電化學(xué)噪聲在接地網(wǎng)土壤腐蝕監(jiān)控中的應(yīng)用

陳建偉,錢洲亥,祝酈偉,沈曉明

(國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院,杭州 310014)

?

電化學(xué)噪聲在接地網(wǎng)土壤腐蝕監(jiān)控中的應(yīng)用

陳建偉,錢洲亥,祝酈偉,沈曉明

(國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院,杭州 310014)

采用電化學(xué)噪聲測試技術(shù)對(duì)變電站接地網(wǎng)土壤腐蝕狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。結(jié)果表明:接地網(wǎng)環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，對(duì)土壤腐蝕特性有較大影響，接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)變化較大。電化學(xué)噪聲監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)土壤腐蝕環(huán)境的變化反應(yīng)靈敏，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)控預(yù)警，可用于變電站基建勘察以及運(yùn)行維護(hù)階段的腐蝕監(jiān)控。

電化學(xué)噪聲;接地網(wǎng);土壤腐蝕;監(jiān)控

變電站接地網(wǎng)是電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行、保障電氣設(shè)備、人身安全的重要設(shè)施。由于接地網(wǎng)材料以碳鋼及鍍鋅扁鋼為主，此類接地裝置長期埋在地下，運(yùn)行環(huán)境惡劣，容易發(fā)生土壤腐蝕，導(dǎo)致設(shè)備事故，甚至?xí)斐删薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響。變電站建成后，接地網(wǎng)的腐蝕檢查維護(hù)基本靠經(jīng)驗(yàn)，以定期挖掘察看為主，這種維護(hù)方式不但盲目性大，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，會(huì)大幅增加變電站的運(yùn)行成本[1-3]。

近年來，腐蝕電化學(xué)理論的發(fā)展及相關(guān)高精度儀器設(shè)備的推出，為快速而準(zhǔn)確測定接地網(wǎng)在土壤中的腐蝕特性奠定良好的基礎(chǔ)。李謀成等[4-5]利用弱極化曲線技術(shù)和電化學(xué)阻抗譜技術(shù)研究了土壤中鋼鐵材料的腐蝕行為，分析了濕度對(duì)腐蝕狀況的影響。寄玉玉等[5]對(duì)土壤介質(zhì)中金屬腐蝕的電化學(xué)測量方法進(jìn)行了研究，使用極化阻力技術(shù)測量了碳鋼在土壤介質(zhì)中的腐蝕速率。滕永禧等[6]根據(jù)電路原理和故障診斷原理，利用實(shí)際接地網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和接地引線間電阻的測量數(shù)據(jù)，應(yīng)用特勒根定理建立接地網(wǎng)的腐蝕診斷方程，進(jìn)而判斷接地網(wǎng)的腐蝕程度。從國內(nèi)外現(xiàn)有文獻(xiàn)來看，接地網(wǎng)的電化學(xué)腐蝕測量方法大多數(shù)停留在理論分析和實(shí)驗(yàn)室模擬階段，真正用于實(shí)際的工程測量系統(tǒng)并不多見。所以，電力系統(tǒng)迫切需要研究一種不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的檢測方法和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)變電站接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)的免開挖檢查。電化學(xué)噪聲(EN)測試技術(shù)作為一種原位、無損的金屬腐蝕檢測方法，無需對(duì)被測量體系施加信號(hào)，就能監(jiān)測低電導(dǎo)環(huán)境的腐蝕，同時(shí)它對(duì)儀器要求不高，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測，可以作為研究金屬材料局部腐蝕、應(yīng)力腐蝕熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)行為的重要方法[7-9]。

本工作采用電化學(xué)噪聲測試儀器對(duì)杭州某變電站土壤進(jìn)行腐蝕特性監(jiān)測。根據(jù)所測定的實(shí)時(shí)腐蝕數(shù)據(jù)，結(jié)合電極的腐蝕形貌，判斷腐蝕趨勢，對(duì)腐蝕狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為變電站安全運(yùn)行提供技術(shù)支持。

1　試驗(yàn)

測試儀器采用進(jìn)口CAPCIS Concerto MK2 CIS4K-1電化學(xué)噪聲綜合測試儀,包括主機(jī)、數(shù)據(jù)變送器、電極(因?yàn)闇y試環(huán)境所限，常規(guī)參比電極容易損壞，適應(yīng)性較差，所以本儀器采用參比電極、工作電極、輔助電極組成的柱狀三電極體系，材料均為20號(hào)碳鋼，堅(jiān)固耐用，且能定期更換。如果電極發(fā)生腐蝕，測試數(shù)據(jù)均往同一方向變化，不會(huì)因電極不穩(wěn)定給測試結(jié)果帶來顯著影響)。儀器無需對(duì)測試對(duì)象施加信號(hào)，在開路電位條件下測得電化學(xué)噪聲數(shù)據(jù)，便于判斷土壤腐蝕機(jī)理。該套測試系統(tǒng)同時(shí)具有線性極化阻力(LPR)測試功能，能定期測出土壤環(huán)境腐蝕速率。試驗(yàn)采用路格L99-TWS-1型溫濕度計(jì)監(jiān)測土壤溫濕度。

