交流電干擾下Q235鋼與銅在不同含水量北京土壤中的短期腐蝕行為

蘇 耕,丁 德,李彩玉,杜翠薇,劉智勇,楊小佳

(1. 國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司 電力科學(xué)研究院，西安 710100; 2. 北京科技大學(xué) 腐蝕與防護(hù)中心，北京 100083)

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試驗(yàn)研究

交流電干擾下Q235鋼與銅在不同含水量北京土壤中的短期腐蝕行為

蘇 耕1,丁 德1,李彩玉2,杜翠薇2,劉智勇2,楊小佳2

(1. 國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司 電力科學(xué)研究院，西安 710100; 2. 北京科技大學(xué) 腐蝕與防護(hù)中心，北京 100083)

利用電化學(xué)測(cè)試和埋片試驗(yàn)研究了交流電干擾下Q235鋼和銅在不同含水量北京土壤中短期腐蝕行為。結(jié)果表明：交流電對(duì)Q235鋼與銅的腐蝕起到明顯促進(jìn)作用，對(duì)銅影響更大；交流電與土壤含水量對(duì)Q235鋼的影響有明顯的交互作用，對(duì)銅則無明顯的影響；交流電主要影響材料的陽極反應(yīng)過程，含水量主要影響材料的陰極反應(yīng)過程；土壤含水量未達(dá)到飽和時(shí)，Q235鋼與銅表面均發(fā)生腐蝕，且隨著土壤含水量的增加，腐蝕均逐漸加重，其表面點(diǎn)蝕坑密度和深度均逐漸減??；在土壤含水量達(dá)到飽和時(shí)，Q235鋼與銅表面均又出現(xiàn)較嚴(yán)重點(diǎn)蝕。

交流電; 土壤含水量；腐蝕電流密度；點(diǎn)蝕

接地網(wǎng)是變電站的重要防護(hù)設(shè)施，用于防雷泄流和高壓泄流，能有效保障電氣裝備的正常運(yùn)行和操作人員的人身安全[1]。在我國(guó)，接地網(wǎng)主要采用碳鋼或者鍍鋅鋼焊接而成，國(guó)外多采用各類銅包鋼。接地網(wǎng)埋設(shè)于具有非均勻性、多相結(jié)構(gòu)的土壤中，易發(fā)生土壤腐蝕，腐蝕狀況還可能因氣候條件變化等原因而加速。同時(shí)，隨著變電系統(tǒng)傳輸電壓不斷增大，由其感生的交流雜散電流對(duì)接地網(wǎng)腐蝕的影響日益突出，且具有難以控制的特點(diǎn)，是目前國(guó)際腐蝕研究的前沿和熱點(diǎn)。研究表明，交流電能夠促進(jìn)金屬材料的點(diǎn)蝕，甚至提高應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)敏感性[2-11]。這容易導(dǎo)致接地極焊接部位斷裂或銅包鋼提前穿孔，進(jìn)而引起接地極導(dǎo)流能力大幅降低甚至失效。

北京地區(qū)是我國(guó)重要的電力樞紐，而據(jù)實(shí)地埋樣表明[12-13]，在北京土壤中，無交流電干擾下Q235鋼的腐蝕明顯比銅的嚴(yán)重，且Q235鋼伴隨有局部點(diǎn)蝕坑，這會(huì)影響材料的正常服役狀態(tài)。但是，目前接地裝置的腐蝕狀況評(píng)估主要采用開挖的方式，該方式因具有盲目性、工作量大、變電站必須停電等缺點(diǎn)而難以推廣[14]。特別是該方法不能有效識(shí)別交流雜散電流導(dǎo)致的腐蝕及其作用因子。因此及時(shí)開展北京地區(qū)接地網(wǎng)材料在包括交流雜散電流作用的復(fù)雜土壤環(huán)境中的腐蝕規(guī)律研究極具迫切性和必要性。

