基于Tafel-極化曲線法的常用金屬接地材料腐蝕行為研究

杜俊賢，胡松江，邢 遠，務(wù)孔永

(河南四達電力設(shè)備股份有限公司，河南 許昌 461500)

1 引 言

輸電線路的接地裝置對電力系統(tǒng)的安全有至關(guān)重要的作用[1]。雖然近幾年非金屬接地材料不斷出現(xiàn)，如石墨基柔性接地材料[2]，但實際應(yīng)用中，金屬接地材料仍占主導地位。最初的金屬接地材料主要有熱鍍鋅鋼、銅、不銹鋼等，由于銅、不銹鋼的成本較高，又陸續(xù)出現(xiàn)了銅包鋼、不銹鋼包鋼。無論何種金屬接地材料，其耐腐蝕性一直是人們關(guān)注的焦點。

金屬的腐蝕主要是金屬在周圍介質(zhì)作用下，由于化學變化、電化學變化或物理溶解而產(chǎn)生的破壞，是包括材料和環(huán)境介質(zhì)在內(nèi)的一個具有反應(yīng)作用在內(nèi)的體系，即：

金屬材料+腐蝕介質(zhì)→腐蝕產(chǎn)物[3]

金屬接地材料在各種電解質(zhì)水溶液、大氣和土壤中發(fā)生的腐蝕主要是電化學腐蝕，故對這些金屬接地材料的電化學腐蝕行為進行研究，對接地材料的選取、抗腐蝕性能的研究具有重要的意義。

線性極化法是一種快速而有效的腐蝕速率測試方法，該方法是以過電位很小時(η<10mV)，過電位與極化電流呈線性關(guān)系為理論依據(jù)的，可快速測出金屬的瞬時腐蝕速率，屬于微極化，不會引起金屬表面狀態(tài)的變化及腐蝕控制機理的變化[4]。

2 試 驗

2.1 材料

試驗共用到5種金屬接地材料：熱鍍鋅鋼、銅、銅包鋼、不銹鋼、不銹鋼包鋼。

熱鍍鋅鋼、銅包鋼、不銹鋼包鋼均為φ12mm圓柱體，截取長度40mm，橫截面上均焊接上一根2.5mm2的銅導線作為外引接線，依次用蒸餾水、丙酮、酒精清洗烘干后，橫截面、焊接點、焊接處導線裸露部分及外層非工作面均用環(huán)氧樹脂涂覆密封，工作面積為377mm2。熱鍍鋅鋼鋅層、銅包鋼外層銅、不銹鋼包鋼外層不銹鋼的厚度依次為120μm、266μm、684μm。

銅、不銹鋼加工成半徑為10mm的圓形，背面焊接一根2.5mm2的銅導線作為外引接線，非工作面及導線裸露部分用環(huán)氧樹脂密封固化后，工作面用800#砂紙打磨光滑，依次用蒸餾水、酒精清洗烘干，工作面積為314mm2。

經(jīng)X-MET8000Οptimum手持式X射線熒光光譜儀檢測，試驗用銅、銅包鋼外層Cu含量≥99.5%；不銹鋼、不銹鋼包鋼外層主要化學成分見表1。

表1 不銹鋼包鋼外層、不銹鋼主要化學成分

2.2 介質(zhì)

試驗介質(zhì)選擇濱海氯鹽土、鹽堿土、中性草甸土(東北地區(qū)土壤)、酸性紅壤土(鷹潭酸性土)以及強酸土模擬液。所用水為蒸餾水，試劑為分析純，模擬液pH值用氫氧化鈉和冰乙酸調(diào)節(jié)。土壤模擬液成分及酸堿度如表2所示。

表2 土壤模擬液配比

2.3 開路電位和極化曲線測試

本次試驗所用電化學工作站為武漢科思特股份有限公司生產(chǎn)的CS310H型，采用標準三電極體系進行測量，參比電極為帶魯金毛細管的飽和甘汞電極(SCE)，示意圖如圖1所示。

圖1 測量示意圖

用萬用表測試樣品焊接點可正常導通后，進行開路電位測量(3000s)，之后采用動電位掃描對樣品進行極化曲線測量(OCP穩(wěn)定后測試)，掃描速率為1mV/s，電壓掃描范圍為-0.8V～1.8V。每組試驗需有平行試樣，如有出入，需加大試驗次數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 氯鹽土模擬液

圖2為5種樣品在氯鹽土模擬液中的極化曲線圖。

圖2 氯鹽土-極化曲線

由圖2可以看出，鍍鋅鋼開路電位明顯小于其他4種樣品，且其極化曲線出現(xiàn)了小的活化鈍化過渡區(qū)和鈍化區(qū)；不銹鋼包鋼、不銹鋼未出現(xiàn)活化鈍化過渡區(qū)，直接進入鈍化區(qū)；銅和銅包鋼的極化曲線出現(xiàn)了小的雙峰。5種樣品極化曲線的Tafel擬合結(jié)果見表3。

