钢质接地材料电偶加速腐蚀评价方法

周　蜜，王建国，张　予，胡丹辉，樊亚东，蔡　力

(1. 武汉大学 电气工程学院， 武汉 430072； 2. 国网湖北省电力公司电力科学研究院， 武汉 430077)



钢质接地材料电偶加速腐蚀评价方法

周蜜1，王建国1，张予2，胡丹辉2，樊亚东1，蔡力1

(1. 武汉大学 电气工程学院， 武汉 430072； 2. 国网湖北省电力公司电力科学研究院， 武汉 430077)

开展接地材料腐蚀特性评价技术研究有助于了解钢质接地网土壤中的腐蚀规律和特性，有利于材料合理选材和截面选择。开展了镀锌钢接地材料电偶加速腐蚀评价方法的研究。结果表明，镀锌钢-黄铜电偶对金属间的电位差、金属电极的极化行为、阴阳极面积比等是影响腐蚀实验结果的关键因素。电偶作用阴阳极间距与镀锌钢材料腐蚀量近似呈线性关系。随阴阳极面积比的增大，镀锌钢接地材料的电偶腐蚀明显加剧。电偶加速腐蚀实验结果受含水量的变化的影响非常显著，非含水饱和土壤中电偶腐蚀率高于含水饱和土壤。镀锌钢接地材料电偶腐蚀定量评价应固定电极材料、阴阳极间距、阴阳极面积比等关键试验参数，电偶加速腐蚀试验不宜在非含水饱和土壤中进行。

镀锌钢；黄铜；土壤；加速腐蚀；电偶腐蚀

0　引　言

接地网安全是电力系统安全可靠运行的重要保障。我国电力系统接地网材料主要为钢质材料，普遍采用热镀锌方式提高接地网耐蚀性能。GB50169及DL/T621要求接地装置的防腐蚀设计宜按当地的腐蚀数据进行，使接地装置的设计使用年限与地面工程的设计使用年限相当，而实际工作中往往缺乏系统的当地腐蚀数据[1-4]。

金属材料腐蚀性评价有利于材料合理选材和截面选择。通过野外埋设试验测量金属材料在土壤中腐蚀速度是金属材料腐蚀研究的传统方法[5-8]，我国材料腐蚀试验网站等科研基础观测平台一直在开展不同环境下不同材料的埋样试验。受试验站分布、较长的埋样时间及埋样数量的限制，试验数据有待进一步积累。

实验室模拟腐蚀试验具有试验条件易于控制、试验时间相对较短等优点[9]，但存在将电化学方法测定的腐蚀速度与来自实际的腐蚀检测方法得到的腐蚀数据(如质量损失检测)联系起来的问题。如何从短期的加速腐蚀试验结果预测材料在土壤环境中长期腐蚀速度是近年研究热点。

两种或两种以上金属在电解质溶液中，或同种金属在不同状态或不同组成电解质溶液中，直接接触或通过金属导体连接构成回路，就构成了电偶电池。电偶对中腐蚀电位较负的金属成为电偶对中的阳极而被加速腐蚀，而电偶对中腐蚀电位较正的金属成为电偶对中的阴极而得到保护。土壤电偶加速腐蚀试验利用阳极金属和阴极金属电偶对在土壤中的短接，组成电偶腐蚀电池，加大阳极试片在土壤介质中的腐蚀速度。

