化工企业接地装置的腐蚀问题

2014-09-02陆明明

黑龙江气象 2014年1期

关键词：降阻剂接地装置阴极保护

陆明明

（黑龙江省防雷中心,黑龙江哈尔滨150030）

1 引言

在对一些化工企业的常规防雷检测中，经常会出现接地阻值超标甚至无穷大，通过检查分析，发现是由接地装置被腐蚀甚至断裂造成的。

化工企业接地装置长期处于阴暗潮湿并且含有各种酸、碱、盐等化学成分的环境中，运行环境恶劣，极易发生腐蚀[1]。而由于其属于隐蔽工程，又无监视装置，遭受长期腐蚀而不易察觉。发生腐蚀后，钢材会变薄、变脆，截面积变小，甚至最终发生断裂现象。

长期腐蚀缩短接地装置的使用年限，引发接地网内部及接地线与接地网连接处的断裂。腐蚀产物降低接地性能，增大接地电阻，甚至造成一些设备和防雷设备“失地”，当短路故障或泄放雷电流时，产生反击，使设备严重受损，威胁人身安全[2]。因此，必须对化工企业的接地装置采取相关措施进行防腐。

2 腐蚀环境和部位

接地装置的腐蚀按照环境主要分为三种：大气腐蚀；土壤腐蚀；海水腐蚀[3]。

大气腐蚀是指金属在空气中与O2及H2O 接触发生化学反应而引起的腐蚀；土壤腐蚀是指接地体在地下与土壤内的物质产生反应，造成局部损坏；海水腐蚀是指海水中盐类、溶解气体等有机物质，对敷设在海水里的接地体产生的腐蚀作用。

化工企业的接地装置主要是前两种腐蚀问题，接地引下线和各焊接部位主要受大气腐蚀，地下水平和垂直接地体部位主要受土壤腐蚀。

3 腐蚀机理

接地装置的腐蚀机理主要包括化学腐蚀和电化学腐蚀两类[4]。

3.1 化学腐蚀

化学腐蚀是金属接地体与非电解质产生化学反应而引发的腐蚀，反应发生在金属与介质的接触面上，腐蚀时不产生电流。例如铁暴露在空气中，会与氧气接触产生化学反应:Fe+O2→FeO。

铁发生氧化反应生成氧化铁，这种化学腐蚀主要与周围环境的温度、化学腐蚀物质含量和空气湿度等有关。化工企业有大量的化工设备不停地运作，烟囱排出各种废气，从而产生局部热岛效应，接地装置所处的环境温度较其他地区要高，空气中含有更多的化学腐蚀物质，同时湿度也较大，所以化学腐蚀相比更严重。

3.2 电化学腐蚀

电化学腐蚀是接地金属与电解质发生电化学反应而引起的腐蚀，它的原理是金属接地体与作为电解质溶液的土壤水构成一个完整的原电池腐蚀系统[4]，即钢材作为原电池的一极产生氧化反应，而钢材中含有的导电杂质则作为原电池的另一极，产生还原反应，但由于钢材接触的电解质溶液的酸性强弱不同，会产生两种不同的反应情况。

3.2.1 析氢腐蚀

当电解质溶液中H＋浓度较大时，呈弱酸性，有氧化反应发生在负极：Fe→Fe2++2e。正极上产生还原反应，即：2H++2e→H2↑。 Fe2+与溶液中的OH-结合发生化学反应生成Fe(OH)2，即：Fe2++2OH-→Fe(OH)2↓。而Fe(OH)2将结合水分，并吸收空气中的O2，被氧化成Fe(OH)3，即：4Fe(OH)2+2H2O+O2→4Fe(OH)3。

3.2.2 吸氧腐蚀

当电解质溶液H+浓度较小时，呈弱碱性，溶液中的O2在正极上与电子产生还原反应，即：2H2O+O2+4e-→OH-，其余化学反应与前文一样。

电化学腐蚀主要与电解质溶液中的H+和O2的浓度密切相关，浓度越高，其电化学腐蚀速率就越快[5]。

4 影响接地装置腐蚀的主要因素

4.1 土壤的特性

土壤是拥有固体、液体、气体三种性质的质体，土壤中的水含有一定量的盐分或其他的电解质，因而有离子导电性。腐蚀可分为湿蚀和干蚀两种，湿蚀是指液体作用下的腐蚀，干蚀是在无水分作用下的腐蚀。湿蚀也分为水溶液下的腐蚀和非水溶液下的腐蚀两种，由于土壤中有水分，因此接地装置土壤腐蚀属于水溶液下的湿蚀。不同土壤的特性成分状况千差万别，因此腐蚀的差别很大，影响其腐蚀速率的因素包括：含水量和含氧量、含盐量、土壤电阻率、含微生物量、土壤特性的不均匀及杂散电流等，各种因素相互融合共同发挥影响作用[6]。

