浙江地區(qū)變電站土壤腐蝕性調(diào)查研究

沈曉明，錢洲亥，祝酈偉，明菊蘭，周海飛

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

浙江地區(qū)變電站土壤腐蝕性調(diào)查研究

沈曉明，錢洲亥，祝酈偉，明菊蘭，周海飛

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

為研究浙江省變電站土壤腐蝕特性，實(shí)地采集了100個(gè)變電站土壤樣本，測(cè)試了樣本的理化性質(zhì)，并采用土壤腐蝕探針通過電化學(xué)技術(shù)測(cè)試了土壤腐蝕速率，據(jù)此繪制了浙江省變電站土壤腐蝕性區(qū)域分布圖，并分析浙江省土壤pH值、含鹽量、氯離子含量、土壤電阻率等理化性質(zhì)與腐蝕速率間的相關(guān)性。

土壤腐蝕；浙江地區(qū)；腐蝕速率；理化性質(zhì)

電力設(shè)備接地是發(fā)電、變電和輸電系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要保障，變電站接地網(wǎng)長(zhǎng)期處在地下惡劣的運(yùn)行環(huán)境中，受到土壤的化學(xué)、電化學(xué)腐蝕，甚至穿孔斷裂，嚴(yán)重影響安全。浙江省土壤類型多樣，紅壤在全省分布面積最大，紅壤呈酸性-強(qiáng)酸性反應(yīng)，且質(zhì)地較粘重，還有濱海鹽土，含鹽量較高，可能會(huì)造成嚴(yán)重腐蝕。因此研究浙江省變電站土壤腐蝕特性很有必要，能填補(bǔ)江浙地區(qū)土壤腐蝕數(shù)據(jù)空白。

1 腐蝕調(diào)查與試驗(yàn)

1.1 試點(diǎn)選擇

根據(jù)浙江省主要土壤類型的分布、變電站的布局并結(jié)合浙江省重工業(yè)污染區(qū)，在全省范圍內(nèi)共選擇100個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。取樣首先考慮將浙江省所有500 kV變電站所在區(qū)域作為采樣點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)500 kV變電站全覆蓋，并兼顧采樣點(diǎn)在浙江省行政區(qū)域分布的分散性及不同土壤類型。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 腐蝕因素測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的土壤電阻率、容重、含水量、溫度、pH值、氧化還原電位，并記錄土質(zhì)、取樣位置、測(cè)試時(shí)的天氣情況等其它參數(shù)。

取樣回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行理化分析和腐蝕速率測(cè)試。試驗(yàn)步驟、內(nèi)容及分析方法均按照全國土壤腐蝕試驗(yàn)方法進(jìn)行[1]。

1.2.2 腐蝕速率測(cè)試

采用失重法測(cè)量金屬腐蝕率是最可靠的經(jīng)典方法，但是該方法試驗(yàn)周期長(zhǎng)，投入較大，不能即時(shí)提供數(shù)據(jù)。因此采用電化學(xué)技術(shù)測(cè)試所有土壤樣本的腐蝕速率，采用CAPCIS Concerto MK2 CIS4K-1進(jìn)行LPR（線性極化）測(cè)量，探針采用碳鋼電極。

測(cè)試時(shí)將探針埋入土壤中穩(wěn)定0.5 h，打開電化學(xué)噪聲腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤對(duì)碳鋼工作電極的腐蝕情況，測(cè)試完畢后利用電化學(xué)噪聲數(shù)據(jù)管理軟件實(shí)時(shí)分析腐蝕電流、腐蝕電位、腐蝕速率等參數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 浙江地區(qū)腐蝕因素的變化

