Q235碳钢在红壤中的腐蚀行为

裴 锋,田 野,刘 平,田 旭

(1. 国网江西省电力科学研究院，南昌 330096； 2. 长沙理工大学 化学与生物工程学院，长沙 410014)



Q235碳钢在红壤中的腐蚀行为

裴 锋1,田 野2,刘 平1,田 旭1

(1. 国网江西省电力科学研究院，南昌 330096； 2. 长沙理工大学 化学与生物工程学院，长沙 410014)

采用扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)和X射线衍射(XRD)等技术对在红壤中服役多年的变电站接地网Q235碳钢进行了形貌观察和腐蚀产物分析，并通过电化学和模拟加速腐蚀试验对比研究了Q235碳钢在红壤中的腐蚀行为。结果表明：接地网材料表面形成的腐蚀产物主要是铁的氧化物，主要有Fe2O3、Fe3O4、FeOOH，并且Cl元素的存在会加剧Q235碳钢材料的腐蚀；当土壤含水率为20%(质量分数,下同)时，Q235碳钢在红壤中腐蚀速率最大，Q235碳钢的腐蚀电流密度随Cl-与SO42-的变化规律基本一致，都是先增大后减小，并且可划分为3个区间；Q235碳钢在红壤中的腐蚀速率随着试验时间的延长呈现先降低后小幅升高的趋势，该加速腐蚀试验，没有改变Q235碳钢在红壤中的腐蚀机理，且与现场有较好的相关性。

接地网；Q235碳钢；红壤；电化学；加速腐蚀

电力系统的接地网是保障电网设备安全稳定运行的诸多环节之一，满足了电力系统工作、防雷、安全的需要[1]，因而保证接地网自身的安全和完好是当前电力系统研究工作的重点之一。土壤是一个由气、液、固三相物质构成的多介质胶质体。接地网的腐蚀源于材料在腐蚀性土壤环境中的电化学腐蚀以及电网设备运行中的泄流电流造成的腐蚀[2]。由于经济成本及历史条件限制等原因，我国变电站接地网材质普遍使用碳钢而非耐蚀性好的铜材。谭铮辉等[3]对接地扁钢在土壤中的腐蚀行为进行研究。红壤主要分布在我国南方，目前还没有关于Q235碳钢在红壤中长期服役后的腐蚀类型及机理的相关研究，对红壤中接地网材料腐蚀特性研究也较少[4-6]。

本工作通过对红壤现场开挖的Q235碳钢进行腐蚀机理研究，并通过电化学和模拟加速腐蚀试验对比研究了Q235碳钢在红壤中的腐蚀行为，为红壤区新建变电站选址、接地材料选用、在役变电站接地网腐蚀评估提供依据，对红壤中变电站接地网的安全、稳定运行具有重要的参考价值。

1　试验

从南方某变电站A现场开挖取得服役多年的接地网材料和接地网层土壤样品，取样深度为0.8 m。采用扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)和X射线衍射(XRD)等技术对在红壤中服役多年的变电站接地网Q235碳钢进行了腐蚀形貌分析和腐蚀产物分析。

将土壤样品置于105 ℃下烘4 h，粉碎，过筛(20目，0.5～1.0 mm)，得到烘干后的原始土样。通过改变土壤的含水率、Cl-含量以及SO42-含量进行单因子分析。其中，含水率(质量分数)为5%～30%，采用醋酸(CH3COOH)和氢氧化钠(NaOH)调节pH。通过NaCl调节Cl-含量，使其质量分数分别为0.005%、0.02%、0.1%、0.5%、1%、1.5%、1.8%、2%、2.5%、3%；通过Na2SO4调节SO42-含量，使其质量分数分别为0.01%、0.05%、0.25%、0.5%、1%、2%、5%。

电化学试验采用三电极体系，在普林斯顿P4000电化学工作站上进行。工作电极选用Q235试片(尺寸为40 mm×25 mm×0.4 mm)，辅助电极为铂电极，参比电极为银/氯化银电极，工作电极与辅助电极平行埋入土壤，相距2 mm。测试Tafel曲线时，测试温度为常温，扫描范围为开路电位正负200 mV，扫描速率为0.3 mV/s，测试完成后再由软件拟合得到Q235碳钢在红壤中的腐蚀电流密度和腐蚀电位。