本工作采用動(dòng)電位掃描方法、室內(nèi)模擬埋樣方法系統(tǒng)地研究了交流電干擾下接地網(wǎng)材料Q235鋼和銅在北京典型土壤中的腐蝕行為，為接地網(wǎng)腐蝕防護(hù)措施和評(píng)估方法的建立提供參考。

1　試驗(yàn)

土樣取自北京北部某大型變電站附近，取樣深度約1 m，其主要陰離子含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.038 4%SO42-，0.002 5%Cl-，0.000 9%NO3-，0.001% CO32-，0.029% HCO3-。土樣通過20目篩后，在105 ℃下烘干。據(jù)調(diào)查資料顯示，北京地區(qū)干旱時(shí)1 m深處土壤含水量為16%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)，因此分別配制含水量為15%、20%、25%和30%(飽和含水量)的土樣作為研究對(duì)象。

試驗(yàn)材料為Q235鋼和銅(純度≥99.95%，含微量鉍、銻、砷、鐵，鉛、硫)。Q235鋼的主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為： 0.39% Mn、0.26% Si、0.19% C、0.007 6% P、 0.004 2% S、余量Fe。電化學(xué)試樣與埋樣試樣的尺寸均為10 mm×10 mm×3 mm，其一面焊上銅導(dǎo)線，環(huán)氧樹脂密封后，另一面用砂紙逐級(jí)打磨至表面劃痕均勻一致，再用去離子水沖洗，無水乙醇清洗,吹干,備用。

采用CS電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)Q235鋼和銅的極化曲線進(jìn)行測(cè)試。電化學(xué)試驗(yàn)裝置如圖1，采用三電極體系，工作電極分別是Q235鋼和純銅，輔助電極為鉑片，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)。文中電位若無特指，均相對(duì)于SCE。通過DDS函數(shù)信號(hào)發(fā)生器模擬試驗(yàn)中交流雜散電流，儀器的負(fù)極接石墨電極，正極接試樣。調(diào)查顯示，變電站接地網(wǎng)所受到的腐蝕等級(jí)為中度，根據(jù)GB/T50698-2011可知中度腐蝕時(shí)交流干擾電流密度范圍為30～80 A/m2，通過調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生交流電流密度為30 A/m2，頻率為50 Hz的正弦波。施加交流電3 h后進(jìn)行極化曲線測(cè)試，掃描速率為0.5 mV/s，掃描電位區(qū)間為-1.0～1.0 V(相對(duì)開路電位)。

圖1　電化學(xué)試驗(yàn)裝置Fig. 1　Electrochemical test device

埋樣試驗(yàn)周期為7 d，采用DDS函數(shù)信號(hào)發(fā)生器對(duì)試樣施加交流雜散電流，信號(hào)發(fā)生器正極接試樣，負(fù)極接石墨電極。埋樣試驗(yàn)結(jié)束后，取出試樣，用去離子水沖去試樣表面的土壤，乙醇清洗，吹風(fēng)機(jī)吹干后，采用Quanta250型掃描電鏡(SEM)觀察表面腐蝕產(chǎn)物。采用500 mL蒸餾水+500 mL HCl和500 mL HCl+3.5 g六次甲基四胺+500 mL去離子水分別去除銅和Q235鋼表面腐蝕產(chǎn)物，然后用去離子水沖洗，無水乙醇清洗,吹干后，觀察去除表面腐蝕產(chǎn)物后試樣的表面SEM形貌。

2　結(jié)果與討論

2.1電化學(xué)試驗(yàn)

圖2是Q235鋼與銅在含水率為25%土壤中有無交流電干擾下的極化曲線。由圖可知，施加交流電后，Q235鋼和銅的極化曲線均向右移動(dòng)，說明交流電增強(qiáng)了土壤中的電場(chǎng)強(qiáng)度，加速了帶電粒子的移動(dòng)[15]，其對(duì)陰極離子的移動(dòng)速率影響最為顯著。