浙江地區(qū)主要的腐蝕因素變化范圍見表1。

2.2 浙江地區(qū)土壤腐蝕情況

根據(jù)測(cè)試結(jié)果繪制浙江地區(qū)土壤腐蝕速率分布圖，見圖1。

圖1 浙江地區(qū)土壤腐蝕速率分布

從圖1可以看到，浙江省的土壤腐蝕速率大部分在0.026～0.076 mm/a，腐蝕性中等偏弱，位于該腐蝕速率區(qū)間的采樣點(diǎn)（76個(gè)）遍布浙江省各個(gè)地區(qū)。

圖1中：腐蝕速率為0.026～0.050 mm/a的區(qū)域，占據(jù)浙江省大部分地區(qū)，以內(nèi)陸地區(qū)為主，主要為黃壤，含鹽量較低，pH值在5.5～7，土壤理化性質(zhì)較溫和，所以腐蝕速率整體不高。腐蝕速率為0.051～0.076 mm/a的區(qū)域，分布較分散，主要為西部酸性紅壤區(qū)，杭州、湖州部分地區(qū)，沿海舟山、溫州部分地區(qū)。腐蝕速率為0.077～0.100 mm/a的區(qū)域，主要分布在麗水萬象地區(qū)及部分工業(yè)較發(fā)達(dá)地區(qū)，萬象地區(qū)土壤pH值很低，低于3.8，土壤屬于中強(qiáng)酸性土壤，導(dǎo)致腐蝕速率較高；同樣，寧波天一地區(qū)，腐蝕速率達(dá)到0.098 mm/a，原因是其屬于工業(yè)較發(fā)達(dá)地區(qū)，排污嚴(yán)重，對(duì)土壤腐蝕影響較大，所以腐蝕速率比周圍地區(qū)大。腐蝕性比較嚴(yán)重的地區(qū)主要位于工業(yè)比較發(fā)達(dá)的杭州灣沿海地區(qū)、寧波慈溪沿海一帶以及沿海灘涂的玉環(huán)麥嶼變地區(qū)，腐蝕速率在0.128～0.250 mm/a，灘涂地區(qū)由于受到海水自然沖刷倒灌，鹽類大量沉積以及人類生產(chǎn)活動(dòng)綜合影響，導(dǎo)致這些地區(qū)含鹽量（尤其是Cl-含量）普遍很高，高含鹽量會(huì)導(dǎo)致腐蝕電流增大，腐蝕反應(yīng)速率加快，與腐蝕產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，破壞鈍化膜，加速腐蝕，所以這些地區(qū)腐蝕速率較大；紹興地區(qū)的土壤腐蝕性分布層次明顯，紹興北部緊靠杭州灣，化工、防治、印染企業(yè)較多，環(huán)境污染比較嚴(yán)重，這里的土壤腐蝕性較大；而紹興中南部地區(qū)遠(yuǎn)離海岸線，且多為山區(qū)丘陵地帶，受到工業(yè)的影響也小，該地區(qū)的土壤腐蝕性明顯較小。

表1 浙江地區(qū)腐蝕因素變化范圍

3 土壤腐蝕因素與腐蝕性特征相關(guān)性

對(duì)上述100組土壤理化數(shù)據(jù)及土壤腐蝕速率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究土壤腐蝕因素與腐蝕特征的相關(guān)性。土壤腐蝕的影響因素多且復(fù)雜，凡是影響土壤的物理性能、化學(xué)性能、電化學(xué)性能及宏觀環(huán)境的因素均會(huì)對(duì)土壤腐蝕性產(chǎn)生影響，土壤腐蝕的影響因素主要有：土壤電阻率、溫度、含鹽量（尤其是陰離子）、含氣（氧）量、含水量、pH值。土壤腐蝕性的強(qiáng)弱不但跟土壤類型、土壤鹽分含量（特別是腐蝕性極強(qiáng)的氯離子含量）有關(guān)，而且取決于土壤電阻率、土壤均一性、金屬材料對(duì)地電位等[2]。其中土壤電阻率在一般工程中普遍被用作評(píng)價(jià)土壤腐蝕性的主要指標(biāo)。以下重點(diǎn)分析浙江省土壤pH值、含鹽量、Cl-、電阻率等參數(shù)對(duì)腐蝕速率的影響。