电偶对之间的距离和面积比等对电偶对腐蚀行为有重要的影响。Arya和Vassie[10]在研究3%NaCl溶液中电偶对之间距离对电偶电流密度的影响时，发现在给定阴阳极面积比的条件下，电偶对间距对电偶电流密度有明显影响。Song等[11]在对AZ91D镁合金分别与铝合金、铁、锌之间的电偶腐蚀行为的研究中，也发现电偶电流密度与阴阳极接触处距离密切相关。当阳极面积不变时，随着阴极面积的增大，阴极电流增加，阳极金属的腐蚀速度会加快。张艳成等[12]曾研究3.5%NaCl溶液中带锈铸铁和304不锈钢之间的电偶腐蚀效应，显示随着面积比增大电偶腐蚀效应会增大。在土壤中开展的钢质材料电偶加速腐蚀试验报道不多[13]。Escalante[14]发现彼此分开30cm，埋在深度为0.8m的锌/不锈钢电偶对中，电偶电流能反映整个埋设过程中土壤环境以及电极表面的变化。

针对我国电力系统使用最广泛的热镀锌钢接地材料，开展接地材料腐蚀特性和评价技术研究，有助于了解和掌握钢质接地材料在土壤中的腐蚀规律和特性，并针对实际工程应用需求开展性能评价和腐蚀定量校核，可以为接地工程的合理选材、正确用材、防腐措施以及标准规范的制定提供科学依据。本文开展了镀锌钢接地材料电偶加速腐蚀评价方法的研究，针对评价方法中电极材料、阴阳极间距、阴阳极面积比、土壤含水量等关键因素对加速腐蚀试验结果的影响，开展了系统研究。

1　实　验

电偶加速腐蚀中阴极材料选用黄铜，其化学成分Cu为67%，Pb为0.03%，P为0.01%，Fe为0.1%，Sb为0.005%，Bi为0.005%，杂质<0.3%，余量为Zn。阳极材料为待研究镀锌钢材料，尺寸为10mm×10mm×6mm，热镀锌层厚度为89μm，钢基体化学成分C为0.13%，Si为0.19%，Mn为0.45%，P为0.02%，S为0.034%，Pb为0.005%，余量为Fe。钢基体密度7.85g/cm3，屈服强度335N/mm2，抗拉强度460N/mm2。

设计阴阳极面积比为1∶1，2∶1，5∶1，10∶1，20∶1和30∶1的电偶对，制作阴极黄铜的尺寸依次为10mm×10mm×6mm，20mm×10mm×6mm，25mm×20mm×6mm，50mm×20mm×6mm，50mm×40mm×6mm，60mm×50mm×6mm，黄铜工作面采用400#水砂纸打磨去除氧化层。阴阳极材料背面焊接带绝缘护套铜导线，非工作面均采用环氧树脂封装。试验中使用了两种土样，其基本性质见表1所示。

表1　土样性质

注：*为质量含水量，以下同。

采用三电极体系，黄铜片和镀锌钢片为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，电解池容积为1 000mL，采用恒温水浴锅控制试验体系温度恒定为25 ℃。实验过程中，采用ZRA电偶腐蚀计分别记录黄铜和镀锌钢试样的电偶电位Eg(耦合金属在土壤中的腐蚀电位)和电偶电流Ig(流过阳极和阴极的连接导线中的电流)，最短测量至600h直至数据稳定。

根据法拉第定律，阳极每溶解1mol的金属，需通过nF库伦的电量(n为电极反应方程式中的得失电子数；F为法拉第常数，96 500C/mol)。若电流强度为I，通电时间为t，则通过的电荷量为It。如果金属的原子量为M，则阳极所溶解的金属量Δm为

(1)

根据式(1)，电偶对中阳极腐蚀量将与流过电偶对的电荷量成正比。

2　结果与讨论

2.1阴阳极间距影响

以表1土样1为研究对象，采用电导率低于3μS/cm的去离子水将土壤配制成含水饱和状态，此时土壤颗粒间所有孔隙都充满水分，土壤表面被1层水膜覆盖，含水量略>45%。固定阴阳极面积比为20∶1，控制阴阳极间距依次为2，4，6，8，10，12cm。投入电偶前的开路状态下，测量阳极镀锌钢土壤中的腐蚀电位分别为-1.032，-1.066，-1.056，-1.003和-1.044V，阴极黄铜分别为-0.028，-0.016，-0.020，-0.012，-0.014和-0.051V。同种金属在同一含水饱和土壤中的腐蚀电位略有差异，这与各自电极表面的微观状况有关。