通過對(duì)比圖2(a)與圖2(b)可以看出，交流電對(duì)銅腐蝕電流密度的影響較大，這可能是交流電破壞了銅表面的氧化膜導(dǎo)致的。

采用切線法和三點(diǎn)法[16]對(duì)圖3中的極化曲線進(jìn)行處理，計(jì)算在有無交流電干擾下，不同含水量土壤中Q235鋼和銅的腐蝕電流密度，如圖4所示。

從圖3和圖4可知，在交流電干擾及土壤含水量相同條件下，Q235鋼的腐蝕電流密度明顯比銅的大，最多相差5倍左右。土壤含水量變化對(duì)Q235鋼的腐蝕電流密度[17]的影響較為明顯，而對(duì)銅的腐蝕電流密度無明顯影響。且隨著土壤含水量增加，Q235鋼的腐蝕速率明顯減小，當(dāng)土壤含水量為25%時(shí)，Q235鋼的腐蝕電流密度為0.009 A/cm2，與銅的腐蝕電流密度(0.008 A/cm2)接近。原因可能是，隨著土壤含水量增加，其透氣性降低，土壤中氧含量逐漸減小，氧去極化陰極反應(yīng)過程為該體系電化學(xué)腐蝕的控制步驟[18]。當(dāng)土壤含水量為飽和時(shí)，能夠形成連續(xù)的電解質(zhì)，在試樣表面形成連續(xù)的液膜，導(dǎo)電性好，容易發(fā)生全面腐蝕，因此腐蝕速率增大。

(a)　Q235鋼 　(b)　銅圖2　有無交流電干擾下Q235鋼與銅的極化曲線(土壤含水量25%)Fig. 2　Potentiodynamic polarization curves of Q235 steel (a) and Cu (b) with and without AC interference (soil moisture content of 25%)

(a)　Q235鋼,30 A/m2 (b)　銅,30 A/m2 (c)　銅,0 A/m2圖3　有無交流電干擾下土壤含水量對(duì)Q235鋼和銅極化曲線的影響Fig. 3　Effect of soil moisture content on potentiodynamic polarization curves of Q235 steel and Cu with and without AC interference

圖4　在交流電干擾及不同土壤含水量條件下Q235鋼與銅的腐蝕電流密度Fig. 4　Corrosion current density of Q235 steel and Cu in different soil moisture contents with AC interference

2.2腐蝕形貌

在不同含水量的土壤中，經(jīng)交流電作用7 d后，Q235鋼與純銅去除腐蝕產(chǎn)物前后的SEM形貌，如圖5～8所示。

由圖5～8可見，在交流電干擾下，在土壤含水量較低時(shí)，未去除腐蝕產(chǎn)物試樣的表面附著有比較致密的土壤顆粒；去除腐蝕產(chǎn)物后，在土壤未達(dá)到飽和含水量時(shí)，Q235鋼與銅表面均發(fā)生腐蝕，且隨著土壤含水量增加，腐蝕均逐漸加重，其表面點(diǎn)蝕坑密度和深度則均逐漸減小。

另外，在土壤含水量較低時(shí)， Q235鋼與銅表面發(fā)生了較嚴(yán)重點(diǎn)蝕，甚至在Q235鋼表面出現(xiàn)了小點(diǎn)蝕坑連接形成的大點(diǎn)蝕坑，大點(diǎn)蝕坑里又出現(xiàn)小而深的點(diǎn)蝕坑。這說明土壤含水量較低時(shí)，土壤在試樣表面粘成小顆粒，使試樣表面難以形成均勻的液膜，氧含量分布不均勻，在氧含量分布較多的部位，腐蝕速率較快，容易形成點(diǎn)蝕坑。而在土壤含水量達(dá)到飽和時(shí)，Q235鋼與銅均發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕，其中Q235鋼表面點(diǎn)蝕坑相互連接形成大的點(diǎn)蝕坑，其坑里又出現(xiàn)許多小點(diǎn)蝕坑。銅表面則密集分布著小點(diǎn)蝕坑，蝕孔連接成片。這說明在土壤含水量達(dá)到飽和時(shí)，雖然氧含量較低，但試樣相當(dāng)于處在液體環(huán)境中，試樣表面形成均勻液膜，氧含量分布也比較均勻，在交流電作用下容易使金屬發(fā)生點(diǎn)蝕[8]。