3.1 土壤的pH值對(duì)金屬材料土壤腐蝕速率的影響

土壤的pH值對(duì)金屬材料土壤腐蝕過程有較大影響，在酸性土壤中，H+的去極化作用直接影響腐蝕的陰極過程，同時(shí)pH值的變化還可能改變腐蝕產(chǎn)物的溶解度而影響陽極過程。土壤pH值與腐蝕速率關(guān)系見圖2。

圖2 土壤pH值與腐蝕速率關(guān)系

如圖2所示，當(dāng)pH值在4～5.5時(shí)，隨著pH值的減小，H+的去極化作用增強(qiáng)，促進(jìn)金屬土壤腐蝕的陽極溶解過程，腐蝕速度增大，而且pH值越低，腐蝕速度增加越快；當(dāng)pH值在 5.5～7時(shí)，H+濃度很低，對(duì)腐蝕速率影響很小，此時(shí)腐蝕速率處在一個(gè)相對(duì)較低的水平。由于浙江省土壤偏酸性，pH值大于7的土壤并不多，當(dāng)pH值大于7時(shí)，腐蝕速率隨著pH值增加有上升趨勢(shì)，說明此時(shí)pH值已經(jīng)不是腐蝕速率變化的主要影響因素。

3.2 土壤含鹽量對(duì)金屬材料土壤腐蝕速率的影響

如圖3所示，雖然數(shù)據(jù)較分散，但是仍然可以看出，腐蝕速率隨著含鹽量的增加而逐漸增大。這是因?yàn)椋和寥篮}量對(duì)金屬材料土壤腐蝕具有雙重作用，一方面它對(duì)土壤介質(zhì)的導(dǎo)電過程起作用，土壤含鹽量愈高，土壤電阻率愈低，土壤腐蝕性愈強(qiáng)。另一方面它可能直接參與金屬材料的土壤腐蝕過程，一般情況下，陽離子對(duì)金屬土壤腐蝕作用較小，易在金屬表面形成不溶性沉積物保護(hù)層，阻抑土壤腐蝕的電極過程。陰離子如Cl-及等能與金屬離子反應(yīng)，形成可溶性較松散的腐蝕產(chǎn)物，從而破壞金屬表面的保護(hù)性氧化膜，加速土壤腐蝕的電極過程。

圖3 土壤含鹽量與腐蝕速率關(guān)系

3.3 土壤氯離子含量對(duì)金屬材料土壤腐蝕速率的影響

C1-是土壤中腐蝕性影響最大的陰離子，通過其吸附和穿透作用，破壞金屬的鈍性保護(hù)膜或是改變腐蝕產(chǎn)物的溶解性，從而促進(jìn)腐蝕陽極過程的進(jìn)行，對(duì)局部腐蝕的發(fā)生和發(fā)展起決定性作用。如圖4所示，雖然數(shù)據(jù)較分散，但是仍然可以看出，土壤腐蝕速率隨著Cl-的增加呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，而且很少量的Cl-即會(huì)對(duì)金屬腐蝕狀態(tài)產(chǎn)生較大影響。因?yàn)镃l-具有很高的活性和較小的半徑，能透過碳鋼滲透金屬的氧化膜和不溶性產(chǎn)物層，與Fe離子反應(yīng)生成可溶性腐蝕產(chǎn)物，破壞試樣的鈍性，促進(jìn)土壤腐蝕的陽極過程，所以碳鋼的腐蝕速率隨著Cl-含量的增加而增加。當(dāng)Cl-含量增加到一定程度時(shí)，阻礙了其它陰離子參與電極反應(yīng)，另一方面也使土壤水分中溶解氧減少，而土壤中碳鋼的腐蝕受土壤中溶解氧控制，氧含量的減少使碳鋼腐蝕減弱[3]。