室内腐蚀加速试验选用尺寸为40 mm×13 mm×2 mm的Q235碳钢试片，土壤为变电站A接地网层土壤。试验前，用丙酮、无水乙醇、去离子水清洗试片，并用冷风吹干，放入干燥器冷却，称量待用。采用腐蚀加速试验箱控制试验温度为60 ℃，控制含水率为变电站原有含水率，试验时间为30、60、90 d。试验结束后，将试片表面的土壤清除干净，采用SEM、EDS、XRD观察腐蚀形貌并分析腐蚀产物。然后按ISO 8407-2009《金属和合金的腐蚀——腐蚀试样上腐蚀产物的清除》清除试片表面腐蚀产物，再对每个试片进行称量，并根据试片腐蚀前后质量差计算腐蚀速率。

2　结果与讨论

2.1现场腐蚀产物分析

由图1可以看出，Q235碳钢表面形成的腐蚀产物主要是铁的氧化物，有Fe2O3、Fe3O4、FeOOH；由于土壤粘附，腐蚀产物与土壤结合紧密，因此XRD分析结果中出现的CaCO3是土壤成分。

从图2可以看出，服役多年后，Q235碳钢表面完全被腐蚀产物层覆盖，从截面形貌可见，腐蚀产物为多层结构。图3为Q235碳钢表面腐蚀产物的EDS谱。由图3可见，腐蚀产物中除了铁、氧之外，还有氯元素，氯元素的存在会加剧碳钢材料的腐蚀效应。

2.2室内电化学试验

2.2.1 含水率对Q235碳钢腐蚀速率的影响

Q235在不同含水率土壤中的Tafel曲线如图4所示，根据Tafel曲线进行拟合，得到对应的腐蚀电位和腐蚀电流密度，如图5所示。从图5中可以看出，在土壤含水率从5%增大到30%的过程中，腐蚀电位逐渐降低，腐蚀电流密度则先增大后减小，在含水率为20%时达到最大值，因此当含水率为20%时，Q235碳钢在土壤中腐蚀速率最大。这主要是由于金属的腐蚀同时受土壤电阻率和土壤溶氧量的影响。土壤含水率为5%～20%时，腐蚀速率主要受到土壤电阻率的影响，而含水率对土壤电阻率起到了决定作用，因此腐蚀电流密度随含水率的提高逐渐上升；而当土壤含水率超过20%时，土壤的电阻率变化不大，此时溶氧量的影响占主导，而土壤溶氧量随着土壤含水率的提高而下降，腐蚀电流密度也相应地下降。

2.2.2 腐蚀性离子含量对Q235碳钢腐蚀速率的影响

当土壤含水率为20%，pH为7时，Q235碳钢在含不同量Cl-与SO42-土壤中的腐蚀电流密度如图6所示。将图6分为三个区间：区间1、区间2、区间3。

在区间1中，Cl-与SO42-的质量分数为0～0.5%，此时腐蚀电流密度随离子含量的增加而增大，而且两条曲线的斜率基本一致，这说明在区间1内，腐蚀电流密度的大小主要是由电解质的含量控制。试验采用的土壤为江西省内红壤，其本身的离子含量低、电阻率较高，当Cl-与SO42-含量不高时，其腐蚀速率主要受到土壤电阻率的影响，随着Cl-与SO42-含量的升高，土壤的电阻率降低，促进了腐蚀的发生。

在区间2中，Cl-和SO42-质量分数为0.5%～2.0%，腐蚀电流密度随着离子含量的增加而降低，这是因为当土壤中Cl-与SO42-含量继续升高时，使得土壤水分中的溶氧量减少，从而降低了腐蚀速率；另外，在腐蚀中形成的腐蚀产物覆盖在基体金属上，这也在一定程度上阻碍了氧及Cl-与SO42-的传质过程。在这个过程中，相对于SO42-，Q235碳钢腐蚀电流密度随Cl-含量的增加而降低的速率比较缓慢，而且其腐蚀电流密度也远高于含SO42-土壤中Q235碳钢的腐蚀电流密度。这主要是因为Cl-对金属材料的钝性破坏很大，它能够渗透金属腐蚀层，与钢铁反应生成可溶性腐蚀产物，促进土壤腐蚀的阳极过程，并且能够破坏腐蚀产物膜，促进点蚀和其他局部腐蚀的发生。

在区间3中，Cl-与SO42-质量分数为2.0%～5.0%，腐蚀电流密度随着离子含量的增加继续降低，两条曲线的斜率也逐渐接近。这可能是由于当离子质量分数大于2.0%时，溶氧量对腐蚀起到了决定作用，从而无论是在含Cl-还是SO42-的土壤中，Q235碳钢的腐蚀电流密度都大幅度下降，从而掩盖了这两种离子本身对腐蚀电流密度的影响。

