4种涂层钢在变电站土壤中的腐蚀行为研究

徐松，冯兵，何铁祥

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007)

4种涂层钢在变电站土壤中的腐蚀行为研究

徐松，冯兵，何铁祥

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007)

采用高速电弧喷涂方法在Q235钢表面上分别制备纯Al涂层、AlSi合金涂层、NiAl合金涂层、316L不锈钢涂层，通过对涂层钢在湖南某220 kV变电站中进行埋样和土壤溶液中的电化学实验，研究涂层在变电站土壤及其溶液中的耐蚀性能。通过电化学线性极化、动电位极化、交流阻抗试验，研究涂层在变电站土壤过滤液中的电化学腐蚀行为，并利用扫描电子显微镜和X射线电子能谱对埋样的腐蚀产物进行观察和分析，结果表明:AlSi涂层具有最好的耐土壤腐蚀性，其次是镍铝涂层和不锈钢涂层，而纯铝涂层长时间埋地容易鼓泡，耐土壤腐蚀性不佳。

合金涂层；土壤腐蚀；电化学腐蚀；高速电弧喷涂

变电站接地网是保障电力设备安全稳定运行的重要设施，一般埋在变电站地面下60～80 cm的土壤中，由于资源、经济等原因，国内接地网材料主要采用热浸镀锌碳钢。根据文献报道，国内电力接地网腐蚀比较严重，尤其是潮湿多雨的华南、华中地区，运行3—5年的镀锌钢出现严重腐蚀，造成多起设备损坏和停电事故〔1－2〕。因此，接地网防腐一直是电力系统一个重要研究课题，目前，国内外接地网常用的主要防护措施有:铜和铜包钢；阴极保护；降阻剂；导电涂料〔3〕。这些防护措施各有优缺点，如阴极保护施工简单，但是后续维护费用大；降阻剂施工难度大且防腐性能发挥依赖特定环境；铜和铜包钢在普通土壤中非常耐腐蚀，但是价格昂贵，不宜大范围使用；导电防腐涂料存在老化问题，涂料一旦破裂局部腐蚀非常严重。

热喷涂已经广泛应用于金属的防腐，如热喷锌、锌铝合金，其耐大气腐蚀优良，主要用于公路、桥梁、户外构架等防腐〔4－7〕，但是，目前关于热喷涂合金涂层用于接地网防腐蚀的研究较少，理论上热喷涂合金涂层兼具防腐、导电性和热稳定性，是一种潜在的接地网防腐方法，具有良好的应用价值。文中使用高速电弧喷涂方法在Q235钢表面上制备Al，NiAl，AlSi，316L不锈钢4种合金涂层，通过对涂层在变电站中进行埋样和土壤溶液中的电化学实验，研究了涂层在变电站土壤及其溶液中的耐蚀性能，供接地网的防腐工作参考。

1 实验

本实验采DH8－TA－400电弧喷涂设备，实验中合金丝直径Φ2 mm，压缩空气流量1.8 m3/min。以Q235钢为基材，表面先用酒精清洗除油净化，再进行喷砂粗化，随后进行6个面的喷涂，相同时间下，制备出Al，AlSi，NiAl，316L不锈钢4种合金涂层。涂层的横截面如图1所示，Al涂层较厚，有大量空洞，最大厚度为791 μm，AlSi涂层较致密，最大厚度为653 μm，NiAl涂层较薄，最大厚度为257 μm，316L不锈钢涂层较致密，最大厚度为378 μm。

涂层横截面观察结果如图1所示。

图1 4种涂层的横截面

电化学测量通过Garmy600电化学工作站在室温下进行，动电位极化和电化学阻抗测量采用三电极体系，辅助电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极 (SCE)，测试溶液为湖南某220 kV变电站土壤过滤液，水土比为3∶1，土壤溶液理化参数见表1，该变电站土壤偏酸性，氯离子和硫酸根离子含量高，腐蚀性较强。涂层试样的工作面积为10 mm×10 mm，为了对比，同时测试的还有Q235钢和SPA－H耐候钢，其成分见表2。动电位极化扫描速率为1 mV/s，电化学阻抗谱测量在开路电位上进行，频率范围为0.01～100 kHz，测量信号的幅值为10 mV。用自带软件对电化学阻抗数据进行解析拟合。

涂层样品埋片选在湖南益阳毛家塘220 kV变电站，埋片土壤深度60 cm，与变电站主接地网深度一致，为了对比，同时埋入Q235钢，埋地样品尺寸均为50 mm×50 mm×5 mm。样品埋地180天后取出，一部分样品按照文献 〔8〕的方法清洗称重计算腐蚀速率；另一部分用Quanta400扫描电子显微镜进行样品表面腐蚀形貌和成分分析。

