhì)含量和空氣濕度等有關(guān)。 化工企業(yè)有大量的化工設(shè)備不停地運作，煙囪排出各種廢氣，從而產(chǎn)生局部熱島效應(yīng)，接地裝置所處的環(huán)境溫度較其他地區(qū)要高， 空氣中含有更多的化學(xué)腐蝕物質(zhì)，同時濕度也較大，所以化學(xué)腐蝕相比更嚴(yán)重。

3.2 電化學(xué)腐蝕

電化學(xué)腐蝕是接地金屬與電解質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而引起的腐蝕， 它的原理是金屬接地體與作為電解質(zhì)溶液的土壤水構(gòu)成一個完整的原電池腐蝕系統(tǒng)[4]，即鋼材作為原電池的一極產(chǎn)生氧化反應(yīng)，而鋼材中含有的導(dǎo)電雜質(zhì)則作為原電池的另一極， 產(chǎn)生還原反應(yīng)， 但由于鋼材接觸的電解質(zhì)溶液的酸性強(qiáng)弱不同，會產(chǎn)生兩種不同的反應(yīng)情況。

3.2.1 析氫腐蝕

當(dāng)電解質(zhì)溶液中H＋濃度較大時，呈弱酸性，有氧化反應(yīng)發(fā)生在負(fù)極：Fe→Fe2++2e。 正極上產(chǎn)生還原反應(yīng)，即：2H++2e→H2↑。 Fe2+與溶液中的OH-結(jié)合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Fe(OH)2，即：Fe2++2OH-→Fe(OH)2↓。而Fe(OH)2將結(jié)合水分，并吸收空氣中的O2， 被氧化成Fe(OH)3， 即：4Fe(OH)2+2H2O+O2→4Fe(OH)3。

3.2.2 吸氧腐蝕

當(dāng)電解質(zhì)溶液H+濃度較小時，呈弱堿性，溶液中的O2在正極上與電子產(chǎn)生還原反應(yīng)， 即：2H2O+O2+4e-→OH-，其余化學(xué)反應(yīng)與前文一樣。

電化學(xué)腐蝕主要與電解質(zhì)溶液中的H+和O2的濃度密切相關(guān)，濃度越高，其電化學(xué)腐蝕速率就越快[5]。

4 影響接地裝置腐蝕的主要因素

4.1 土壤的特性

土壤是擁有固體、液體、氣體三種性質(zhì)的質(zhì)體，土壤中的水含有一定量的鹽分或其他的電解質(zhì)， 因而有離子導(dǎo)電性。 腐蝕可分為濕蝕和干蝕兩種，濕蝕是指液體作用下的腐蝕， 干蝕是在無水分作用下的腐蝕。 濕蝕也分為水溶液下的腐蝕和非水溶液下的腐蝕兩種，由于土壤中有水分，因此接地裝置土壤腐蝕屬于水溶液下的濕蝕。 不同土壤的特性成分狀況千差萬別，因此腐蝕的差別很大，影響其腐蝕速率的因素包括：含水量和含氧量、含鹽量、土壤電阻率、含微生物量、土壤特性的不均勻及雜散電流等，各種因素相互融合共同發(fā)揮影響作用[6]。

在北方地區(qū)，存在著多年凍土和季節(jié)性凍土，而接地極的埋深深度在0.5 m 左右， 處于凍土層中，凍土地區(qū)凍結(jié)期土壤電阻率可達(dá)非凍結(jié)期的10倍[7]，北方化工企業(yè)的接地裝置除了要承受各種腐蝕因素之外，在季節(jié)交替時還要受到凍土的融沉、凍脹所產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力影響， 故其接地裝置比其他地區(qū)更容易發(fā)生腐蝕、斷裂。

4.2 大氣環(huán)境

大氣腐蝕主要產(chǎn)生在接地引下線、 斷接卡和均壓帶處。 這些部位既有大氣腐蝕的環(huán)境，又有土壤腐蝕的環(huán)境，引起腐蝕的以電化學(xué)腐蝕為主。