圖4 土壤氯離子含量與腐蝕速率關(guān)系

3.4 土壤電阻率對(duì)金屬材料土壤腐蝕速率的影響

土壤電阻率是表征土壤導(dǎo)電性能的指標(biāo)，常將其作為判斷土壤腐蝕性的最基本參數(shù)。但是影響土壤電阻率的因素較多，主要有：鹽的含量和組成、含水量、土壤質(zhì)地、松緊度、有機(jī)質(zhì)含量、粘土礦物組成和土壤溫度等。如圖5所示，雖然數(shù)據(jù)比較分散，但仍能大致判斷出土壤腐蝕速率隨著電阻率升高而下降。因?yàn)殡娮杪试礁?，土壤?dǎo)電性越低，腐蝕電流越小，土壤腐蝕速率就越低。電阻率法是目前應(yīng)用較廣泛的判斷土壤腐蝕的方法，方法簡(jiǎn)便，但是數(shù)據(jù)可靠性有限。

4 浙江地區(qū)接地網(wǎng)腐蝕的現(xiàn)狀

在浙江省范圍內(nèi)挑選了部分運(yùn)行年限相似的變電站進(jìn)行接地網(wǎng)開挖檢測(cè)，來驗(yàn)證土壤腐蝕速率分布圖的準(zhǔn)確性。檢測(cè)時(shí)順著引下線開挖，挖至水平地網(wǎng)暴露，現(xiàn)場(chǎng)情況如圖6所示。

圖5 土壤電阻率與腐蝕速率關(guān)系

從開挖結(jié)果來看，杭州某變電站接地網(wǎng)腐蝕嚴(yán)重，從圖6（a）中可看到引下線呈現(xiàn)全面腐蝕的情況，甚至發(fā)現(xiàn)某條引下線出現(xiàn)了斷裂的情況，引下線出現(xiàn)大量棕紅色鐵銹，說明鍍鋅層已被腐蝕，由于鍍鋅層較薄，在現(xiàn)場(chǎng)土壤介質(zhì)以及電偶腐蝕的作用下較容易被腐蝕，內(nèi)層碳鋼被腐蝕，出現(xiàn)鐵銹。失去了鍍鋅層的保護(hù)，碳鋼腐蝕加速。同樣，如圖6（b）所示，寧波慈溪某變電站腐蝕也較嚴(yán)重，鍍鋅層已被腐蝕，出現(xiàn)鐵銹。上述結(jié)果與浙江地區(qū)土壤腐蝕速率分布圖中腐蝕性比較嚴(yán)重的地區(qū)主要位于工業(yè)比較發(fā)達(dá)的杭州灣沿海地區(qū)、寧波慈溪沿海一帶以及沿海灘涂的玉環(huán)麥嶼變地區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)性。

圖6 開挖后的接地網(wǎng)情況

如圖6（c）所示，衢州某變電站檢測(cè)結(jié)果顯示腐蝕也較嚴(yán)重，呈現(xiàn)全面腐蝕，分布圖中顯示衢州地區(qū)腐蝕程度為中等腐蝕程度，檢測(cè)結(jié)果與分布圖略有差異。

臺(tái)州、湖州、嘉興平湖檢測(cè)的變電站腐蝕程度較輕，從圖6可以看出，鍍鋅層部分被破壞，銹跡不多，呈現(xiàn)局部腐蝕的情況。這與浙江地區(qū)土壤腐蝕速率分布圖大部分一致，上述區(qū)域土壤腐蝕程度較輕。

上述檢測(cè)結(jié)果與分布圖有較好的一致性，但個(gè)別站存在差異，分析其原因?yàn)椋?/p>

（1）由于接地網(wǎng)材料本身存在差異導(dǎo)致。

（2）土壤本身的不均勻性導(dǎo)致。土壤由土粒、水、空氣所組成，具有復(fù)雜的多相結(jié)構(gòu)，土壤與其他腐蝕介質(zhì)相比，具有多相性、不流動(dòng)性、不均勻性等諸多特點(diǎn)。