表1 湖南某220 kV变电站土壤溶液理化参数 (水∶土＝3∶1)

表2 Q235钢和SPA－H耐候钢的成分 %

2 结果与讨论

2.1 电化学测试

1)线性极化测量

表3为线性极化阻抗拟合数据。极化区间为:－20～20 mVocp，扫描速率为0.5 mV/s。根据线性极化阻抗值，AlSi涂层的线性极化阻抗值最大，其耐蚀性最好，其次是NiAl和316不锈钢涂层，纯Al涂层耐蚀性最差，而Q235钢与SPA－H耐候钢的耐蚀性相差不大。

表3 线性极化阻抗拟合数据

2)动电位极化曲线测量

图2为Q235钢、SPA－H耐候钢及涂层样品的动电位极化曲线测量结果。所有电极在测量溶液中的阳极过程均表现为活性溶解特征，无明显钝化电位区间，316不锈钢涂层的钝化趋势相对明显，腐蚀电位最高。与Q235钢比较，不锈钢涂层的阳极电流密度最小，其次是 NiAl涂层和 AlSi涂层，SPA－H耐候钢与Q235钢相当，而纯Al涂层阳极电流密度最大。表4为Q235钢、SAP－H耐候钢及涂层样品的Icorr和Ecorr。Icorr通常与腐蚀速率有对应关系。比较之下，AlSi涂层的 Icorr最小，其次是NiAl和不锈钢涂层，耐候钢的 Icorr大于 Q235钢，纯Al涂层的Icorr最大。极化曲线的测量结果基本与线性极化结果一致。说明AlSi涂层、NiAl涂层和不锈钢涂层具有较好的耐蚀性，而纯Al涂层耐蚀性差，耐候钢与Q235钢的耐蚀性相当。

图2 极化曲线测量结果

表4 Q235钢、SPA－H耐候钢及涂层样品的Icorr和Ecorr

3)交流阻抗测量

图3为Q235钢、SPA－H耐候钢及涂层样品的电化学阻抗谱测量结果。图3(a)表明，AlSi涂层的低频容抗弧显著增大，其次是NiAl和不锈钢涂层，而纯Al的低频容抗弧明显小于Q235钢，耐候钢基本与Q235钢一致。图3(b)给出了阻抗模值与频率f的关系。f→0时越大，说明电极的耐蚀性越好。显然，铝硅涂层的低频明显大于其他涂层，耐蚀性最好；其次是镍铝涂层和不锈钢涂层的低频，均明显高于Q235钢。而纯铝涂层和耐候钢的低频与Q235钢相当。图3(c)表明，各测试样品的阻抗谱均表现为一个时间常数，涂层样品的相角略微向低频方向移动，尤其是不锈钢涂层。

图3 电化学阻抗测试结果

根据阻抗谱形状和经验选择等效电路，以图4中的等效电路图对阻抗谱进行拟合，其中Rsol是溶液电阻， Cdl是双电层电容， Rtrans是转移电阻，Qfilm和Rfilm分别是膜的电容和电阻。图3中的符号和曲线分别为测量和拟合结果，可见，拟合结果较好。表5为阻抗谱的拟合参数。AlSi涂层具有最高的膜电阻，其次是 NiAl涂层和不锈钢涂层，为Q235钢的40倍以上，说明这3种涂层对基体的保护性较好。纯Al涂层和SPA－H耐候钢的膜电阻稍高于Q235钢。

图4 拟合的等效电路图

表5 阻抗谱拟合参数

以上阻抗的测量结果与前面线性极化和动电位极化曲线的测量结果一致，均说明在毛家塘220 kV变电站土壤溶液中，AlSi涂层具有最好的耐腐蚀性，其次是NiAl涂层和不锈钢涂层，而纯Al涂层基本不具备保护性，SPA－H耐候钢与Q235钢的耐蚀性基本相当。