接地裝置大氣腐蝕的速率主要決定于空氣中的氧氣、水分、二氧化碳的含量。 而在化工企業(yè)，工業(yè)污染嚴(yán)重廠區(qū)空氣中存在大量SO2、NO2、H2S、NH3等氣體，導(dǎo)致大氣腐蝕加強(qiáng)，加快接地體的腐蝕速度。

4.3 施工與安裝的工藝

接地裝置的施工安裝過程以及安裝工藝也是影響其腐蝕的因素，主要表現(xiàn)為：

(1)當(dāng)接地體埋于較淺土壤時，在含氧率較高的表層土壤，氧化腐蝕更嚴(yán)重；

(2)為了圖省事，施工回填土并未采用細(xì)土，而是就地取材，采用砂子、碎石甚至建筑垃圾，而接地鋼材在土壤中是延伸鋪設(shè)的， 由于其各部位接觸的土質(zhì)不同，形成宏觀電池，遭受腐蝕；

(3)接地線的連接未采用焊接，而是采取螺栓或壓接管連接，接地處產(chǎn)生縫隙，局部腐蝕；

(4)接地體與接地線各處焊接頭虛焊、假焊，沒有做防腐處理；

(5)接地體采用雜質(zhì)超標(biāo)的再生鋼材時，在地下發(fā)生的電偶電池腐蝕更嚴(yán)重。

5 防腐蝕措施

5.1 陰極保護(hù)法

陰極保護(hù)法是指通過對被保護(hù)的金屬即鋼材接地裝置， 實施外加陰極極化來防止金屬腐蝕的一種方法。 可分為犧牲陽極法和外加電流法兩種，犧牲陽極法較易于實現(xiàn)， 它是利用鎂合金等電位更負(fù)的金屬與接地體相連作為陽極來腐蝕犧牲， 作為陰極的接地裝置則得到了保護(hù)(圖1)。

圖1 犧牲陽極法的示意圖

如圖1，電子移動明顯比電極反應(yīng)要快,因而改變陽極表面電荷的初始平衡狀態(tài)，導(dǎo)致極化發(fā)生。 極化促使陽極的電位偏向正極, 陰極的電位偏向負(fù)極,初始電位差變小,腐蝕電流也變小。 這樣就達(dá)到減弱腐蝕的目的。

外加電流法是指通過外接電源將接地體與鎂合金等連接，強(qiáng)制接地裝置變成陰極而產(chǎn)生陰極極化，從而降低腐蝕(圖2)。

圖2 外加電流法的示意圖

陰極保護(hù)的設(shè)計是根據(jù)土壤特性、 接地體表面積以及保護(hù)電流決定的，鎂陽極、鋅陽極的電化學(xué)性能見表1。

采用陰極保護(hù)法時， 必須達(dá)到接地體的陰極電位≤-850 mV 或者腐蝕的電位負(fù)移≥100 mV 的目的，通過接地體的陰極極化電位來減緩導(dǎo)體的腐蝕。接地裝置的最小保護(hù)電流是在10-100 mV/m3。 當(dāng)接地裝置實施陰極保護(hù)時整個接地網(wǎng)都無需使用降阻劑， 但在埋設(shè)鎂合金犧牲陽極的地方仍需要化學(xué)填實包或者碳素回填料，用以降低其陽極的接地電阻。

表1 鎂陽極和鋅陽極的電化學(xué)性能

5.2 接地引下線防腐蝕的措施

從接地引下線與接地體的連接點至地上1 m 范圍內(nèi)最易發(fā)生腐蝕，因為此處導(dǎo)體途經(jīng)兩種介質(zhì)，其電位差異會產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，造成腐蝕。 通常采取的措施是將土壤中與水平接地體連接處至地上與設(shè)備連接處的金屬刷瀝青漆或防銹漆。 在接地引下線近地面處最容易銹蝕部位應(yīng)套上PVC 絕緣套管等進(jìn)行保護(hù)，并定期維護(hù)。

