鋼質(zhì)接地材料電偶加速腐蝕評價(jià)方法

周　蜜，王建國，張　予，胡丹輝，樊亞東，蔡　力

(1. 武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 武漢 430072； 2. 國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院， 武漢 430077)

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鋼質(zhì)接地材料電偶加速腐蝕評價(jià)方法

周蜜1，王建國1，張予2，胡丹輝2，樊亞東1，蔡力1

(1. 武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 武漢 430072； 2. 國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院， 武漢 430077)

開展接地材料腐蝕特性評價(jià)技術(shù)研究有助于了解鋼質(zhì)接地網(wǎng)土壤中的腐蝕規(guī)律和特性，有利于材料合理選材和截面選擇。開展了鍍鋅鋼接地材料電偶加速腐蝕評價(jià)方法的研究。結(jié)果表明，鍍鋅鋼-黃銅電偶對金屬間的電位差、金屬電極的極化行為、陰陽極面積比等是影響腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果的關(guān)鍵因素。電偶作用陰陽極間距與鍍鋅鋼材料腐蝕量近似呈線性關(guān)系。隨陰陽極面積比的增大，鍍鋅鋼接地材料的電偶腐蝕明顯加劇。電偶加速腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果受含水量的變化的影響非常顯著，非含水飽和土壤中電偶腐蝕率高于含水飽和土壤。鍍鋅鋼接地材料電偶腐蝕定量評價(jià)應(yīng)固定電極材料、陰陽極間距、陰陽極面積比等關(guān)鍵試驗(yàn)參數(shù)，電偶加速腐蝕試驗(yàn)不宜在非含水飽和土壤中進(jìn)行。

鍍鋅鋼；黃銅；土壤；加速腐蝕；電偶腐蝕

0　引　言

接地網(wǎng)安全是電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要保障。我國電力系統(tǒng)接地網(wǎng)材料主要為鋼質(zhì)材料，普遍采用熱鍍鋅方式提高接地網(wǎng)耐蝕性能。GB50169及DL/T621要求接地裝置的防腐蝕設(shè)計(jì)宜按當(dāng)?shù)氐母g數(shù)據(jù)進(jìn)行，使接地裝置的設(shè)計(jì)使用年限與地面工程的設(shè)計(jì)使用年限相當(dāng)，而實(shí)際工作中往往缺乏系統(tǒng)的當(dāng)?shù)馗g數(shù)據(jù)[1-4]。

金屬材料腐蝕性評價(jià)有利于材料合理選材和截面選擇。通過野外埋設(shè)試驗(yàn)測量金屬材料在土壤中腐蝕速度是金屬材料腐蝕研究的傳統(tǒng)方法[5-8]，我國材料腐蝕試驗(yàn)網(wǎng)站等科研基礎(chǔ)觀測平臺(tái)一直在開展不同環(huán)境下不同材料的埋樣試驗(yàn)。受試驗(yàn)站分布、較長的埋樣時(shí)間及埋樣數(shù)量的限制，試驗(yàn)數(shù)據(jù)有待進(jìn)一步積累。

實(shí)驗(yàn)室模擬腐蝕試驗(yàn)具有試驗(yàn)條件易于控制、試驗(yàn)時(shí)間相對較短等優(yōu)點(diǎn)[9]，但存在將電化學(xué)方法測定的腐蝕速度與來自實(shí)際的腐蝕檢測方法得到的腐蝕數(shù)據(jù)(如質(zhì)量損失檢測)聯(lián)系起來的問題。如何從短期的加速腐蝕試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測材料在土壤環(huán)境中長期腐蝕速度是近年研究熱點(diǎn)。

兩種或兩種以上金屬在電解質(zhì)溶液中，或同種金屬在不同狀態(tài)或不同組成電解質(zhì)溶液中，直接接觸或通過金屬導(dǎo)體連接構(gòu)成回路，就構(gòu)成了電偶電池。電偶對中腐蝕電位較負(fù)的金屬成為電偶對中的陽極而被加速腐蝕，而電偶對中腐蝕電位較正的金屬成為電偶對中的陰極而得到保護(hù)。土壤電偶加速腐蝕試驗(yàn)利用陽極金屬和陰極金屬電偶對在土壤中的短接，組成電偶腐蝕電池，加大陽極試片在土壤介質(zhì)中的腐蝕速度。