电偶投入后的前1 000s内，观察到不同阴阳极间距的含水饱和土壤中电偶对电偶电流及电偶电位变化见图1所示。

图1电偶对投入时不同阴阳极间距的含水饱和土壤1中电偶对电偶电流及电偶电位变化

Fig1Influenceofthedistancebetweenanodeandcathodeongalvaniccurrentandgalvanicpotentialofthegalvaniccoupleinthewater-saturatedsoilintheinitial1 000s

当电偶对刚投入时，电偶电流维持在数百μA量级，但随时间增加，电偶电流开始迅速衰减变小。电偶对的电偶电位也逐渐由铜的腐蚀电位方向，逐渐向镀锌钢的腐蚀电位方向偏移而发生负移。间距为10cm的电偶对的电偶电流分别在前200，400，500s内高于间距为4，6和8cm电偶对的电偶电流，但500s后，电偶电流下降至图1(a)中5条曲线最低。就总体趋势而言，在给定阴阳极面积比条件下，电偶对间距越大，电偶电流越小，电偶电位负移越快。

图2为600h内，不同阴阳极间距的含水饱和土壤中电偶对电偶电流及电偶电位变化。全过程中电偶电流逐渐减小，大约在400h时，电偶电流稳定在一较小水平处(数μA量级)。电偶电位与电偶电流的变化曲线恰好相反，电偶电位虽有波动，但试验过程中整体发生正移，这是因为随腐蚀进行，金属电极表面不断覆盖腐蚀产物，导致电极表面发生变化，直接影响阴极和阳极金属的极化状态，通过耦合电位的变化影响了耦合电流的大小。图3为600h内不同阴阳极间距的电偶对流过的电荷量，随阴阳极间距的减小，因电偶作用导致镀锌钢材料腐蚀量近似呈线性关系增大。

图2600h内不同阴阳极间距的含水饱和土壤1中电偶对电偶电流及电偶电位变化

Fig2Influenceofthedistancebetweenanodeandcathodeongalvaniccurrentandgalvanicpotentialofthegalvaniccoupleinthewater-saturatedsoilduringthe600hprocess

图3600h不同阴阳极间距黄铜-镀锌钢电偶对流过电荷量

Fig3Influenceofthedistancebetweenanodeandcathodeonthechargetransferthroughthegalvaniccoupleofthegalvanizedsteelandbrassin600h

2.2阴阳极面积比影响

以土样2作为研究对象，配制含水量为饱和状态(含水量略>40%)，阴阳极间距固定为10cm。600h内，阴阳极面积比依次为30∶1，20∶1，10∶1，5∶1，2∶1和1∶1的黄铜-镀锌钢电偶对电偶电流及电偶电位变化见图4所示。随着电偶中阴极对阳极面积的比率增加，电偶电流逐渐增加，因此阳极腐蚀电流密度增大。随着试验进行，电偶电流逐渐减小，500h后降到最低值并达到相对稳定，此时电偶电流均不超过5μA。图5为不同阴阳极面积比下黄铜-镀锌钢电偶对流过的电荷量，随阴阳极面积比增加，镀锌钢材料腐蚀量显著增大。

图4600h不同阴阳极面积比的含水饱和土壤中电偶对电偶电流及电偶电位变化

Fig4Influenceofthearearatioofcathodetoanodeongalvaniccurrentandgalvanicpotentialofthegalvaniccoupleinthewater-saturatedsoilduringthe600hprocess

图5600h不同阴阳极面积比黄铜-镀锌钢电偶对电荷量

Fig5Influenceofthearearatioofcathodetoanodeonthechargetransferthroughthegalvaniccoupleofthegalvanizedsteelandbrassin600h

