土壤中的防雷接地裝置防腐問(wèn)題研究

吳運(yùn)策等

摘要 在雷電防護(hù)中，接地相當(dāng)重要，接地裝置的優(yōu)劣直接決定了防雷裝置的避雷效果。若接地處理不好，其他的技術(shù)措施就失去了支持。本文通過(guò)對(duì)土壤中的接地裝置腐蝕機(jī)理、腐蝕類(lèi)型以及影響接地體腐蝕因素的探討，提出加大接地截面和對(duì)接地極表面鍍鋅法、采用銅及其他耐腐蝕的金屬作接地材料法、采用降阻防腐法、在接地極表面采用復(fù)合多重的防腐材料法、采用“犧牲陽(yáng)極、陰極保護(hù)”法以及調(diào)節(jié)土壤的酸堿度、含鹽量、換土等多種防腐措施，以減少土壤對(duì)接地裝置的腐蝕。

關(guān)鍵詞 土壤；接地裝置；防腐

中圖分類(lèi)號(hào) TM863 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2015）14-0194-02

Study on Corrosion Prevention Measures for Lightning Earth-termination System in the Soil

WU Yun-ce 1 LIU Yue-yu 1 LUO Huan-juan 2 ZHANG Yi 1

（1 Lightning Protection Center of Hunan Province，Changsha Hunan 410007； 2 Hunan Provincial Bureau of Meteorology）

Abstract Lightning earth-termination system plays an important role in lightning protection technologies，it decides the protection effectiveness of lightning protection system. If grounding is not properly handled，the other lightning protections has already lost its original effectiveness. In this paper，by analyzing the corrosion mechanism，corrosion forms and corrosion influencing factors of lightning earth-termination system，different corrosion prevention measures were proposed，such as increasing interface of the earth electrode，plating of earth electrode could be zinc，using the corrosion-resistant metals as the earth electrode such as copper，using the corrosion resistance reduction agent，using the method of cathodic protection of sacrificial anode，changing soil，and adjusting the pH and salinity of soil，which meant to reduce the corrosive action on lightning earth-termination system by the soil.

Key words soil；lightning earth-termination system；corrosion prevention

目前，接地已成為保障電力系統(tǒng)、建筑設(shè)施等安全運(yùn)行和人身安全的重要措施。接閃器、引下線、電涌保護(hù)器只有通過(guò)良好的接地裝置才能將強(qiáng)大的雷電流迅速泄放入地[1-3]。但是接地裝置易受土壤腐蝕，翻修改造難度大，費(fèi)用高，因此研究接地裝置在土壤中的腐蝕機(jī)理和防護(hù)方法，是雷電防護(hù)工程亟需解決的課題。

1 土壤中接地裝置腐蝕后的危害

現(xiàn)階段，我國(guó)用于接地的材料主要為碳鋼材料。雷電防護(hù)系統(tǒng)中，接地裝置一是要滿(mǎn)足一定雷電流下的熱穩(wěn)定和動(dòng)穩(wěn)定。二是雷電流入地瞬間，地電位要限制在允許的范圍內(nèi)。三是接地裝置電位均衡。接地裝置發(fā)生腐蝕后，接地碳鋼材料受損，表層的腐蝕產(chǎn)物造成接地性能不良，無(wú)法滿(mǎn)足泄流時(shí)對(duì)熱、動(dòng)穩(wěn)定的要求，雷電沖擊電流流經(jīng)地網(wǎng)時(shí)，可使地網(wǎng)斷裂，并且因?yàn)榻拥匮b置受到腐蝕后跨步電壓增大，危及人身安全。此外，由于防雷的接地裝置大多與設(shè)備、電源接地共用，接地裝置上過(guò)大的壓降，以過(guò)電壓的形式侵入電源系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備造成反擊，引起事故[4]。