電偶對之間的距離和面積比等對電偶對腐蝕行為有重要的影響。Arya和Vassie[10]在研究3%NaCl溶液中電偶對之間距離對電偶電流密度的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)在給定陰陽極面積比的條件下，電偶對間距對電偶電流密度有明顯影響。Song等[11]在對AZ91D鎂合金分別與鋁合金、鐵、鋅之間的電偶腐蝕行為的研究中，也發(fā)現(xiàn)電偶電流密度與陰陽極接觸處距離密切相關(guān)。當(dāng)陽極面積不變時(shí)，隨著陰極面積的增大，陰極電流增加，陽極金屬的腐蝕速度會(huì)加快。張艷成等[12]曾研究3.5%NaCl溶液中帶銹鑄鐵和304不銹鋼之間的電偶腐蝕效應(yīng)，顯示隨著面積比增大電偶腐蝕效應(yīng)會(huì)增大。在土壤中開展的鋼質(zhì)材料電偶加速腐蝕試驗(yàn)報(bào)道不多[13]。Escalante[14]發(fā)現(xiàn)彼此分開30cm，埋在深度為0.8m的鋅/不銹鋼電偶對中，電偶電流能反映整個(gè)埋設(shè)過程中土壤環(huán)境以及電極表面的變化。

針對我國電力系統(tǒng)使用最廣泛的熱鍍鋅鋼接地材料，開展接地材料腐蝕特性和評價(jià)技術(shù)研究，有助于了解和掌握鋼質(zhì)接地材料在土壤中的腐蝕規(guī)律和特性，并針對實(shí)際工程應(yīng)用需求開展性能評價(jià)和腐蝕定量校核，可以為接地工程的合理選材、正確用材、防腐措施以及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定提供科學(xué)依據(jù)。本文開展了鍍鋅鋼接地材料電偶加速腐蝕評價(jià)方法的研究，針對評價(jià)方法中電極材料、陰陽極間距、陰陽極面積比、土壤含水量等關(guān)鍵因素對加速腐蝕試驗(yàn)結(jié)果的影響，開展了系統(tǒng)研究。

1　實(shí)　驗(yàn)

電偶加速腐蝕中陰極材料選用黃銅，其化學(xué)成分Cu為67%，Pb為0.03%，P為0.01%，F(xiàn)e為0.1%，Sb為0.005%，Bi為0.005%，雜質(zhì)<0.3%，余量為Zn。陽極材料為待研究鍍鋅鋼材料，尺寸為10mm×10mm×6mm，熱鍍鋅層厚度為89μm，鋼基體化學(xué)成分C為0.13%，Si為0.19%，Mn為0.45%，P為0.02%，S為0.034%，Pb為0.005%，余量為Fe。鋼基體密度7.85g/cm3，屈服強(qiáng)度335N/mm2，抗拉強(qiáng)度460N/mm2。

設(shè)計(jì)陰陽極面積比為1∶1，2∶1，5∶1，10∶1，20∶1和30∶1的電偶對，制作陰極黃銅的尺寸依次為10mm×10mm×6mm，20mm×10mm×6mm，25mm×20mm×6mm，50mm×20mm×6mm，50mm×40mm×6mm，60mm×50mm×6mm，黃銅工作面采用400#水砂紙打磨去除氧化層。陰陽極材料背面焊接帶絕緣護(hù)套銅導(dǎo)線，非工作面均采用環(huán)氧樹脂封裝。試驗(yàn)中使用了兩種土樣，其基本性質(zhì)見表1所示。

表1　土樣性質(zhì)

注：*為質(zhì)量含水量，以下同。

采用三電極體系，黃銅片和鍍鋅鋼片為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極，電解池容積為1 000mL，采用恒溫水浴鍋控制試驗(yàn)體系溫度恒定為25 ℃。實(shí)驗(yàn)過程中，采用ZRA電偶腐蝕計(jì)分別記錄黃銅和鍍鋅鋼試樣的電偶電位Eg(耦合金屬在土壤中的腐蝕電位)和電偶電流Ig(流過陽極和陰極的連接導(dǎo)線中的電流)，最短測量至600h直至數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

根據(jù)法拉第定律，陽極每溶解1mol的金屬，需通過nF庫倫的電量(n為電極反應(yīng)方程式中的得失電子數(shù)；F為法拉第常數(shù)，96 500C/mol)。若電流強(qiáng)度為I，通電時(shí)間為t，則通過的電荷量為It。如果金屬的原子量為M，則陽極所溶解的金屬量Δm為

(1)