在北方地区，存在着多年冻土和季节性冻土，而接地极的埋深深度在0.5 m 左右，处于冻土层中，冻土地区冻结期土壤电阻率可达非冻结期的10倍[7]，北方化工企业的接地装置除了要承受各种腐蚀因素之外，在季节交替时还要受到冻土的融沉、冻胀所产生的机械应力影响，故其接地装置比其他地区更容易发生腐蚀、断裂。

4.2 大气环境

大气腐蚀主要产生在接地引下线、断接卡和均压带处。这些部位既有大气腐蚀的环境，又有土壤腐蚀的环境，引起腐蚀的以电化学腐蚀为主。

接地装置大气腐蚀的速率主要决定于空气中的氧气、水分、二氧化碳的含量。而在化工企业，工业污染严重厂区空气中存在大量SO2、NO2、H2S、NH3等气体，导致大气腐蚀加强，加快接地体的腐蚀速度。

4.3 施工与安装的工艺

接地装置的施工安装过程以及安装工艺也是影响其腐蚀的因素，主要表现为：

(1)当接地体埋于较浅土壤时，在含氧率较高的表层土壤，氧化腐蚀更严重；

(2)为了图省事，施工回填土并未采用细土，而是就地取材，采用砂子、碎石甚至建筑垃圾，而接地钢材在土壤中是延伸铺设的，由于其各部位接触的土质不同，形成宏观电池，遭受腐蚀；

(3)接地线的连接未采用焊接，而是采取螺栓或压接管连接，接地处产生缝隙，局部腐蚀；

(4)接地体与接地线各处焊接头虚焊、假焊，没有做防腐处理；

(5)接地体采用杂质超标的再生钢材时，在地下发生的电偶电池腐蚀更严重。

5 防腐蚀措施

5.1 阴极保护法

阴极保护法是指通过对被保护的金属即钢材接地装置，实施外加阴极极化来防止金属腐蚀的一种方法。可分为牺牲阳极法和外加电流法两种，牺牲阳极法较易于实现，它是利用镁合金等电位更负的金属与接地体相连作为阳极来腐蚀牺牲，作为阴极的接地装置则得到了保护(图1)。

图1 牺牲阳极法的示意图

如图1，电子移动明显比电极反应要快,因而改变阳极表面电荷的初始平衡状态，导致极化发生。极化促使阳极的电位偏向正极, 阴极的电位偏向负极,初始电位差变小,腐蚀电流也变小。这样就达到减弱腐蚀的目的。

外加电流法是指通过外接电源将接地体与镁合金等连接，强制接地装置变成阴极而产生阴极极化，从而降低腐蚀(图2)。

图2 外加电流法的示意图

阴极保护的设计是根据土壤特性、接地体表面积以及保护电流决定的，镁阳极、锌阳极的电化学性能见表1。

采用阴极保护法时，必须达到接地体的阴极电位≤-850 mV 或者腐蚀的电位负移≥100 mV 的目的，通过接地体的阴极极化电位来减缓导体的腐蚀。接地装置的最小保护电流是在10-100 mV/m3。当接地装置实施阴极保护时整个接地网都无需使用降阻剂，但在埋设镁合金牺牲阳极的地方仍需要化学填实包或者碳素回填料，用以降低其阳极的接地电阻。

表1 镁阳极和锌阳极的电化学性能

5.2 接地引下线防腐蚀的措施

从接地引下线与接地体的连接点至地上1 m 范围内最易发生腐蚀，因为此处导体途经两种介质，其电位差异会产生电化学反应，造成腐蚀。通常采取的措施是将土壤中与水平接地体连接处至地上与设备连接处的金属刷沥青漆或防锈漆。在接地引下线近地面处最容易锈蚀部位应套上PVC 绝缘套管等进行保护，并定期维护。

5.3 使用性能优良的降阻剂

使用降阻剂是防雷工程中降低接地电阻一项重要措施，然而一些降阻剂也会腐蚀接地装置，因此应该选用具有稳定的化学性能的高效降阻剂，它既不腐蚀接地体，还能保护接地体不受其他的腐蚀。高效降阻剂在土壤中的平均腐蚀率≤0.05 mm/a、pH 值＞7，并能迅速凝固，这样弱碱性能保护接地电极，降阻剂凝固在接地体四周形成一层保护，将其他腐蚀物质隔离在外。