2 土壤中的接地裝置腐蝕機(jī)理

金屬在土壤中的腐蝕，其實(shí)就是電化學(xué)腐蝕。土壤中含有鹽或其他物質(zhì)的水——電解質(zhì)溶液，當(dāng)金屬埋在土壤中時(shí)，其表面將發(fā)生原電池作用而被腐蝕。碳鋼接地體在酸性土壤中的吸氫腐蝕見(jiàn)圖1，碳鋼接地體在中性或堿性溶液中的吸氧腐蝕見(jiàn)圖2。由電極反應(yīng)可以看出，鐵不斷把電子傳導(dǎo)給碳，并將正離子投入電解質(zhì)溶液，鐵即溶解，遭受腐蝕；同時(shí)，碳僅起傳遞電子的作用，使其周?chē)l(fā)生吸氫腐蝕或吸氧腐蝕而碳本身沒(méi)有變化。因此，化學(xué)成分不純、結(jié)構(gòu)不均勻或狀態(tài)不均勻材料是造成接地體被腐蝕的主要原因；另外，電子在陰、陽(yáng)極間電位差的作用下移向陰極，將進(jìn)一步促使陽(yáng)極反應(yīng)的進(jìn)行，加速金屬的腐蝕過(guò)程。在實(shí)際中，吸氧腐蝕比吸氫腐蝕更具有普遍性[5]。

3 接地裝置土壤腐蝕的類(lèi)型

3.1 微電池腐蝕和宏觀電池腐蝕

比較短小的金屬構(gòu)件的腐蝕，主要是由金屬組織不均勻性引起的微電池腐蝕。對(duì)于長(zhǎng)的金屬構(gòu)件而言，因不同位置氧滲透率、黏土和砂土等結(jié)構(gòu)及埋設(shè)深度不同，使金屬表面不同部分散布著不同的電位，引起氧濃差電池和鹽分濃差電池腐蝕，在陽(yáng)極部位產(chǎn)生較深的腐蝕孔，使金屬接地體遭受?chē)?yán)重破壞。水平接地體在不同的土壤中形成的氧濃差電池見(jiàn)圖3。endprint

3.2 雜散電流引起腐蝕

由原定的正常電路漏失而流入大地的雜散電流引起地下埋設(shè)的金屬構(gòu)筑物、接地體、管道等腐蝕。圖4為用電設(shè)備漏失電流流入大地處成為腐蝕電池的陰極，而附近的接地體成為腐蝕電池的陽(yáng)極區(qū)，即可遭到腐蝕破壞。腐蝕破壞程度與雜散電流的強(qiáng)度成正比，電流強(qiáng)度愈大，腐蝕就愈嚴(yán)重。一般來(lái)說(shuō)雜散電流造成的腐蝕損失相當(dāng)嚴(yán)重，計(jì)算表明：1 A直流電流經(jīng)過(guò)1年就可以造成9 kg的鐵發(fā)生電化學(xué)溶解而被腐蝕掉；分散電流比較嚴(yán)重的區(qū)域，8～9 mm厚的鋼管，只要2～3個(gè)月就會(huì)腐蝕穿孔[6]。

3.3 微生物引起的腐蝕

硫酸鹽還原菌（厭氧菌）、硫桿菌（有排硫桿菌和氧化硫桿菌2種，最適宜存在的溫度為25～30℃）等細(xì)菌的活動(dòng)能引起金屬的強(qiáng)烈腐蝕。這些細(xì)菌有可能引起土壤物理化學(xué)性質(zhì)的不均勻性，從而造成氧濃差電池腐蝕，同時(shí)細(xì)菌在生命活動(dòng)中產(chǎn)生硫化氫、二氧化碳和酸能夠腐蝕金屬，另外細(xì)菌還可能參與腐蝕的電化學(xué)過(guò)程，硫酸鹽還原菌能消耗氫原子，使去極化反應(yīng)順利進(jìn)行。

4 接地體腐蝕速率的主要影響因素

4.1 土壤電阻率

當(dāng)腐蝕電池形成后，作為回路介質(zhì)，土壤的電阻率小，腐蝕電流變大，腐蝕越嚴(yán)重，因而土壤電阻率是評(píng)價(jià)腐蝕性的重要指標(biāo)。土壤電阻率與腐蝕速度的關(guān)系見(jiàn)表1。