2.3土壤含水量影响

选取土样1作为研究对象，配制含水量依次为10%，15%，20%，25%，30%以及含水饱和，固定阴阳极面积比为20∶1，研究含水量对电偶腐蚀行为的影响。实验过程中通过监测重量的方式不断补水以维持含水量稳定。

电偶投入后的前1 000s内，不同含水量的土样1中电偶对电偶电流及电偶电位变化见图6。与图1对比可以发现，非含水饱和土壤中，电偶对刚投入时电偶电流仅维持在数十μA量级，随时间增加，电偶电流未出现迅速衰减变小的现象。电偶对的电偶电位除在刚开始几秒内出现小幅波动外，其后基本维持不变。图6中含水饱和土壤中电偶对的电偶电流及电偶电位变化剧烈，与图1中现象较为一致。1 000s内，6种不同含水量土壤中，电偶对电偶电流的大小关系为含水饱和≫含水量30%>含水量25%>含水量15%>含水量20%>含水量10%。

图6电偶对刚投入时不同含水量的土样1电偶对电偶电流及电偶电位变化

Fig6Influenceofwatercontentongalvaniccurrentandgalvanicpotentialofthegalvaniccoupleinsoilsample1intheinitial1 000s

图7为600h内，不同含水量的土样1中电偶对电偶电流及电偶电位变化，随时间增加，电偶对中电偶电流逐渐减小，大约300h后，电偶电流逐渐稳定，其中非饱和土壤中未发现电偶电流类似饱和土壤中会出现稳定的、接近于0的情况。对于电偶电位，非饱和土壤在一定范围内波动，但未呈现整体负移或正移现象，而含水饱和土壤仍呈现出图2或图4中的电偶电位正移现象。因电偶作用导致阳极镀锌钢的溶解量为含水量25%(60.3C)>含水量30%(49.5C)>含水量15%(25.5C)>含水量20%(23.4C)>含水饱和土壤(18.3C)>含水量10%(8.0C)，总体趋势是随含水量增加，电偶腐蚀先增强后又逐渐减弱。

在土样1中未发现含水量与电偶腐蚀之间出现清晰的规律，因此又以土样2作为研究对象，进一步分析土壤含水量对电偶腐蚀行为的影响，试验过程中记录的黄铜-镀锌钢电偶对电偶电流以及电偶电位变化见图8。含水量为30%的土样相比其它含水量土壤的电偶电流变化较为特殊，其维持较高的电偶电流(50μA以上)大约100h。

图7600h不同含水量的土样1中电偶对电偶电流及电偶电位变化

Fig7Influenceofwatercontentongalvaniccurrentandgalvanicpotentialofthegalvaniccoupleinsoilsample1duringthe600hprocess

图8600h不同含水量土样2中电偶对电偶电流及电偶电位变化

Fig8Influenceofwatercontentongalvaniccurrentandgalvanicpotentialofthegalvaniccoupleinsoilsample2duringthe600hprocess

相比含水饱和情况，非含水饱和土壤中未发现电偶电流出现稳定的接近于0的情况，大致于200h后，电偶电流趋于稳定。电偶电位随开始时电偶电流的下降而小幅度上升，整体逐渐趋于稳定值，也未见明显正移或负移现象。600h后，非饱和土壤中黄铜-镀锌钢电偶对电偶电流仍维持在某一较高水平。土样2因电偶作用导致阳极镀锌钢的溶解量为含水量30%(71.7C)>含水量15%(68.2C)>含水量25%(58.4C)>含水量20%(35.9C)>含水饱和土壤(27.0C)>含水量10%(23.4C)。

通过在土样1和2中研究含水量对电偶加速腐蚀试验的影响研究，可以看出，含水量的变化显著影响电偶加速腐蚀量。含水量对电偶加速腐蚀试验结果的影响较为复杂，两者之间不存在简单的关系。