試驗(yàn)地點(diǎn)選取杭州某變電站的接地網(wǎng)附近位置，挖開約20 cm×20 cm×80 cm的坑洞，將電極深入土壤80 cm，并用土回填，壓實(shí)?，F(xiàn)場安裝情況見圖1。

圖1　電化學(xué)噪聲腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場測試圖Fig. 1　Electrochemical noise monitoring system in the substation

電極埋設(shè)22 d后取回，觀察腐蝕形貌。同時(shí)利用電化學(xué)噪聲軟件對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[10-11]。

2　結(jié)果與討論

2.1電極形貌

試驗(yàn)后期變電站出現(xiàn)雨水天氣，現(xiàn)場土壤比較潮濕，這對(duì)土壤腐蝕特性會(huì)有一定影響，但不會(huì)影響電化學(xué)噪聲腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)正常運(yùn)行。試驗(yàn)結(jié)束后，取出電極觀察，發(fā)現(xiàn)電極表面，大部分被腐蝕產(chǎn)物覆蓋。仔細(xì)觀察電極，可以發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物分為兩層(如圖2所示)：表面黃褐色腐蝕產(chǎn)物比較疏松，用自來水沖洗就能將其除去；貼近金屬基體的內(nèi)層黑色腐蝕產(chǎn)物附著力較強(qiáng)，用自來水洗較難去除，須經(jīng)過多次物理刷洗，再經(jīng)除銹液(500 mL鹽酸+500 mL蒸餾水+20 g六次甲基四胺溶液)浸泡后才能徹底將腐蝕產(chǎn)物清除干凈。

(a)　試驗(yàn)前 (b)　試驗(yàn)后圖2　試驗(yàn)前后電極形貌Fig. 2　Electrode morphology before (a) and after (b) the experiment

2.2土壤溫濕度

圖3為試驗(yàn)期間土壤的溫濕度，因?yàn)殡姌O位于地下80 cm處，試驗(yàn)前、中期土壤溫濕度變化不大。受氣溫影響，測試點(diǎn)附近晝夜溫差在17～22 ℃，濕度相對(duì)穩(wěn)定，均在25%左右。

圖3　試驗(yàn)期間土壤溫濕度變化曲線Fig. 3　The variation of soil temperature and moisture during the experiment

試驗(yàn)后期，變電站出現(xiàn)連續(xù)雨水天氣，測試點(diǎn)附近濕度劇增，從25%躍升到53%，溫度也緩慢下降，最終降至約15 ℃。溫濕度的變化對(duì)土壤的腐蝕性將產(chǎn)生較大的影響。

2.3腐蝕速率

圖4為電化學(xué)噪聲測試系統(tǒng)所測得變電站土壤的腐蝕速率。可以看出,瞬時(shí)腐蝕速率總體呈波浪形緩慢下降并逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢。試驗(yàn)最初30 h，瞬時(shí)腐蝕速率較大，為0.08～0.12 mm/a，主要原因是因?yàn)殡姌O為新鮮表面，容易產(chǎn)生腐蝕，腐蝕速率較大。試驗(yàn)前中期(40～350 h)，瞬時(shí)腐蝕速率為0.06～0.08 mm/a，呈波浪形緩慢下降趨勢。經(jīng)分析，腐蝕速率與溫度具有相似變化趨勢，出現(xiàn)波動(dòng)與晝夜溫度變化有關(guān)，腐蝕速率有緩慢下降趨勢說明電極表面有腐蝕產(chǎn)物生成，抑制了腐蝕的進(jìn)行。試驗(yàn)后期(350～400 h)腐蝕速率突然出現(xiàn)急劇上升，一度達(dá)到0.1 mm/a，這是因?yàn)樽冸娬境霈F(xiàn)連續(xù)降雨，導(dǎo)致土壤含水量迅速增加，電極充分處于電解質(zhì)環(huán)境中，從而造成瞬時(shí)腐蝕速率快速上升，且瞬時(shí)腐蝕速率相對(duì)較大。

