接地网材料在四种典型土壤中的电化学腐蚀研究

2014-07-09闫爱军

东北电力大学学报 2014年1期

曹英，刘磊，曹默，闫爱军

(1.西安理工大学，西安710054;2.国网陕西省电力公司电力科学研究院，西安710054)

接地网在变电站中起着防雷电、工作接地、泄流均压等作用，是保证变电站安全运行的关键设施之一。它长期埋藏在物理化学性质错综复杂的土壤环境中，且受感应电流和故障电流泄流的影响，引起的腐蚀较为严重。接地网腐蚀导致其厚度减薄甚至断裂，使接地性能劣化。一旦发生电力系统短路故障，短路电流来不及在土壤中充分扩散，造成地电位异常升高，使接地设备外壳带电而危及人身安全，可能损毁二次保护装置，发生误动或拒动而扩大事故，导致大面积停电，造成巨大的经济损失和严重的社会影响［1，2，3］。

土壤因素是接地网材料腐蚀的重要原因。我国幅员辽阔，土壤类型众多，性质差异巨大。土壤性质对埋于其中的金属腐蚀作用有显著的不同。以四种典型的土壤为腐蚀介质，以碳钢材质为研究对象，采用电化学极化曲线法，对比研究了接地网在不同类型土壤中的电化学腐蚀特征，分析了其腐蚀规律，研究了腐蚀机理，旨在为接地网材料防腐蚀设计、运行维护提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

工作电极材料采用接地网碳钢材料，用环氧树脂+6%～8%的乙二胺密封试样的非工作表面，涂封后试样中心保留面积为1 cm2的工作面。封样操作前，将制备好的电极经过360#、600#、800#、1 000#和1 200#砂纸逐级打磨，使工作电极表面光亮无划痕。用丙酮、无水乙醇清洗试片，干燥备用。

为了较为广泛的考虑不同种类土壤对接地网材料的腐蚀影响，实验选取了四种有代表性的土壤种类，包括:黄土、沙土、红土和盐渍土。分别取自陕西渭南市、陕西榆林市、福建三明市、陕西富平县。通常取距地表深度为80 cm的土壤作为腐蚀介质采集的四种土样放置在烘箱中经105℃烘烤3 h;通过加去离子水，调整含水量分别为5%、15%、25%和35%。大于35%含水量时，土壤处于饱和状态。

1.2 电化学测试方法

电化学试验采用三电极体系，其中参比电极为饱和甘汞电极(SCE)，辅助电极为铂电极，工作电极为接地网材料制电极［4］。所用设备为辰华电化学工作站。

预先经过处理的接地网材料试样作为工作电极;测试体系温度由恒温水浴控制，设置温度为25℃。其中极化曲线法的扫描速率为1 mV/s，扫描从阴极开始，扫描范围设置为相对于自腐蚀电位±200 mV(相对开路电位)。

2 实验结果与分析

2.1 土壤理化分析结果

四种土壤的其理化性质见表1。

表1 四种土壤理化性质

由表1可见，四种土壤的理化性质有鲜明的差异。pH由高到低依次为:盐渍土＞红土＞沙土＞黄土，电导率由大到小依次为:盐渍土＞黄土＞沙红土＞红土，总含盐量以及氯离子由大到小依次为:盐渍土＞黄土＞红土＞沙土。

2.2 不同含水率下四种土壤的极化曲线及数据拟合

调整四种土壤的含水率分别为5%、15%、25%和35%，接地网材料的极化曲线结果如图1所示。

图1 接地网材料在四种土壤中的极化曲线

由图1可以看出，接地网材料在四种土壤不同含水量下，极化曲线有较为显著的差异。总体趋势上，腐蚀电位随含水量升高而降低。

表2反映了极化曲线的拟合结果。

表2 接地网材料在四种土壤中腐蚀极化曲线拟合参数

2.3 结果分析

从图1还可以看出，5%含水量下，腐蚀电位由高到低依次为黄土、红土、沙土和盐渍土;15%含水量下，腐蚀电位由高到低依次为黄土、盐渍土、沙土和红土;25%含水量下，腐蚀电位由高到低依次为红土、沙土、黄土和盐渍土;35%含水量下，腐蚀电位由高到低依次为红土、沙土、黄土和盐渍土。

