Q235碳鋼在紅壤中的腐蝕行為

裴 鋒,田 野,劉 平,田 旭

(1. 國網(wǎng)江西省電力科學(xué)研究院，南昌 330096； 2. 長沙理工大學(xué) 化學(xué)與生物工程學(xué)院，長沙 410014)

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Q235碳鋼在紅壤中的腐蝕行為

裴 鋒1,田 野2,劉 平1,田 旭1

(1. 國網(wǎng)江西省電力科學(xué)研究院，南昌 330096； 2. 長沙理工大學(xué) 化學(xué)與生物工程學(xué)院，長沙 410014)

采用掃描電鏡(SEM)、能譜(EDS)和X射線衍射(XRD)等技術(shù)對在紅壤中服役多年的變電站接地網(wǎng)Q235碳鋼進行了形貌觀察和腐蝕產(chǎn)物分析，并通過電化學(xué)和模擬加速腐蝕試驗對比研究了Q235碳鋼在紅壤中的腐蝕行為。結(jié)果表明：接地網(wǎng)材料表面形成的腐蝕產(chǎn)物主要是鐵的氧化物，主要有Fe2O3、Fe3O4、FeOOH，并且Cl元素的存在會加劇Q235碳鋼材料的腐蝕；當(dāng)土壤含水率為20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)時，Q235碳鋼在紅壤中腐蝕速率最大，Q235碳鋼的腐蝕電流密度隨Cl-與SO42-的變化規(guī)律基本一致，都是先增大后減小，并且可劃分為3個區(qū)間；Q235碳鋼在紅壤中的腐蝕速率隨著試驗時間的延長呈現(xiàn)先降低后小幅升高的趨勢，該加速腐蝕試驗，沒有改變Q235碳鋼在紅壤中的腐蝕機理，且與現(xiàn)場有較好的相關(guān)性。

接地網(wǎng)；Q235碳鋼；紅壤；電化學(xué)；加速腐蝕

電力系統(tǒng)的接地網(wǎng)是保障電網(wǎng)設(shè)備安全穩(wěn)定運行的諸多環(huán)節(jié)之一，滿足了電力系統(tǒng)工作、防雷、安全的需要[1]，因而保證接地網(wǎng)自身的安全和完好是當(dāng)前電力系統(tǒng)研究工作的重點之一。土壤是一個由氣、液、固三相物質(zhì)構(gòu)成的多介質(zhì)膠質(zhì)體。接地網(wǎng)的腐蝕源于材料在腐蝕性土壤環(huán)境中的電化學(xué)腐蝕以及電網(wǎng)設(shè)備運行中的泄流電流造成的腐蝕[2]。由于經(jīng)濟成本及歷史條件限制等原因，我國變電站接地網(wǎng)材質(zhì)普遍使用碳鋼而非耐蝕性好的銅材。譚錚輝等[3]對接地扁鋼在土壤中的腐蝕行為進行研究。紅壤主要分布在我國南方，目前還沒有關(guān)于Q235碳鋼在紅壤中長期服役后的腐蝕類型及機理的相關(guān)研究，對紅壤中接地網(wǎng)材料腐蝕特性研究也較少[4-6]。

本工作通過對紅壤現(xiàn)場開挖的Q235碳鋼進行腐蝕機理研究，并通過電化學(xué)和模擬加速腐蝕試驗對比研究了Q235碳鋼在紅壤中的腐蝕行為，為紅壤區(qū)新建變電站選址、接地材料選用、在役變電站接地網(wǎng)腐蝕評估提供依據(jù)，對紅壤中變電站接地網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行具有重要的參考價值。

1　試驗

從南方某變電站A現(xiàn)場開挖取得服役多年的接地網(wǎng)材料和接地網(wǎng)層土壤樣品，取樣深度為0.8 m。采用掃描電鏡(SEM)、能譜(EDS)和X射線衍射(XRD)等技術(shù)對在紅壤中服役多年的變電站接地網(wǎng)Q235碳鋼進行了腐蝕形貌分析和腐蝕產(chǎn)物分析。