4.2 土壤含氧量

在中性或酸性土壤中，土壤中的含氧量對(duì)腐蝕過(guò)程有很大的影響。將金屬導(dǎo)體埋設(shè)在含氧量不同的土壤中，就可能形成不均勻的氧濃差腐蝕電池。

4.3 土壤含水量

土壤含水量除影響透氣性外，對(duì)土壤中的溶鹽量及導(dǎo)電性也有很大的影響。當(dāng)土壤含水量很低時(shí)，土壤電阻大，腐蝕很??；在達(dá)到臨界值以前，腐蝕速度隨著含水量增加而提高；達(dá)到臨界值以后，腐蝕性隨著含水量再增大而減小。以黏土和砂質(zhì)黏土為例，含水量為0時(shí)，沒(méi)有腐蝕；含水量為12%～25%時(shí)，保持最大腐蝕速度；含水量為25%～40%時(shí)，腐蝕速度降低；含水量>40%時(shí)，則出現(xiàn)較低恒定的腐蝕速度。

4.4 土壤含鹽量

土壤含鹽量高，土壤電阻率小，腐蝕速度就大。

4.5 土壤的pH值

大部分土壤pH值為6.00～6.75，鹽堿土、酸性土的pH值分別為7.5～9.5、3.0～6.0。一般土壤pH值低，其腐蝕性大。

5 土壤中的接地裝置防腐措施

通過(guò)對(duì)接地裝置腐蝕機(jī)理、腐蝕類(lèi)型和影響腐蝕速率因素分析，在實(shí)際防雷工程設(shè)計(jì)施工中，可對(duì)接地裝置采取如下防腐措施。

5.1 加大接地裝置截面或?qū)拥匮b置表面鍍鋅

此法可對(duì)接地裝置腐蝕起減緩作用，對(duì)于未采取防腐措施的接地裝置，當(dāng)腐蝕速度不大于0.1 mm/年時(shí)，圓鋼接地體直徑不小于12 mm，鋼管接地體厚度應(yīng)當(dāng)不小于5 mm，扁鋼接地體厚度應(yīng)不小于5 mm；若腐蝕速度超過(guò)0.1 mm/年時(shí)，則接地體的直徑和厚度應(yīng)相應(yīng)增加；對(duì)于采用碳鋼上鍍鋅的防腐措施，主要依靠表面層上鋅的腐蝕保護(hù)地網(wǎng)金屬，但鋅只在溫和的環(huán)境下有較好的耐蝕性，一般土壤環(huán)境中，平均腐蝕速率為0.065 mm/年。但對(duì)防腐嚴(yán)重的地區(qū)無(wú)法從根本解決問(wèn)題，而且造成大量金屬材料的不必要消耗。

5.2 采用銅及其他耐腐蝕的金屬作接地材料

美國(guó)等西方國(guó)家采用此方法，但由于此方法一次性投資大，銅的價(jià)格昂貴，剛性不夠，施工困難，還易造成與其他鋼結(jié)構(gòu)形成原電池，使鋼結(jié)構(gòu)受到腐蝕影響其他鋼結(jié)構(gòu)的安全，所以難以大面積推廣。

5.3 采用降阻防腐

許多試驗(yàn)說(shuō)明，降阻劑對(duì)接地體腐蝕有很好的保護(hù)作用，且價(jià)格適中，可以大量推廣。防腐劑中比原土中的腐蝕率小的原因：一是降阻防腐劑為弱堿性，pH值為10，可極大地抑制硫桿菌的生長(zhǎng)，所以鐵的析氫腐蝕作用和微生物腐蝕作用都很難存在。二是降阻防腐劑中的OH-數(shù)量多，它與鐵之間的“標(biāo)準(zhǔn)電極電位差”較小，減小腐蝕作用。三是降阻防腐劑中含有大量鈣、鈉、鎂和鋁的金屬氧化物，有一定的陰極保護(hù)作用。四是膠黏狀的降阻防腐劑，可以將鐵包圍緊密，阻隔空氣中的氧氣，可防止氧化腐蝕作用。五是降阻防腐劑與鐵表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成一層氧化膜，故不易腐蝕。六是鐵的氧化物屬于堿性氧化物，僅能與酸反應(yīng)，因此，鐵埋在具有弱堿性的降阻防腐劑中，可以避免二次腐蝕。