(a)　15%　　　　　　　　　(b)　20%　　　　　　　　(c)　25%　　　　　　　(d)　30%圖5　在交流電干擾及不同土壤含水量條件下Q235鋼去除腐蝕產(chǎn)物前的SEM形貌Fig. 5　SEM morphology of Q235 steel before removing corrosion product in different soil moisture contents with AC interference

(a)　15%　　　　　　　　　(b)　20%　　　　　　　　(c)　25%　　　　　　　(d)　30%圖6　在交流電干擾及不同土壤含水量條件下Q235鋼去除腐蝕產(chǎn)物后的SEM形貌Fig. 6　SEM morphology of Q235 steel after removing corrosion product in different soil moisture contents with AC interference

(a)　15%　　　　　　　　(b)　20%　　　　　　　　(c)　25%　　　　　　　(d)　30%圖7　在交流電干擾及不同土壤含水量條件下銅去除腐蝕產(chǎn)物前的SEM形貌Fig. 7　SEM morphology of Cu before removing corrosion product in different soil moisture contents with AC interference

(a)　15%　　　　　　　　(b)　20%　　　　　　　　(c)　25%　　　　　　　　(d)　30%圖8　在交流電干擾及不同土壤含水量條件下銅去除腐蝕產(chǎn)物后的SEM形貌Fig. 8　SEM morphology of Cu after removing corrosion product in different soil moisture contents with AC interference

3　結(jié)論

(1) 交流電干擾對(duì)Q235鋼與銅的腐蝕起到明顯促進(jìn)作用，對(duì)銅影響更大，因?yàn)榻涣麟娖茐牧算~表面的氧化膜，使銅更易發(fā)生腐蝕。

(2) 土壤含水量與交流電對(duì)Q235鋼在北京土壤中腐蝕的影響有明顯的交互作用，對(duì)銅的影響則無明顯交互作用。交流電主要影響材料陽極反應(yīng)過程，土壤含水量主要影響材料陰極反應(yīng)過程。

(3) 土壤含水量未達(dá)到飽和時(shí)，Q235鋼與銅表面均發(fā)生腐蝕，且隨著土壤含水量增加，腐蝕均逐漸加重，其表面點(diǎn)蝕坑密度和深度均逐漸減小。當(dāng)土壤含水量達(dá)到飽和時(shí)，Q235鋼與銅均又出現(xiàn)嚴(yán)重點(diǎn)蝕坑。

[1]孫旭,王琦. 變電站接地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 廣東電力,1999,12(3)：16-18.

[2]ZHU Min,DU Cui-wei,LI Xiao-gang,et al. Effect of AC current density on stress corrosion cracking behavior of X80 pipeline steel in high pH carbonate/bicarbonate solution[J]. Electrochemical Acta,2014,117(20)：351-359.

[3]LIU Zhi-yong,CUI Zhong-yu,LI Xiao-gang,et al. Mechanistic aspect of stress corrosion cracking of X80 pipeline steel under non-stable cathodic polarization[J]. Electrochemistry Communications,2014,48：127-129.

[4]LIU Z Y,DU C W,WANG F M,et al. Stress corrosion cracking of welded API X70 pipeline steel in simulated underground water[J]. Journal of Materials Engineering and Performance,2013,27(11)：2550-2556.

[5]LIU Zhi-yong,CUI Zhong-yu,LIi Xiao-gang,et al. Understand the occurrence of pitting corrosion of pipeline carbon steel under cathodic polarization[J]. Electrochemical Acta,2012,60(15)：259-263.

[6]LIU Z Y,LI X G,CHENG Y F,et al. Mechanistic aspect of near-neutral pH stress corrosion cracking of pipelines under cathodic polarization[J]. Corrosion Science,2012,55：54-60.