將土壤樣品置于105 ℃下烘4 h，粉碎，過篩(20目，0.5～1.0 mm)，得到烘干后的原始土樣。通過改變土壤的含水率、Cl-含量以及SO42-含量進行單因子分析。其中，含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為5%～30%，采用醋酸(CH3COOH)和氫氧化鈉(NaOH)調(diào)節(jié)pH。通過NaCl調(diào)節(jié)Cl-含量，使其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.005%、0.02%、0.1%、0.5%、1%、1.5%、1.8%、2%、2.5%、3%；通過Na2SO4調(diào)節(jié)SO42-含量，使其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.01%、0.05%、0.25%、0.5%、1%、2%、5%。

電化學(xué)試驗采用三電極體系，在普林斯頓P4000電化學(xué)工作站上進行。工作電極選用Q235試片(尺寸為40 mm×25 mm×0.4 mm)，輔助電極為鉑電極，參比電極為銀/氯化銀電極，工作電極與輔助電極平行埋入土壤，相距2 mm。測試Tafel曲線時，測試溫度為常溫，掃描范圍為開路電位正負(fù)200 mV，掃描速率為0.3 mV/s，測試完成后再由軟件擬合得到Q235碳鋼在紅壤中的腐蝕電流密度和腐蝕電位。

室內(nèi)腐蝕加速試驗選用尺寸為40 mm×13 mm×2 mm的Q235碳鋼試片，土壤為變電站A接地網(wǎng)層土壤。試驗前，用丙酮、無水乙醇、去離子水清洗試片，并用冷風(fēng)吹干，放入干燥器冷卻，稱量待用。采用腐蝕加速試驗箱控制試驗溫度為60 ℃，控制含水率為變電站原有含水率，試驗時間為30、60、90 d。試驗結(jié)束后，將試片表面的土壤清除干凈，采用SEM、EDS、XRD觀察腐蝕形貌并分析腐蝕產(chǎn)物。然后按ISO 8407-2009《金屬和合金的腐蝕——腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除》清除試片表面腐蝕產(chǎn)物，再對每個試片進行稱量，并根據(jù)試片腐蝕前后質(zhì)量差計算腐蝕速率。

2　結(jié)果與討論

2.1現(xiàn)場腐蝕產(chǎn)物分析

由圖1可以看出，Q235碳鋼表面形成的腐蝕產(chǎn)物主要是鐵的氧化物，有Fe2O3、Fe3O4、FeOOH；由于土壤粘附，腐蝕產(chǎn)物與土壤結(jié)合緊密，因此XRD分析結(jié)果中出現(xiàn)的CaCO3是土壤成分。

從圖2可以看出，服役多年后，Q235碳鋼表面完全被腐蝕產(chǎn)物層覆蓋，從截面形貌可見，腐蝕產(chǎn)物為多層結(jié)構(gòu)。圖3為Q235碳鋼表面腐蝕產(chǎn)物的EDS譜。由圖3可見，腐蝕產(chǎn)物中除了鐵、氧之外，還有氯元素，氯元素的存在會加劇碳鋼材料的腐蝕效應(yīng)。

2.2室內(nèi)電化學(xué)試驗

2.2.1 含水率對Q235碳鋼腐蝕速率的影響

Q235在不同含水率土壤中的Tafel曲線如圖4所示，根據(jù)Tafel曲線進行擬合，得到對應(yīng)的腐蝕電位和腐蝕電流密度，如圖5所示。從圖5中可以看出，在土壤含水率從5%增大到30%的過程中，腐蝕電位逐漸降低，腐蝕電流密度則先增大后減小，在含水率為20%時達到最大值，因此當(dāng)含水率為20%時，Q235碳鋼在土壤中腐蝕速率最大。這主要是由于金屬的腐蝕同時受土壤電阻率和土壤溶氧量的影響。土壤含水率為5%～20%時，腐蝕速率主要受到土壤電阻率的影響，而含水率對土壤電阻率起到了決定作用，因此腐蝕電流密度隨含水率的提高逐漸上升；而當(dāng)土壤含水率超過20%時，土壤的電阻率變化不大，此時溶氧量的影響占主導(dǎo)，而土壤溶氧量隨著土壤含水率的提高而下降，腐蝕電流密度也相應(yīng)地下降。