試驗(yàn)?zāi)┢?450～520 h),由于溫度降低與濕度增大的綜合作用，瞬時(shí)腐蝕速率趨于穩(wěn)定，維持在0.055 mm/a左右。

2.4電位/電流(E/I)噪聲圖及分析

由圖5可見,在試驗(yàn)前、中期,電位波動(dòng)幅度不大，但是具有明顯的下降趨勢，電流峰波動(dòng)頻率與幅度均比較大，呈緩慢下降趨勢。這種現(xiàn)象一方面可能與腐蝕初期工作電極表面狀態(tài)的劇烈變化以及工作電極狀態(tài)的差異性有關(guān)，另一方面也與前期腐蝕速率變化較大有關(guān)。一般認(rèn)為，土壤中的氯離子會(huì)不斷侵蝕碳鋼電極表面新生成的鐵氧化物鈍化膜，電流峰的迅速上升和下降與電極表面形成的鐵氧化物鈍化膜的破裂/修復(fù)(即亞穩(wěn)態(tài)蝕點(diǎn)的生長與消失)有關(guān)[12]。在試驗(yàn)后期，由于外界環(huán)境發(fā)生改變，對(duì)電極表面腐蝕形態(tài)產(chǎn)生較大的影響，電位與電流突然迅速上升，這與腐蝕速率突然增大的趨勢是一致的。試驗(yàn)?zāi)┢陔S著環(huán)境條件趨于穩(wěn)定，工作電極表面狀態(tài)也趨于溫和，電位與電流呈現(xiàn)平緩下降的趨勢。

圖5　試驗(yàn)土壤電位-電流的電化學(xué)噪聲圖譜Fig. 5Electrochemical noise spectrums of voltage-current during experiment

2.5點(diǎn)蝕指數(shù)(Pitting)和表面不穩(wěn)定指數(shù)(Instability)噪聲圖

圖6為電化學(xué)噪聲測試系統(tǒng)所測得的試驗(yàn)土壤點(diǎn)蝕指數(shù)(Pitting)和表面不穩(wěn)定指數(shù)(Instability)噪聲圖。這兩種指數(shù)是根據(jù)系統(tǒng)測得的電壓、電流的噪聲數(shù)據(jù)經(jīng)過傅里葉變換，從而直觀反應(yīng)出測試對(duì)象的腐蝕狀態(tài)及腐蝕概率，并將其量化。從圖6中可以看出,點(diǎn)蝕指數(shù)和表面不穩(wěn)定指數(shù)在試驗(yàn)初期均達(dá)到20%以上，對(duì)比測試系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，顯示腐蝕比較劇烈，并且波動(dòng)幅度較大，說明電極表面非常不穩(wěn)定，點(diǎn)蝕概率非常大，這與試驗(yàn)初期電位電流的噪聲的波動(dòng)趨勢是一致的。這種現(xiàn)象一方面可能因?yàn)楦g早期工作電極為新鮮表面，另一方面與電極表面發(fā)生劇烈的鐵氧化物鈍化膜的破裂/修復(fù)(即亞穩(wěn)態(tài)蝕點(diǎn)的生長與消失)過程有關(guān)。試驗(yàn)后期，由于雨水浸潤，電極表面發(fā)生較大變化，點(diǎn)蝕指數(shù)及表面不穩(wěn)定指數(shù)處于30%～70%的高位之間，表面不穩(wěn)定指數(shù)曾一度達(dá)到90%，電極表面相當(dāng)活潑，腐蝕反應(yīng)比較劇烈，這與腐蝕速率的趨勢是一致的。試驗(yàn)?zāi)┢?，波?dòng)幅度逐漸變小，趨于平穩(wěn)，點(diǎn)蝕指數(shù)和表面不穩(wěn)定指數(shù)均恢復(fù)到20%以下，說明電極表面鈍化膜的破裂/修復(fù)過程達(dá)到平衡，腐蝕狀態(tài)趨于穩(wěn)定。

圖6　試驗(yàn)土壤點(diǎn)蝕/表面不穩(wěn)定指數(shù)噪聲圖Fig. 6　Pitting index and instability index electrochemical noise spectrum during experiment

2.6電化學(xué)噪聲測試系統(tǒng)在接地網(wǎng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測中的應(yīng)用