5 結(jié)論

（1）在100個(gè)土壤樣本中，76%土壤的腐蝕速率集中在0.026～0.076 mm/a，腐蝕性中度偏弱，工業(yè)較發(fā)達(dá)的杭州灣地區(qū)及沿海灘涂的玉環(huán)麥嶼變地區(qū)的土壤腐蝕性相對(duì)嚴(yán)重，達(dá)0.128～0.250 mm/a，最低為臺(tái)州椒江區(qū)、舟山昌州變及紹興崇仁鎮(zhèn)等地區(qū)，腐蝕速率約0.013 mm/a。

（2）pH值、含鹽量、氯離子含量、電阻率都是影響浙江省土壤腐蝕性的重要因素，浙江沿海地區(qū)土壤的Cl-含量較內(nèi)陸高，沿海及嘉興、紹興等地的含鹽量較高，導(dǎo)致其腐蝕速率較其它地區(qū)偏高，分析理化特性與腐蝕情況有較好的對(duì)應(yīng)性。

（3）在浙江省范圍內(nèi)挑選了部分運(yùn)行年限相似的變電站進(jìn)行接地網(wǎng)開挖檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與分布圖有較好的一致性。本次浙江地區(qū)土壤腐蝕速率分布圖是基于100個(gè)樣品所得，能大致表征浙江省土壤腐蝕分布，但部分區(qū)域可能與實(shí)際情況存在差異，后期需不斷細(xì)化更新分布圖力求更加準(zhǔn)確。

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（本文編輯：徐 晗）

表3 某青工掛設(shè)耐張轉(zhuǎn)角塔接地線時(shí)間統(tǒng)計(jì)

因此，使用輔助裝置后，作業(yè)人員掛設(shè)接地線可靠性更高，體現(xiàn)在首次伸出操作桿掛設(shè)的成功率大大增加，進(jìn)而減少了作業(yè)人員的操作時(shí)間，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。高可靠性還體現(xiàn)在外部因素如天氣變化（需符合安規(guī)允許的天氣要求）、人為因素如作業(yè)人員的技能純熟度等對(duì)操作的影響較小。

4 結(jié)語

對(duì)高壓輸電線路耐張轉(zhuǎn)角塔引流線掛設(shè)接地線困難的問題進(jìn)行了原因分析，為此設(shè)計(jì)了輔助裝設(shè)接地線裝置，改進(jìn)了操作桿金屬連接頭。通過新裝置的使用，有效地縮短了耐張轉(zhuǎn)角塔掛設(shè)接地線的時(shí)間，提高了工作效率，為企業(yè)贏得了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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收稿日期：2016-11-14

作者簡(jiǎn)介：言大偉（1987），男，工程師、技師，從事輸電線路運(yùn)行檢修維護(hù)工作。

（本文編輯：陸 瑩）

Survey on Soil Corrosion of Substations in Zhejiang

SHEN Xiaoming，QIAN Zhouhai，ZHU Liwei，MING Julan，ZHOU Haifei
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

To investigate soil corrosion characteristics of substations in Zhejiang，more than 100 substation soil samples were collected，and physical and chemical properties of the samples were tested.In addition，the corrosion rate was measured with soil corrosion probe through electrochemical technology.The regional distribution of soil corrosion in Zhejiang is drawn based on the test results；besides，the physical and chemical properties such as pH value，salinity，chloride ion content and soil resistivity in Zhejiang province are analyzed.

soil corrosion；Zhejiang；corrosion rate；physicochemical property

國網(wǎng)浙江省電力公司科技項(xiàng)目（5211DS14005D）

TG172.4

A

1007-1881（2017）02-0053-05

2016-12-05

沈曉明（1985），女，工程師，研究方向?yàn)檩斪冸娫O(shè)備腐蝕與防護(hù)。