2.2.2 腐蝕性離子含量對Q235碳鋼腐蝕速率的影響

當(dāng)土壤含水率為20%，pH為7時，Q235碳鋼在含不同量Cl-與SO42-土壤中的腐蝕電流密度如圖6所示。將圖6分為三個區(qū)間：區(qū)間1、區(qū)間2、區(qū)間3。

在區(qū)間1中，Cl-與SO42-的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～0.5%，此時腐蝕電流密度隨離子含量的增加而增大，而且兩條曲線的斜率基本一致，這說明在區(qū)間1內(nèi)，腐蝕電流密度的大小主要是由電解質(zhì)的含量控制。試驗采用的土壤為江西省內(nèi)紅壤，其本身的離子含量低、電阻率較高，當(dāng)Cl-與SO42-含量不高時，其腐蝕速率主要受到土壤電阻率的影響，隨著Cl-與SO42-含量的升高，土壤的電阻率降低，促進了腐蝕的發(fā)生。

在區(qū)間2中，Cl-和SO42-質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～2.0%，腐蝕電流密度隨著離子含量的增加而降低，這是因為當(dāng)土壤中Cl-與SO42-含量繼續(xù)升高時，使得土壤水分中的溶氧量減少，從而降低了腐蝕速率；另外，在腐蝕中形成的腐蝕產(chǎn)物覆蓋在基體金屬上，這也在一定程度上阻礙了氧及Cl-與SO42-的傳質(zhì)過程。在這個過程中，相對于SO42-，Q235碳鋼腐蝕電流密度隨Cl-含量的增加而降低的速率比較緩慢，而且其腐蝕電流密度也遠高于含SO42-土壤中Q235碳鋼的腐蝕電流密度。這主要是因為Cl-對金屬材料的鈍性破壞很大，它能夠滲透金屬腐蝕層，與鋼鐵反應(yīng)生成可溶性腐蝕產(chǎn)物，促進土壤腐蝕的陽極過程，并且能夠破壞腐蝕產(chǎn)物膜，促進點蝕和其他局部腐蝕的發(fā)生。

在區(qū)間3中，Cl-與SO42-質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%～5.0%，腐蝕電流密度隨著離子含量的增加繼續(xù)降低，兩條曲線的斜率也逐漸接近。這可能是由于當(dāng)離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.0%時，溶氧量對腐蝕起到了決定作用，從而無論是在含Cl-還是SO42-的土壤中，Q235碳鋼的腐蝕電流密度都大幅度下降，從而掩蓋了這兩種離子本身對腐蝕電流密度的影響。

2.3室內(nèi)腐蝕加速試驗

由圖7可見，在加速時間段內(nèi),隨著時間的延長，Q235碳鋼的腐蝕質(zhì)量損失逐漸增大，而腐蝕速率呈先降低后小幅度升高的趨勢。當(dāng)腐蝕發(fā)生時，試片表面形成了氧化膜，減緩了腐蝕反應(yīng)的進行，所以腐蝕速率下降；但部分氧化膜的脫落或者被破壞，又導(dǎo)致腐蝕加劇，故腐蝕速率又小幅上升。

由圖8可以看出，經(jīng)過加速腐蝕試驗，Q235碳鋼表面形成的腐蝕產(chǎn)物主要是鐵的氧化物，有Fe2O3、Fe3O4、FeOOH，這與變電站接地材料的實際腐蝕狀況一致。由圖9和圖10可以看出，Q235碳鋼表面形成了腐蝕產(chǎn)物層，腐蝕產(chǎn)物有部分土壤粘附，與現(xiàn)場開挖的情況較為一致，該腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果與現(xiàn)場實際腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果一致，進一步說明了該腐蝕加速方式?jīng)]有改變Q235碳鋼在紅壤中的腐蝕機理。