電化學(xué)噪聲監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)Υ嬖趪?yán)重局部腐蝕和均勻腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的接地網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，并且可以進(jìn)入DCS系統(tǒng)，使其像溫度、壓力等常規(guī)參數(shù)一樣被變電站運(yùn)行維護(hù)人員使用。試驗(yàn)開始前根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)設(shè)置E、I、Pitting和Instability等腐蝕指數(shù)報(bào)警臨界值。試驗(yàn)前、中期，因?yàn)殡姌O為新鮮表面，表面反應(yīng)比較活躍，點(diǎn)蝕指數(shù)及表面不穩(wěn)定指數(shù)比較高，所以容易產(chǎn)生腐蝕，腐蝕速率較大。試驗(yàn)后期，由于外界環(huán)境變化導(dǎo)致設(shè)備腐蝕狀態(tài)突然變化時(shí)，系統(tǒng)就能夠發(fā)出警示，同時(shí)將存儲(chǔ)所有報(bào)警階段的原始電化學(xué)噪聲數(shù)據(jù)。變電站運(yùn)行維護(hù)人員能夠及時(shí)分析濕度、溫度、土壤環(huán)境、雜散電流、運(yùn)行工況的變化導(dǎo)致設(shè)備腐蝕狀態(tài)的改變，并采取相應(yīng)措施。這樣便可將輸變電設(shè)備腐蝕全面管理和日常操作管理結(jié)合在一起，從而減少腐蝕損失和由于腐蝕導(dǎo)致的停運(yùn)事故。

3　結(jié)論

(1) 杭州某變電站土壤腐蝕速率較低，約為0.055 mm/a，腐蝕比較輕微。

(2) 電化學(xué)噪聲監(jiān)測系統(tǒng)所處土壤環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，對(duì)土壤腐蝕特性有較大影響，接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)變化較大。

(3) 電化學(xué)噪聲監(jiān)測系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，可用于變電站基建勘察以及運(yùn)行維護(hù)階段的腐蝕監(jiān)控。

[1]何智強(qiáng),劉凱,胡旭,等. 接地鋼材在湘南地區(qū)的腐蝕特性研究[J]. 湖南電力,2010,30(6):4-7.

[2]李月強(qiáng),杜翠薇,馮皓,等. 接地極的土壤腐蝕[J]. 環(huán)境技術(shù),2010(1):15-18.

[3]胡學(xué)文,許崇武. 接地網(wǎng)腐蝕與防護(hù)的研究[J]. 湖北電力,2002,26(3):31-34.

[4]李謀成,林海潮,曹楚南. 濕度對(duì)鋼鐵材料在中性土壤中腐蝕行為的影響[J]. 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2000,12(4):218-220.

[5]寄玉玉,王佩,張秀麗,等. 接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)原位檢測技術(shù)研究[J]. 華北電力技術(shù),2012(8):34-37.

[6]滕永禧. 接地網(wǎng)腐蝕診斷方法研究[D]. 重慶:重慶大學(xué),2004:5-10.

[7]WOODCOCK C P,JMILLS D,SINGH H T. Use of electrochemical noise method to investigate the anti-corrosive properties of a set of compliant coatings[J]. Prog Org Coat,2005(52):257-262.

[8]MANSFLED F,SUN Z,HSU C H. Electrochemical noise analysis for active and passive systems in chloride media[J]. Electrochem Acta,2001,46(24/25):3651-3664.

[9]吳港,孔小東,田志強(qiáng),等. 兩種船體鋼耐點(diǎn)蝕性能的電化學(xué)噪聲評(píng)估[J]. 腐蝕與防護(hù),2012,33(3):231-233.

[10]MANSFLED F,SUN Z,HSU C H. Concerning trend removal in electrochemical noise measurements[J]. Corrosion Sci,2001(43):341-352.

[11]BERTOCCI U,GABRIELLI C,HUET F. Noise resistance applied to corrosion measurements[J]. J Electrochem Soc,1997,144(1):31-37.

[12]李季,趙林,李博文,等. 304不銹鋼點(diǎn)蝕的電化學(xué)噪聲特征[J]. 中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào),2012,32(3):235-240.

Application of Electrochemical Noise to Soil Corrosion Monitoring of Grounding Grid

CHEN Jian-wei, QIAN Zhou-hai, ZHU Li-wei, SHEN Xiao-ming

(State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute, Hangzhou 310014, China)

The substation grounding grid corrosion status was in real-time and online monitored using electrochemical noise technology. The results show that the change of grounding grid environment had a great effect on soil corrosion characteristics and led to great changes of the grounding grid corrosion. Electrochemical noise monitoring system is sensitive to the changes of environment and may implement real-time accurate monitoring and warning, and thus it can be used for corrosion monitoring in the stages of substation construction survey and operation.

electrochemical noise; grounding grid; soil corrosion; monitoring

10.11973/fsyfh-201605005

2015-03-04

國家電網(wǎng)公司科技資助項(xiàng)目(ZDK/GW001-2012); 浙江省電力公司科技項(xiàng)目(5211DS1350JP)

陳建偉(1984-),工程師,從事輸變電設(shè)備腐蝕與防護(hù)技術(shù)研究,0571-51211540,346781096@qq.com

TG174

A

1005-748X(2016)05-0371-04