根據(jù)式(1)，電偶對中陽極腐蝕量將與流過電偶對的電荷量成正比。

2　結(jié)果與討論

2.1陰陽極間距影響

以表1土樣1為研究對象，采用電導(dǎo)率低于3μS/cm的去離子水將土壤配制成含水飽和狀態(tài)，此時(shí)土壤顆粒間所有孔隙都充滿水分，土壤表面被1層水膜覆蓋，含水量略>45%。固定陰陽極面積比為20∶1，控制陰陽極間距依次為2，4，6，8，10，12cm。投入電偶前的開路狀態(tài)下，測量陽極鍍鋅鋼土壤中的腐蝕電位分別為-1.032，-1.066，-1.056，-1.003和-1.044V，陰極黃銅分別為-0.028，-0.016，-0.020，-0.012，-0.014和-0.051V。同種金屬在同一含水飽和土壤中的腐蝕電位略有差異，這與各自電極表面的微觀狀況有關(guān)。

電偶投入后的前1 000s內(nèi)，觀察到不同陰陽極間距的含水飽和土壤中電偶對電偶電流及電偶電位變化見圖1所示。

圖1電偶對投入時(shí)不同陰陽極間距的含水飽和土壤1中電偶對電偶電流及電偶電位變化

Fig1Influenceofthedistancebetweenanodeandcathodeongalvaniccurrentandgalvanicpotentialofthegalvaniccoupleinthewater-saturatedsoilintheinitial1 000s

當(dāng)電偶對剛投入時(shí)，電偶電流維持在數(shù)百μA量級，但隨時(shí)間增加，電偶電流開始迅速衰減變小。電偶對的電偶電位也逐漸由銅的腐蝕電位方向，逐漸向鍍鋅鋼的腐蝕電位方向偏移而發(fā)生負(fù)移。間距為10cm的電偶對的電偶電流分別在前200，400，500s內(nèi)高于間距為4，6和8cm電偶對的電偶電流，但500s后，電偶電流下降至圖1(a)中5條曲線最低。就總體趨勢而言，在給定陰陽極面積比條件下，電偶對間距越大，電偶電流越小，電偶電位負(fù)移越快。

圖2為600h內(nèi)，不同陰陽極間距的含水飽和土壤中電偶對電偶電流及電偶電位變化。全過程中電偶電流逐漸減小，大約在400h時(shí)，電偶電流穩(wěn)定在一較小水平處(數(shù)μA量級)。電偶電位與電偶電流的變化曲線恰好相反，電偶電位雖有波動(dòng)，但試驗(yàn)過程中整體發(fā)生正移，這是因?yàn)殡S腐蝕進(jìn)行，金屬電極表面不斷覆蓋腐蝕產(chǎn)物，導(dǎo)致電極表面發(fā)生變化，直接影響陰極和陽極金屬的極化狀態(tài)，通過耦合電位的變化影響了耦合電流的大小。圖3為600h內(nèi)不同陰陽極間距的電偶對流過的電荷量，隨陰陽極間距的減小，因電偶作用導(dǎo)致鍍鋅鋼材料腐蝕量近似呈線性關(guān)系增大。

圖2600h內(nèi)不同陰陽極間距的含水飽和土壤1中電偶對電偶電流及電偶電位變化

Fig2Influenceofthedistancebetweenanodeandcathodeongalvaniccurrentandgalvanicpotentialofthegalvaniccoupleinthewater-saturatedsoilduringthe600hprocess

圖3600h不同陰陽極間距黃銅-鍍鋅鋼電偶對流過電荷量

Fig3Influenceofthedistancebetweenanodeandcathodeonthechargetransferthroughthegalvaniccoupleofthegalvanizedsteelandbrassin600h

2.2陰陽極面積比影響

以土樣2作為研究對象，配制含水量為飽和狀態(tài)(含水量略>40%)，陰陽極間距固定為10cm。600h內(nèi)，陰陽極面積比依次為30∶1，20∶1，10∶1，5∶1，2∶1和1∶1的黃銅-鍍鋅鋼電偶對電偶電流及電偶電位變化見圖4所示。隨著電偶中陰極對陽極面積的比率增加，電偶電流逐漸增加，因此陽極腐蝕電流密度增大。隨著試驗(yàn)進(jìn)行，電偶電流逐漸減小，500h后降到最低值并達(dá)到相對穩(wěn)定，此時(shí)電偶電流均不超過5μA。圖5為不同陰陽極面積比下黃銅-鍍鋅鋼電偶對流過的電荷量，隨陰陽極面積比增加，鍍鋅鋼材料腐蝕量顯著增大。

圖4600h不同陰陽極面積比的含水飽和土壤中電偶對電偶電流及電偶電位變化

Fig4Influenceofthearearatioofcathodetoanodeongalvaniccurrentandgalvanicpotentialofthegalvaniccoupleinthewater-saturatedsoilduringthe600hprocess