計算可知，變電站A接地網(wǎng)實際服役腐蝕速率為5.17 g/(dm2·a)，在加速腐蝕試驗中，平均腐蝕速率為27.97 g/(dm2·a)，加速比為5.41，加速效果較好。此外，相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，二者的相關(guān)性系數(shù)達到0.88，表明該加速腐蝕試驗與現(xiàn)場有較好的相關(guān)性。

3　結(jié)論

(1) 該地紅壤中變電站A接地網(wǎng)材料的腐蝕產(chǎn)物主要為Fe2O3、Fe3O4、FeOOH。

(2) 當(dāng)含水率為20%時，Q235碳鋼在土壤中腐蝕速率最大；Q235碳鋼腐蝕電流隨Cl-與SO42-含量的變化規(guī)律基本一致，都是先增大后減小，并且可劃分為三個區(qū)間。

(3) 室內(nèi)加速試驗表明，Q235碳鋼在紅壤中的腐蝕速率隨著試驗時間的增加呈現(xiàn)先降低后小幅度升高的趨勢。

(4) 本次加速腐蝕試驗，沒有改變Q235碳鋼在紅壤中的腐蝕機理，且與現(xiàn)場有較好的相關(guān)性。

[1]朱志平，王磊靜，裴鋒,等. 因子分析法在變電站土壤腐蝕性評價中的應(yīng)用[J]. 中國腐蝕與防護學(xué)報，2014，34(2)：147-152.

[2]朱志平，馬驍，荊玲,等. 變電站土壤腐蝕性評價及接地網(wǎng)金屬腐蝕特性分析[J]. 電磁避雷器，2009(4)：18-22.

[3]譚錚輝，朱志平，裴鋒,等. 直流雜散電流對不同含水率土壤中接地網(wǎng)材料腐蝕特性的影響[J]. 腐蝕科學(xué)與防護技術(shù)，2013，25(3)：207-212.

[4]王磊靜，徐松，朱志平,等. 紅壤中變電站接地網(wǎng)金屬材料的腐蝕行為分析[J]. 腐蝕科學(xué)與防護技術(shù)，2015，27(1)：59-63.

[5]閆愛軍，陳沂，馮拉?。?幾種接地網(wǎng)材料在土壤中的腐蝕特性研究[J]． 腐蝕科學(xué)與防護技術(shù)，2010，22(3)：197-199.

[6]尹桂勤，張莉華，常守文,等． 土壤腐蝕研究方法概述[J]． 腐蝕科學(xué)與防護技術(shù)，2004，16(6)：367-370.

Corrosion Behavior of Q235 Carbon Steel in Red Soil

PEI Feng1, TIAN Ye2, LIU Ping1, TIAN Xu1

(1. Jiangxi Electric Power Research Institute, Nanchang 330096, China;2. School of Chemical and Biological Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410014, China)

Morphology and corrosion product of Q235 carbon steel used for many years in substation grounding grid in red soil were studied by scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS) and X-ray diffraction (XRD). The results show that corrosion products on the grounding grid surface were mainly composed of iron oxides including Fe2O3, Fe3O4, FeOOH. And the existence of Cl-could accelerate the corrosion of Q235 carbon steel. The largest corrosion rate of Q235 carbon steel was achieved when the water content was wt20%, and the corrosion current density of Q235 carbon steel had same tendency with the increase of content of Cl-and SO42-, showing increase first and then decrease, and it can be divided into three intervals. The corrosion rate of Q235 carbon steel in red soil presented the tendency of first decrease and then increase in small range with the increase of experimental time. The corrosion mechanism of Q235 carbon steel in red soil did not change in the accelerated corrosion experiment which had a good correlation with the corrosion in worksite.

grounding grid; Q235 carbon steel; red soil; electrochemistry; accelerated corrosion

10.11973/fsyfh-201609005

2015-06-02

江西省變電站接地網(wǎng)腐蝕性評價方法研究項目(201250606)

田 野(1991-)，碩士，主要從事電網(wǎng)腐蝕、動力電池等研究，15200878731，273876878@qq.com

TG172.4

A

1005-748X(2016)09-0715-05