600h后取出含水饱和土样2的镀锌钢试样，采用荷兰DEI公司Sirion200场发射扫描电子显微镜对腐蚀产物进行形貌分析，图9为典型SEM照片。经电偶加速腐蚀形成的腐蚀产物膜不致密，且存在裂缝，对基体的保护性很差，土壤中腐蚀性离子可以通过裂缝渗入基体表面发生反应而形成腐蚀。

图9600h后电偶加速腐蚀后含水饱和土样2中镀锌钢试样腐蚀产物SEM图

Fig9SEMimageshowingthecorrosionlayerofgalvanizedsteelafterthe600hgalvaniccorrosioninsaturatedsoilsample2

4　结　论

(1)镀锌钢-黄铜电偶对金属间的电位差、金属电极的极化行为、阴阳极面积比和电偶电路中的内阻、外阻等是影响腐蚀试验结果关键因素。电偶作用阴阳极间距与镀锌钢材料腐蚀量近似呈线性关系。随阴阳极面积比的增大，镀锌钢接地材料的电偶腐蚀明显加剧。

(2)电偶加速腐蚀实验结果受含水量的变化的影响非常显著，非含水饱和土壤中电偶腐蚀率高于含水饱和土壤。鉴于在数百小时的长试验时间内保持含水量稳定的困难，电偶加速腐蚀试验不宜在非含水饱和土壤中进行。

(3)镀锌钢接地材料电偶腐蚀定量评价应固定电极材料、阴阳极间距、阴阳极面积比等关键试验参数。

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Acceleratedgalvaniccorrosionevaluationmethodofgalvanizedsteelgroundingmaterial

ZHOUMi1，WANGJianguo1，ZHANGYu2，HUDanhui2，FANYadong1，CAILi1

(1.SchoolofElectricalEngineering，WuhanUniversity，Wuhan430072，China；2.ElectricPowerResearchInstitute，StateGridHubeiElectricPowerCompany，Wuhan430072，China)

Corrosioncharacteristicevaluationtechnology,asanaidedtooltostudysoilcorrosionofgroundingmaterials,isofimportancetoselectionofmaterialtypeanddesignofcrosssection.Acceleratedgalvaniccorrosiontestinsoil,withthegalvaniccoupleofthegalvanizedsteel(anode)andbrass(cathode),wasconductedinthispaper.Resultsshowthatthekeyfactorsofgalvaniccorrosionincludethepotentialdifferencebetweenanodeandcathode,thepolarizationbehaviorofthegalvaniccouple,andthearearatioofcathodetoanode,etc.Aroughlylinearincreaseincorrosionwasobservedasthedistanceofcoupledecreased.Withtheincreaseofthearearatioofcathodetoanode,thegalvaniccorrosionratewasobviouslyaccelerated.Thewaterinsoilexerteddominantcontrolovergalvaniccorrosionand,generally,thecorrosionrateofgalvaniccoupleinwater-saturatedsoilwaslargerthanthatinnon-saturatedsoil.Therefore,concerningthequantitativeevaluationofgalvanizedsteelcorrosioninsoilusingtheacceleratedgalvaniccorrosionmethod,theelectrodematerialtype,thegalvaniccoupledistance,andthearearatioofelectrodes,etc.,shouldbefixed.Acceleratedgalvaniccorrosiontestisnotsuitabletobecarriedoutinnon-saturatedsoil.

galvanizedsteel;brass;soil;acceleratedcorrosion;galvaniccorrosion

1001-9731(2016)08-08191-05

国家电网公司指南项目《重工业污染区输电线路杆塔和接地网腐蚀防治技术研究与示范》(GY71-12-006)

2015-07-10

2015-09-11 通讯作者：王建国，E-mail:wjg@whu.edu.cn

周蜜(1986-)，男，湖北鄂州人，博士，副教授，主要从事雷电防护与接地技术研究。

TM241;TB31

ADOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.08.034