圖5600h不同陰陽極面積比黃銅-鍍鋅鋼電偶對電荷量

Fig5Influenceofthearearatioofcathodetoanodeonthechargetransferthroughthegalvaniccoupleofthegalvanizedsteelandbrassin600h

2.3土壤含水量影響

選取土樣1作為研究對象，配制含水量依次為10%，15%，20%，25%，30%以及含水飽和，固定陰陽極面積比為20∶1，研究含水量對電偶腐蝕行為的影響。實(shí)驗(yàn)過程中通過監(jiān)測重量的方式不斷補(bǔ)水以維持含水量穩(wěn)定。

電偶投入后的前1 000s內(nèi)，不同含水量的土樣1中電偶對電偶電流及電偶電位變化見圖6。與圖1對比可以發(fā)現(xiàn)，非含水飽和土壤中，電偶對剛投入時(shí)電偶電流僅維持在數(shù)十μA量級，隨時(shí)間增加，電偶電流未出現(xiàn)迅速衰減變小的現(xiàn)象。電偶對的電偶電位除在剛開始幾秒內(nèi)出現(xiàn)小幅波動(dòng)外，其后基本維持不變。圖6中含水飽和土壤中電偶對的電偶電流及電偶電位變化劇烈，與圖1中現(xiàn)象較為一致。1 000s內(nèi)，6種不同含水量土壤中，電偶對電偶電流的大小關(guān)系為含水飽和?含水量30%>含水量25%>含水量15%>含水量20%>含水量10%。

圖6電偶對剛投入時(shí)不同含水量的土樣1電偶對電偶電流及電偶電位變化

Fig6Influenceofwatercontentongalvaniccurrentandgalvanicpotentialofthegalvaniccoupleinsoilsample1intheinitial1 000s

圖7為600h內(nèi)，不同含水量的土樣1中電偶對電偶電流及電偶電位變化，隨時(shí)間增加，電偶對中電偶電流逐漸減小，大約300h后，電偶電流逐漸穩(wěn)定，其中非飽和土壤中未發(fā)現(xiàn)電偶電流類似飽和土壤中會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定的、接近于0的情況。對于電偶電位，非飽和土壤在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，但未呈現(xiàn)整體負(fù)移或正移現(xiàn)象，而含水飽和土壤仍呈現(xiàn)出圖2或圖4中的電偶電位正移現(xiàn)象。因電偶作用導(dǎo)致陽極鍍鋅鋼的溶解量為含水量25%(60.3C)>含水量30%(49.5C)>含水量15%(25.5C)>含水量20%(23.4C)>含水飽和土壤(18.3C)>含水量10%(8.0C)，總體趨勢是隨含水量增加，電偶腐蝕先增強(qiáng)后又逐漸減弱。

在土樣1中未發(fā)現(xiàn)含水量與電偶腐蝕之間出現(xiàn)清晰的規(guī)律，因此又以土樣2作為研究對象，進(jìn)一步分析土壤含水量對電偶腐蝕行為的影響，試驗(yàn)過程中記錄的黃銅-鍍鋅鋼電偶對電偶電流以及電偶電位變化見圖8。含水量為30%的土樣相比其它含水量土壤的電偶電流變化較為特殊，其維持較高的電偶電流(50μA以上)大約100h。

圖7600h不同含水量的土樣1中電偶對電偶電流及電偶電位變化

Fig7Influenceofwatercontentongalvaniccurrentandgalvanicpotentialofthegalvaniccoupleinsoilsample1duringthe600hprocess

圖8600h不同含水量土樣2中電偶對電偶電流及電偶電位變化

Fig8Influenceofwatercontentongalvaniccurrentandgalvanicpotentialofthegalvaniccoupleinsoilsample2duringthe600hprocess

相比含水飽和情況，非含水飽和土壤中未發(fā)現(xiàn)電偶電流出現(xiàn)穩(wěn)定的接近于0的情況，大致于200h后，電偶電流趨于穩(wěn)定。電偶電位隨開始時(shí)電偶電流的下降而小幅度上升，整體逐漸趨于穩(wěn)定值，也未見明顯正移或負(fù)移現(xiàn)象。600h后，非飽和土壤中黃銅-鍍鋅鋼電偶對電偶電流仍維持在某一較高水平。土樣2因電偶作用導(dǎo)致陽極鍍鋅鋼的溶解量為含水量30%(71.7C)>含水量15%(68.2C)>含水量25%(58.4C)>含水量20%(35.9C)>含水飽和土壤(27.0C)>含水量10%(23.4C)。