表3 氯鹽土-Tafel擬合結(jié)果

3.2 鹽堿土模擬液

圖3為5種樣品在鹽堿土模擬液中的極化曲線圖。

圖3 鹽堿土-極化曲線

由圖3可知，鍍鋅鋼開路電位明顯小于其他4種樣品，5種樣品均出現(xiàn)鈍化區(qū)，不銹鋼包鋼、不銹鋼鈍化區(qū)較大，銅與銅包鋼只有極小的鈍化區(qū)。5種樣品極化曲線的Tafel擬合結(jié)果見表4。

表4 鹽堿土-Tafel擬合結(jié)果

3.3 草甸土模擬液

圖4為5種樣品在草甸土模擬液中的極化曲線圖。

圖4 草甸土-極化曲線

由圖4可知，鍍鋅鋼開路電位明顯小于其他4種樣品，鍍鋅鋼、銅、銅包鋼鈍化區(qū)較小，不銹鋼、不銹鋼包鋼出現(xiàn)大的鈍化區(qū)，且不銹鋼包鋼出現(xiàn)了明顯單峰，即出現(xiàn)了活化鈍化過渡區(qū)。5種樣品極化曲線的Tafel擬合結(jié)果見表5。

表5 草甸土-Tafel擬合結(jié)果

3.4 紅壤土模擬液

圖5是5種樣品在紅壤土模擬液中的極化曲線圖。

圖5 紅壤土-極化曲線

由圖5可知，鍍鋅鋼的開路電位明顯小于其他4種樣品，且其極化曲線出現(xiàn)了單峰；不銹鋼、不銹鋼包鋼出現(xiàn)了較大的鈍化區(qū)，且都有小峰出現(xiàn)；銅和銅包鋼未出現(xiàn)鈍化信號。5種樣品極化曲線的Tafel擬合結(jié)果見表6。

表6 紅壤土-Tafel擬合結(jié)果

3.5 強酸土模擬液

圖6為5種樣品在強酸土模擬液中的極化曲線圖。

圖6 強酸土-極化曲線

由圖6可知，鍍鋅鋼開路電位明顯小于其他4種樣品，其極化曲線未出現(xiàn)鈍化信號；不銹鋼、不銹鋼包鋼有較大極化區(qū)，且都有小峰出現(xiàn)；銅包鋼、銅均未出現(xiàn)鈍化信號。5種樣品極化曲線的Tafel擬合結(jié)果見表7。

表7 強酸土-Tafel擬合結(jié)果

4 試驗結(jié)果分析

圖7為5種樣品在5種土壤模擬液中的腐蝕電流密度圖。

圖7 腐蝕電流密度

由圖7可得，無論何種土壤模擬液，鍍鋅鋼的腐蝕電流密度均是最大的，也就是說，在這5種土壤模擬液中，鍍鋅鋼的耐蝕性是最差的；銅和銅包鋼的腐蝕電流密度因土壤模擬液的類型不同變化較大，表明這兩者的耐腐蝕性受腐蝕介質(zhì)的影響較為明顯；不銹鋼和不銹鋼包鋼在5種土壤模擬液中的腐蝕電流密度變化不大，這兩者的耐腐蝕性能比較穩(wěn)定，結(jié)合數(shù)值發(fā)現(xiàn)，這兩者的腐蝕電流密度均小于同種土壤模擬液中鍍鋅鋼、銅和銅包鋼的腐蝕電流密度，也就是說，不銹鋼和不銹鋼包鋼的耐腐蝕性優(yōu)于鍍鋅鋼、銅和銅包鋼。

銅和銅包鋼在堿性介質(zhì)中的腐蝕電流密度稍大于酸性介質(zhì)，表明銅和銅包鋼在酸性介質(zhì)中的耐腐蝕性要優(yōu)于堿性介質(zhì)。

不銹鋼包鋼外層不銹鋼化學成分與不銹鋼基本一致，兩者在5種土壤模擬液中的極化曲線具有很高的重合性，兩者的腐蝕電流密度基本一致，故在不銹鋼包鋼的外層未點蝕穿透之前，其耐腐蝕性與不銹鋼極為接近。由不銹鋼和不銹鋼包鋼的極化曲線可以看出，無論何種土壤模擬液，兩者均有大的鈍化區(qū)，化學成分中的Cr元素與O結(jié)合生成Cr2O3鈍化膜，提高了不銹鋼在氧化性介質(zhì)中的耐蝕性，Ni元素則改變了鋼的晶體結(jié)構(gòu)，形成奧氏體晶體結(jié)構(gòu)，提高了不銹鋼在氧化性和非氧化性介質(zhì)中的耐蝕性。

5 結(jié) 論

(1)無論在哪種土壤模擬液中，熱鍍鋅鋼耐腐蝕性均是最差的；

(2)銅和銅包鋼材料的耐酸性腐蝕性能優(yōu)于耐堿性腐蝕性能；

(3)不銹鋼和不銹鋼包鋼在5種土壤模擬液中表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性，且兩者的耐蝕性比較穩(wěn)定；

(4)從成本、耐腐蝕性方面考慮，不銹鋼包鋼作為金屬接地材料的優(yōu)勢還是很明顯的。