2.3室内腐蚀加速试验

由图7可见，在加速时间段内,随着时间的延长，Q235碳钢的腐蚀质量损失逐渐增大，而腐蚀速率呈先降低后小幅度升高的趋势。当腐蚀发生时，试片表面形成了氧化膜，减缓了腐蚀反应的进行，所以腐蚀速率下降；但部分氧化膜的脱落或者被破坏，又导致腐蚀加剧，故腐蚀速率又小幅上升。

由图8可以看出，经过加速腐蚀试验，Q235碳钢表面形成的腐蚀产物主要是铁的氧化物，有Fe2O3、Fe3O4、FeOOH，这与变电站接地材料的实际腐蚀状况一致。由图9和图10可以看出，Q235碳钢表面形成了腐蚀产物层，腐蚀产物有部分土壤粘附，与现场开挖的情况较为一致，该腐蚀产物能谱分析结果与现场实际腐蚀产物的能谱分析结果一致，进一步说明了该腐蚀加速方式没有改变Q235碳钢在红壤中的腐蚀机理。

计算可知，变电站A接地网实际服役腐蚀速率为5.17 g/(dm2·a)，在加速腐蚀试验中，平均腐蚀速率为27.97 g/(dm2·a)，加速比为5.41，加速效果较好。此外，相关性分析发现，二者的相关性系数达到0.88，表明该加速腐蚀试验与现场有较好的相关性。

3　结论

(1) 该地红壤中变电站A接地网材料的腐蚀产物主要为Fe2O3、Fe3O4、FeOOH。

(2) 当含水率为20%时，Q235碳钢在土壤中腐蚀速率最大；Q235碳钢腐蚀电流随Cl-与SO42-含量的变化规律基本一致，都是先增大后减小，并且可划分为三个区间。

(3) 室内加速试验表明，Q235碳钢在红壤中的腐蚀速率随着试验时间的增加呈现先降低后小幅度升高的趋势。

(4) 本次加速腐蚀试验，没有改变Q235碳钢在红壤中的腐蚀机理，且与现场有较好的相关性。

[1]朱志平，王磊静，裴锋,等. 因子分析法在变电站土壤腐蚀性评价中的应用[J]. 中国腐蚀与防护学报，2014，34(2)：147-152.

[2]朱志平，马骁，荆玲,等. 变电站土壤腐蚀性评价及接地网金属腐蚀特性分析[J]. 电磁避雷器，2009(4)：18-22.

[3]谭铮辉，朱志平，裴锋,等. 直流杂散电流对不同含水率土壤中接地网材料腐蚀特性的影响[J]. 腐蚀科学与防护技术，2013，25(3)：207-212.

[4]王磊静，徐松，朱志平,等. 红壤中变电站接地网金属材料的腐蚀行为分析[J]. 腐蚀科学与防护技术，2015，27(1)：59-63.

[5]闫爱军，陈沂，冯拉俊． 几种接地网材料在土壤中的腐蚀特性研究[J]． 腐蚀科学与防护技术，2010，22(3)：197-199.

[6]尹桂勤，张莉华，常守文,等． 土壤腐蚀研究方法概述[J]． 腐蚀科学与防护技术，2004，16(6)：367-370.

Corrosion Behavior of Q235 Carbon Steel in Red Soil

PEI Feng1, TIAN Ye2, LIU Ping1, TIAN Xu1

(1. Jiangxi Electric Power Research Institute, Nanchang 330096, China;2. School of Chemical and Biological Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410014, China)

Morphology and corrosion product of Q235 carbon steel used for many years in substation grounding grid in red soil were studied by scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS) and X-ray diffraction (XRD). The results show that corrosion products on the grounding grid surface were mainly composed of iron oxides including Fe2O3, Fe3O4, FeOOH. And the existence of Cl-could accelerate the corrosion of Q235 carbon steel. The largest corrosion rate of Q235 carbon steel was achieved when the water content was wt20%, and the corrosion current density of Q235 carbon steel had same tendency with the increase of content of Cl-and SO42-, showing increase first and then decrease, and it can be divided into three intervals. The corrosion rate of Q235 carbon steel in red soil presented the tendency of first decrease and then increase in small range with the increase of experimental time. The corrosion mechanism of Q235 carbon steel in red soil did not change in the accelerated corrosion experiment which had a good correlation with the corrosion in worksite.

grounding grid; Q235 carbon steel; red soil; electrochemistry; accelerated corrosion

10.11973/fsyfh-201609005

2015-06-02

江西省变电站接地网腐蚀性评价方法研究项目(201250606)

田 野(1991-)，硕士，主要从事电网腐蚀、动力电池等研究，15200878731，273876878@qq.com

TG172.4

A

1005-748X(2016)09-0715-05