5.4 接地極表面采用復(fù)合多種的防腐材料

在以銅或鋼為基體的接地體的表面上復(fù)合一層厚度為不小于0.5 mm的銅、鉛、鋅等有色金屬，此法可以適應(yīng)不同的酸堿等腐蝕介質(zhì)的防腐，減緩接地體腐蝕。

5.5 采用“犧牲陽(yáng)極，陰極保護(hù)”

此法不僅對(duì)接地體進(jìn)行防腐保護(hù)，延長(zhǎng)接地體使用年限，一般可達(dá)40年以上，而且能進(jìn)一步降低地網(wǎng)接地電阻。該法就是把作為陽(yáng)極遭受腐蝕的地網(wǎng)設(shè)法變?yōu)殛帢O，使其由失去電子變?yōu)楂@取電子，氧化反應(yīng)變?yōu)檫€原反應(yīng)，遭受腐蝕變得沒(méi)有腐蝕。實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)的手段一般有2種：一是外加電源法（圖5）；二是犧牲陽(yáng)極法（圖6）。

5.5.1 外加電源法。利用石墨等作陽(yáng)極，被保護(hù)的接地極作陰極，兩者之間加以直流電源，電源的正極接在陽(yáng)極上，負(fù)極接在被保護(hù)的接地極或地下金屬物上。直流電源可采用降壓變壓器和整流器。一般對(duì)電源容易解決，工程規(guī)模較大的，宜采用外加電源法。

5.5.2 犧牲陽(yáng)極法。將被保護(hù)的接地極或地下金屬物作為陰極，利用鎂合金、鋁合金、鋅合金等金屬作陽(yáng)極，將陰、陽(yáng)兩極相連，作為陽(yáng)極的保護(hù)物不斷消蝕。犧牲陽(yáng)極不需外接電源，且無(wú)需維修，陽(yáng)極消耗很小，由于電池作用產(chǎn)生的電流小，只用于對(duì)電流量需要不太大的地方。在沿海地區(qū)和土質(zhì)、土壤腐蝕性較強(qiáng)的規(guī)模大的工程宜采用此方法。

5.6 其他方法

可以通過(guò)調(diào)節(jié)土壤的酸堿度、含鹽量、換土等方法減緩接地體的腐蝕速度。

6 結(jié)論

接地體金屬腐蝕分為吸氫腐蝕和吸氧腐蝕。接地體土壤腐蝕的速率與土壤電阻率、土壤中的含水量、含氧量、含鹽量、土壤的酸度等有關(guān)。減緩接地體的腐蝕速度，可以通過(guò)加大接地極截面和對(duì)接地極表面鍍鋅；或采用銅及其他耐腐蝕的金屬做接地材料；或采用降阻防腐；或在接地極表面采用復(fù)合多種的防腐材料；或采用“犧牲陽(yáng)極，陰極保護(hù)”；或調(diào)節(jié)土壤的酸堿度、含鹽量、換土等多種措施。

7 參考文獻(xiàn)

[1] 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(zhuān)學(xué)報(bào)，1998，19（3）：62-64.

[2] 陰極保護(hù)手冊(cè)：電化學(xué)保護(hù)的理論與實(shí)踐[M]. 胡士信，王向農(nóng)，譯.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：113-128.

[3] 李景祿.實(shí)用電力接地技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2002：187-203.

[4] 建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50057-94[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2001：24-25.

[5] 許雅周，劉開(kāi)明.工程化學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：91-95.

[6] 林玉珍，楊德均.腐蝕和腐蝕控制原理[M].北京：中國(guó)石化出版社，2007：206-213.endprint