5.3 使用性能優(yōu)良的降阻劑

使用降阻劑是防雷工程中降低接地電阻一項重要措施，然而一些降阻劑也會腐蝕接地裝置，因此應(yīng)該選用具有穩(wěn)定的化學(xué)性能的高效降阻劑， 它既不腐蝕接地體，還能保護(hù)接地體不受其他的腐蝕。 高效降阻劑在土壤中的平均腐蝕率≤0.05 mm/a、pH 值＞7，并能迅速凝固，這樣弱堿性能保護(hù)接地電極，降阻劑凝固在接地體四周形成一層保護(hù)， 將其他腐蝕物質(zhì)隔離在外。

5.4 接地裝置的選址與施工工藝

(1)接地體的埋深要夠深，能降低接地電阻，深層土壤含氧量較小，使得腐蝕減輕。

(2)應(yīng)排除碎石和建筑垃圾，而采用細(xì)土進(jìn)行回填并夯實， 從而增大金屬與土壤的接觸面積以降低接地電阻值，并減少O2的滲入從而減緩腐蝕。

(3)連接工藝方面，應(yīng)采用焊接，避免栓接和壓接。 焊接工藝首選放熱焊，避免虛焊、假焊現(xiàn)象，焊接長度要符合規(guī)范，焊口處應(yīng)刷防腐漆。

(4)接地體的材料選擇方面，必須選用合格的熱鍍鋅鋼材，避免再生鋼。 垂直接地體宜采用鋼管或角鋼，水平接地體宜采用圓鋼或扁鋼。

(5)接地裝置應(yīng)敷設(shè)在遠(yuǎn)離化工企業(yè)內(nèi)污染和腐蝕嚴(yán)重的地點， 避不開時采取換土法或施加降阻防腐劑等措施改良土壤特性。 此外，接地導(dǎo)體埋設(shè)時，應(yīng)盡量平直，防止機(jī)械力損傷和局部應(yīng)力集中，以免產(chǎn)生局部腐蝕和機(jī)械應(yīng)力腐蝕。

5.5 加強(qiáng)檢測與管理

在安裝施工過程中， 應(yīng)關(guān)注接地裝置的腐蝕問題，在工程設(shè)計、施工驗收過程和運行維護(hù)諸方面都要注意接地裝置的防腐蝕，并作具體的規(guī)定。

對運行中的接地網(wǎng)要主動邀請具有相關(guān)資質(zhì)的防雷檢測單位進(jìn)行接地電阻檢測，并開挖檢查，同時還應(yīng)及時開展接地裝置腐蝕的電化學(xué)檢測項目。 在日常運行維護(hù)中注意積累數(shù)據(jù)資料，并做分析研究，為今后接地裝置防腐蝕設(shè)計施工提供必要的依據(jù)。

6 結(jié)束語

化工企業(yè)發(fā)生接地事故的主要原因在于接地裝置的腐蝕，因此必須足夠重視接地體的防腐蝕問題。接地裝置的腐蝕是由多種原因造成的， 對其防腐問題應(yīng)從各個方面，包括設(shè)計、選材、施工、驗收、運行、維護(hù)等各方面嚴(yán)格把關(guān)， 并因地制宜的采取各項防腐措施，最終使接地裝置壽命得到延長。

[1] 郭欣. 變電站接地裝置的腐蝕原因和防腐措施[J].青海電力,2009,9(3):42-46.

[2] 張新春.張麗.電力系統(tǒng)接地裝置的腐蝕及防腐措施[J].潔凈與空調(diào)技術(shù),2011(1): 60-63.

[3] 歐洲華. 變電站接地裝置的腐蝕機(jī)理及防腐措施研究[J].中國西部科技,2009, (7): 04-06.

[4] 粟遲.電力系統(tǒng)接地網(wǎng)陰極保護(hù)系統(tǒng)的研究[D].華中理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008.

[5] 黃中強(qiáng). 金屬的電化學(xué)腐蝕和金屬的電化學(xué)保護(hù)[J].玉林師專學(xué)報,1998.19(3):62-64.

[6] 劉文峰.等.接地裝置的腐蝕成因及防腐措施[J].鋼結(jié)構(gòu).2006.(1):85-87.

[7] 張麗麗,等．青藏鐵路格拉段防雷接地技術(shù)的研究[J]．鐵道學(xué)報.2003.25(3):45-48.

[8] 胡士信.陰極保護(hù)工程手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1999.