表6 Q235钢、SPA－H耐候钢及涂层样品的 Z0.01Ω·cm2

图5 涂层样和Q235钢在湖南某220 kV变电站埋片6个月后的腐蚀形貌图

2.2 变电站埋片实验

图5为4种涂层样和Q235钢在湖南益阳毛家塘220 kV变电站埋片180天后的宏观腐蚀形貌照片。由图可见:Q235钢腐蚀严重，表面生成大量黄色和黑色腐蚀产物；纯Al涂层样品无明显锈蚀，但是局部出现鼓泡，说明土壤中的水已经渗透到涂层内部，涂层即将失效；AlSi涂层样品表面几乎无腐蚀，涂层保护性能最好；NiAl涂层和不锈钢涂层样品表面轻微腐蚀，局部可见黄锈。表7为埋片样品的腐蚀速率，数据表明4种涂层样品的腐蚀速率明显小于Q235钢，其中AlSi涂层耐蚀性最好，其次是不锈钢涂层、纯Al涂层和NiAl涂层。图6和表8为埋地样品SEM形貌图及对应的EDS分析，如图6(a)—(e)所示:Q235钢表面腐蚀产物膜已经破裂，主要成分为铁的氧化物，其中的Ca，Mg元素为土壤的成分；纯Al涂层表面轻微腐蚀，腐蚀产物为Al的氧化物，局部疏松，因此土壤中的水分容易渗透到涂层中与基体Q235钢接触，从而在涂层和基体交界处产生铁锈，体积膨胀最终导致涂层鼓泡，直至破裂失效，失去保护作用；AlSi涂层几乎无腐蚀，表面主要为喷涂时形成的Al和Si的氧化物，且比较致密和光滑，有效地阻挡了土壤中的水和离子渗透到涂层中，因此AlSi涂层的耐土壤腐蚀性最好；NiAl涂层表面较疏松，表蚀产物中有Fe元素，表明已经开始锈蚀，且腐蚀产物主要为Ni，Al，Fe氧化物，主要是由于涂层表面疏松，土壤中的水及离子容易进入涂层内部；不锈钢涂层与NiAl涂层类似，涂层疏松，因此也轻微腐蚀，腐蚀产物主要为Ni，Cr，Fe氧化物。

表7 变电站6个月后的埋片样品的腐蚀速率 g· (dm2a)－1

表8 图6方框区域EDS分析结果%

3 结论

1)纯Al涂层、AlSi涂层、NiAl涂层和316L不锈钢涂层可以显著提高Q235钢的耐蚀性。

2)电化学实验和变电站埋片结果表明，AlSi涂层具有最好的耐土壤腐蚀性，其次是NiAl涂层和不锈钢涂层，而纯铝涂层长时间埋地容易鼓泡，耐土壤腐蚀性不佳。

3)AlSi涂层表面形成了致密和光滑的Al，Si氧化物，有效地阻挡了土壤中的水和离子渗透到涂层中，从而显著提高了涂层的耐土壤腐蚀性，而纯Al，NiAl、不锈钢涂层表面疏松多孔，因而耐腐蚀性较差。

〔1〕何金良，曾嵘.电力系统接地技术 〔M〕.北京:科学出版社，2007.

〔2〕周佩朋，王森，李志忠，等.耐蚀性金属接地材料研究综述〔J〕.电力建设，2010，31(8):50-54.

〔3〕陈建生，项昌富，黄显力.电力接地网用导电防腐涂料 〔J〕.中国电力，1997(11):63-66.

〔4〕潘应君，张恒，黄宁.热喷涂Zn－15%Al合金的耐蚀性研究〔J〕.腐蚀与防护，2002(12):526-528.

〔5〕林碧兰，路新瀛，李龙.几种电弧喷涂金属涂层在酸性土壤模拟液中的腐蚀行为 〔J〕.材料科学与工艺，2010，18(5): 729-734.

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〔8〕银耀德.全国土壤腐蚀试验网站资料选编 (第二集)〔M〕.上海:上海交通大学出版社，1992.

Investigation of corrosion property of four kinds of coating in the transformer substation soil

XU Song，FENG Bin，HE Tiexiang
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

Pure Al coating，AlSi alloy coating，NiAl alloy coating and 316L stainless steel coating were prepared on the Q235 steel by arc spraying technology.The corrosion of the four sprayed alloy coatings in the 220 kV transformer substation soil and soil solution was studied by buried specimens and electrochemical test in Hunan.The corrosion behaviors of the coating steel samples in transformer substation soil solution were investigated by line polarization，potentiodynamic polarization and electrochemical impedance spectroscopy(EIS)tests.The macrography and corrosion products were carried out scanning electron microscopy(SEM)and electron diffraction spectra(EDS).The results show that the best corrosion resistance of the four sprayed alloy coatings was AlSi coating，sequentially in the order of NiAl and stainless steel coating，and the Al coating was easy bouffant in a long time in the underground，so that the corrosion resistance is not good.

alloy coating；soil corrosion；electrochemical corrosion；arc spraying

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.04.009

TM621.8

B

1008-0198(2015)04-0036-05

徐松(1981)，男，湖北孝感人，工程师，博士，主要从事电力系统化学、腐蚀与防护技术等工作。

2015-06-16

国家电网公司总部科技项目 (KG12K16004)；国网湖南省电力公司电力科学研究院科技项目 (5116AA110005)