[7]ZHU Min,DU Cui-wei,LI Xiao-gang,et al. Effect of AC current density on stress corrosion cracking behavior of X80 pipeline steel in high pH carbonate/bicarbonate solution[J]. Electrochemical Acta,2014,117(20)：351-359.

[8]KUANG D,CHENG Y F. Understand the AC induced pitting corrosion on pipelines in both high pH and neutral pH carbonate/bicarbonate solutions[J]. Corrosion Science,2014,85：304-310.

[9]WANG L W,WANG X H,CUI Z Y,et al. Effect of alternating voltage on corrosion of X80 and X100 steel in a chloride containing solution-investigated by AC voltammetry technique[J]. Corrosion Science，2014，86:213-222.

[10]王森,駱鴻. 電力系統(tǒng)接地用鍍鋅扁鋼腐蝕分析與研究[J]. 材料結(jié)構(gòu),2011,29(30)：37-42.

[11]MOHAMMED A A,SAYED S A E,ESSAM E F E S. AC and DC studies of the pitting corrosion of Al in perchlorate solutions[J]. Electrochemical Acta,2006,51(22)：4754-4764.

[12]朱敏,杜翠薇,李曉剛,等. Cu在北京土壤環(huán)境中的腐蝕行為[J]. 中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào),2014，33(4)：306-310.

[13]朱敏,杜翠薇,李曉剛,等. Q235鋼在北京土壤環(huán)境中的腐蝕行為[J]. 中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào),2013,33(3):199-204.

[14]余建飛,陳心河,李善風(fēng),等. Q235鋼在湖北變電站土壤中的腐蝕行為研究[J]. 全面腐蝕控制,2011,25(10)：39-45.

[15]朱敏,劉智勇,杜翠薇,等. 交流電對(duì)X80鋼在酸性土壤環(huán)境中腐蝕行為的影響[J]. 材料工程,2015,43(2)：85-90.

[16]曹楚南. 腐蝕電化學(xué)原理[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003：117-143.[17]馬珂,曹備,陳杉檬. 含水率對(duì)Q235鋼土壤腐蝕行為的影響[J]. 腐蝕與防護(hù),2014,35(9)：922-924.

[18]LI J,SU H,CHAI F,et al. Simulated corrosion test of Q235 steel in diatomite soil[J]. Journal of Iron and Steel Research,2015,22(4)：352-360.

Short-term Corrosion Behavior of Q235 Steel and Cu with AC Interference in Beijing Soil with Different Soil Moisture Contents

SU Geng1, DING De1, LI Cai-yu2, DU Cui-wei2, LIU Zhi-yong2, YANG Xiao-jia2

(1. State Grid Shaanxi Electric Power Research Institute, Xi′an 710100, China;2. Corrosion and Protection Center, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

The corrosion behavior of Q235 steel and Cu was studied by polarization curve and buried sample experiment in Beijing soil with different soil moisture contents for a short time. Results indicate that alternating current played an obvious role in promoting the corrosion of Q235 steel and Cu, especially for Cu. Obvious interaction was observed between the influence of alternating current and soil moisture on Q235 steel, while the effect of those on Cu was slight. In fact, alternating current had primary effect on the anodic process and soil moisture content mainly influenced the cathodic process. When the soil moisture content was unsaturated, corrosion was found on the surface of both Q235 steel and Cu, and aggravated with the increase of soil moisture content, whereas the density and depth of pitting gradually decreased. However, severe pitting appeared on the surface of Q235 and Cu when the soil moisture was saturated.

alternating current (AC); soil moisture content; corrosion current density; pitting

10.11973/fsyfh-201608001

2015-11-20

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51131001)； 國(guó)家自然科學(xué)基金(51471034; 51371036)

杜翠薇(1972-),教授,博士,從事金屬腐蝕與防護(hù)研究,dcw@ustb.edu.cn

TG172

A

1005-748X(2016)08-0613-05