由图1和表2可见，四种土壤的腐蚀电位随含水量升高而降低。这与不同含水量下，土壤的孔隙率、粘结性、含盐量等有关。

由腐蚀电流密度和腐蚀速率可见，四种土壤的腐蚀性由大到小依次为盐渍土＞黄土＞红土＞沙土，尤其是沙土的腐蚀速率远低于其他几种土壤。

含水量越高腐蚀速率也越大，这是由于上述极化曲线只研究了接地网材料在抛光的试片表面的腐蚀电化学过程，反映的是腐蚀体系最初期的腐蚀规律。

土壤中碳钢接地网的腐蚀过程是由铁和氧组成共轭体系。阳极反应中，Fe经过一系列复杂的反应，最终生成铁各种的氧化物，电位正移;对应的阴极反应电位负移。如果内外电路电阻为零，阴、阳极极化曲线必然相交与一点，即阴、阳极反应具有共同的电位EC，称为金属的自腐蚀电位或者腐蚀电位(Corrosion potential)，用 Ecoor表示。

这时是在腐蚀电位Ec时，ia=ic，在一定的边界条件下，有:

由上式可见，阴阳极反应的交换电流密度对于腐蚀电位的数值有决定的影响。当时，腐蚀电位Ec非常接近于阴极反应平衡电位Ee2;当时，腐蚀电位Ec非常接近于阳极反应平衡电位Ee1;交换电流密度其大小除受温度影响外，还与电极反应的性质密切相关，并与电极材料和反应物质的浓度有关［43］。

含水量低时，土壤的孔隙率高，氧的阴极电极反应容易进行，当在阳极表面形成有效的水膜接触时，水膜膜厚较薄，氧气传质迅速，导致阴极交换电流密度，因此腐蚀电位Ec总体上靠近接近于阴极反应平衡电位Ee2;当含水量增高时，土壤的孔隙率逐渐减小，氧的电极反应进行越来越困难，阴极交换电流密度逐渐减小，而阳极反应的交换电流密度逐渐增大，同时，土壤中的含盐量溶解于水中，使阳极反应的交换电流密度各有差异，因此腐蚀电位Ec不断远离阴极反应平衡电位Ee2，而逐渐靠近阳极反应平衡电位Ee1。

这一现象形成的原因是，土质不同时，在相同含水量时，吸水率、粘结性、水中含盐量也不同。总体趋势时，吸水率由低到高依次为沙土、红土、黄土和盐渍土;粘结性相反;含盐量由大到小依次为盐渍土、黄土、红土和沙土。上述因素共同作用的结果形成了上述腐蚀电位的排列。

黄土在5%水分含量下，形成相对均匀的潮湿土壤，因而阴极反应易于进行，对应的阴极交换电流密度最大。红土次之，沙土再次，最后为盐渍土。这一点由土壤的性状可以看出，尤其盐渍土最为明显，它具有强烈的吸水性，在含水量低时，形成块状结构，虽然氧气传质阻力地，但是与阳极接触的水膜面积最小，不能形成有效的反应接触面，导致其阴极交换电流密度最小［5］。15% 水分含量下，黄土仍与阳极极材料保持最大的水膜接触面积，且水膜中溶解里离子浓度较高，保持最高的阴极交换电流密度。红土的水膜面积以及溶解离子的综合作用，使得其阳极交换电流密度增大最为迅速，表现为其腐蚀电位负移最大。沙土和盐渍土居于黄土和红土之间。25% 水分含量下，四种土壤均与水充分接触，此时氧气的溶解变得较为困难，阴极控制程度增加，和溶解离子浓度的综合作用，使得腐蚀电位趋于相同。35% 水分含量下，红土、沙土、黄土基本相同，但是盐渍土由于溶解了大量的盐分，阳极反应的交换电流密度最大，同时盐分的增加使得氧气在水中的溶解量最小，阴极过程强烈受阻，阴极交换电流密度最小，表现为，腐蚀电位Ec非常接近于阳极反应平衡电位Ee1。

电化学腐蚀反应的一系列中间步骤中，阴阳极反应进行的难易程度不同，最难进行的步骤，是决定腐蚀反应速度的控制步骤。接地网材料在土壤的水溶液中的腐蚀过程，包括铁的阳极溶解和溶解氧的阴极还原这组共轭反应。由阳极塔菲尔斜率 /阴极塔菲尔斜率之比可以看出，沙土、红土和黄土均为混合控制过程;盐渍土在含水量5%、15% 和25% 时较为强烈的阳极控制，而在35% 时，βa/βc为0.53，即βc约是βa的两倍，表现为较为强烈的阴极控制，此时腐蚀过程为阴极控制为主的混合控制的腐蚀体系。试验时，35%的粘土粘结力强，溶解氧向钢铁表面传质显著困难。

由腐蚀电流密度和腐蚀速率可见，四种土壤的腐蚀性由大到小依次为盐渍土＞黄土＞红土＞沙土，尤其是沙土的腐蚀速率远低于其他几种土壤。