通過在土樣1和2中研究含水量對電偶加速腐蝕試驗(yàn)的影響研究，可以看出，含水量的變化顯著影響電偶加速腐蝕量。含水量對電偶加速腐蝕試驗(yàn)結(jié)果的影響較為復(fù)雜，兩者之間不存在簡單的關(guān)系。

600h后取出含水飽和土樣2的鍍鋅鋼試樣，采用荷蘭DEI公司Sirion200場發(fā)射掃描電子顯微鏡對腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行形貌分析，圖9為典型SEM照片。經(jīng)電偶加速腐蝕形成的腐蝕產(chǎn)物膜不致密，且存在裂縫，對基體的保護(hù)性很差，土壤中腐蝕性離子可以通過裂縫滲入基體表面發(fā)生反應(yīng)而形成腐蝕。

圖9600h后電偶加速腐蝕后含水飽和土樣2中鍍鋅鋼試樣腐蝕產(chǎn)物SEM圖

Fig9SEMimageshowingthecorrosionlayerofgalvanizedsteelafterthe600hgalvaniccorrosioninsaturatedsoilsample2

4　結(jié)　論

(1)鍍鋅鋼-黃銅電偶對金屬間的電位差、金屬電極的極化行為、陰陽極面積比和電偶電路中的內(nèi)阻、外阻等是影響腐蝕試驗(yàn)結(jié)果關(guān)鍵因素。電偶作用陰陽極間距與鍍鋅鋼材料腐蝕量近似呈線性關(guān)系。隨陰陽極面積比的增大，鍍鋅鋼接地材料的電偶腐蝕明顯加劇。

(2)電偶加速腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果受含水量的變化的影響非常顯著，非含水飽和土壤中電偶腐蝕率高于含水飽和土壤。鑒于在數(shù)百小時(shí)的長試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)保持含水量穩(wěn)定的困難，電偶加速腐蝕試驗(yàn)不宜在非含水飽和土壤中進(jìn)行。

(3)鍍鋅鋼接地材料電偶腐蝕定量評價(jià)應(yīng)固定電極材料、陰陽極間距、陰陽極面積比等關(guān)鍵試驗(yàn)參數(shù)。

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Acceleratedgalvaniccorrosionevaluationmethodofgalvanizedsteelgroundingmaterial

ZHOUMi1，WANGJianguo1，ZHANGYu2，HUDanhui2，F(xiàn)ANYadong1，CAILi1

(1.SchoolofElectricalEngineering，WuhanUniversity，Wuhan430072，China；2.ElectricPowerResearchInstitute，StateGridHubeiElectricPowerCompany，Wuhan430072，China)

Corrosioncharacteristicevaluationtechnology,asanaidedtooltostudysoilcorrosionofgroundingmaterials,isofimportancetoselectionofmaterialtypeanddesignofcrosssection.Acceleratedgalvaniccorrosiontestinsoil,withthegalvaniccoupleofthegalvanizedsteel(anode)andbrass(cathode),wasconductedinthispaper.Resultsshowthatthekeyfactorsofgalvaniccorrosionincludethepotentialdifferencebetweenanodeandcathode,thepolarizationbehaviorofthegalvaniccouple,andthearearatioofcathodetoanode,etc.Aroughlylinearincreaseincorrosionwasobservedasthedistanceofcoupledecreased.Withtheincreaseofthearearatioofcathodetoanode,thegalvaniccorrosionratewasobviouslyaccelerated.Thewaterinsoilexerteddominantcontrolovergalvaniccorrosionand,generally,thecorrosionrateofgalvaniccoupleinwater-saturatedsoilwaslargerthanthatinnon-saturatedsoil.Therefore,concerningthequantitativeevaluationofgalvanizedsteelcorrosioninsoilusingtheacceleratedgalvaniccorrosionmethod,theelectrodematerialtype,thegalvaniccoupledistance,andthearearatioofelectrodes,etc.,shouldbefixed.Acceleratedgalvaniccorrosiontestisnotsuitabletobecarriedoutinnon-saturatedsoil.

galvanizedsteel;brass;soil;acceleratedcorrosion;galvaniccorrosion

1001-9731(2016)08-08191-05

國家電網(wǎng)公司指南項(xiàng)目《重工業(yè)污染區(qū)輸電線路桿塔和接地網(wǎng)腐蝕防治技術(shù)研究與示范》(GY71-12-006)

2015-07-10

2015-09-11 通訊作者：王建國，E-mail:wjg@whu.edu.cn

周蜜(1986-)，男，湖北鄂州人，博士，副教授，主要從事雷電防護(hù)與接地技術(shù)研究。

TM241;TB31

ADOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.08.034