Q235扁钢接地材料杂散电流腐蚀行为研究

祝郦伟，杨丙坤，刘敏，胡家秀，3，钱洲亥

(1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，浙江 杭州 310006；2.中国科学院 金属研究所，辽宁 沈阳 110016；3.国家金属腐蚀控制工程技术研究中心，辽宁 沈阳 110016)



Q235扁钢接地材料杂散电流腐蚀行为研究

祝郦伟1，杨丙坤2，刘敏1，胡家秀2，3，钱洲亥1

(1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，浙江 杭州 310006；2.中国科学院 金属研究所，辽宁 沈阳 110016；3.国家金属腐蚀控制工程技术研究中心，辽宁 沈阳 110016)

针对接地网服役过程中的杂散电流腐蚀问题，在模拟交、直流杂散电流干扰条件下，研究了Q235扁钢接地材料的腐蚀行为，利用扫描电镜(SEM)和X线衍射(XRD)等方法研究了材料的腐蚀形貌及腐蚀产物，分析了材料的电位、电流变化规律及腐蚀失重.结果表明：杂散电流腐蚀具有集中腐蚀特征，腐蚀产物层疏松多孔，有明显裂纹、分层、脱落现象，对基体不具有保护作用，腐蚀产物主要成分为Fe3O4和Fe2O3；失重测量结果显示，杂散电流存在时Q235扁钢腐蚀速率会大大增加，同等电流密度下，直流杂散电流腐蚀速率约为交流杂散电流的18倍；杂散电流腐蚀具有明显的电解腐蚀特征，电流流入金属构件部位成为阴极而受到保护，相反电流流出的部位成为阳极而受到腐蚀.

Q235扁钢；杂散电流；腐蚀产物；腐蚀速率

接地金属材料的土壤腐蚀是引发变电站事故的重要原因.由于金属材料埋于地下，腐蚀情况隐蔽，开挖检修维护工作量大且费用高，会造成相应成本的增加[1].目前，有关接地金属材料土壤腐蚀快速评价方法已经做了很多研究，如陈坤汉等[2]采用土壤理化参数作为评价依据；翁永基等[3]利用交流阻抗技术研究沙漠接地材料的腐蚀行为；范璇等[4]通过对弱极化曲线数据处理得到材料腐蚀电流密度，依此评价土壤腐蚀速度，但尚不完善，没有形成判断土壤中金属材料腐蚀速度的统一标准规范.由于土壤是由固相、液相、气相组成的混合体系，成分复杂、不均匀，土壤腐蚀环境较大气和海水复杂得多，腐蚀因素呈现多元化[5-6].

除了土壤自身腐蚀因素外，土壤中杂散电流引起的腐蚀问题也受到国内外专家学者的关注，并进行了大量研究[7-15]，这对认识杂散电流腐蚀来源、机理、危害及防护有重要指导意义.土壤中的杂散电流主要有3种形态，分别为交流电流、直流电流和大地中的地电流，这3种形态各自具有不同的行为特点.但是对于埋地金属构件有明显腐蚀效果的是交流电流干扰和直流电流干扰[16].杂散电流腐蚀具有局部集中特点[17]，在短期内就可能形成穿孔事故.杂散电流腐蚀不仅造成金属构件的失效，直接造成工程事故和经济损失，而且间接会对周围的环境产生污染，造成环境损失.目前，对于杂散电流腐蚀的研究多集中在长距离输送管道、船舶工程、轨道交通等领域，接地材料的杂散电流腐蚀问题研究比较有限.电力输送分为高压直流输电和高压交流输电，二者都是以大地为回路，当电流流经接地网时，接地材料会在电流的作用下发生严重的电解腐蚀，且频率越低，电解腐蚀越严重[18].变电站接地网存在严重杂散电流腐蚀倾向，对其进行研究对变电站安全运行具有重大意义.

因此，本文通过模拟直流、交流杂散电流干扰下Q235扁钢接地材料的土壤腐蚀行为，分析腐蚀产物形貌、组成，研究Q235碳钢电化学参数变化规律，得出杂散电流腐蚀特点，为变电站接地网杂散电流腐蚀防护工作提供参考.

1 实验方法

实验土壤取自浙江省某110 kV变电站，取样深度0.7 m，相关离子参数见表1.土壤经自然干燥后，研磨并过0.3 mm筛筛分，筛下土壤于105 ℃下烘干6 h备用.根据实验要求，用去离子水将上述土样配制成含水率15.80%的土壤介质.实验所用金属基体材料为Q235钢，试片尺寸为20 mm×20 mm×3 mm，主要成分(质量分数，%)为：C 0.14，Si 1.41，Mn 0.44，P 0.015，S 0.031，Fe 余量.实验前，试片右上角钻一直径2 mm孔，试片用400#，600#，800#金相砂纸逐级打磨至镜面.后用蒸馏水冲洗，再用丙酮、无水乙醇清洗，吹风机吹干，最后用滤纸包好，放入干燥器内，24 h后用精度0.1 mg天平称重.将干燥后试片用绝缘防水胶带密封，试片正中平整处破坏密封胶带，漏出基体，破损面积为1 cm2.

表1 土壤离子参数

图1是自制土壤实验箱示意图，交直流恒流源分别采用沈阳君印科技JY3000精密交流电流源、北京亿良科技YL4012精密直流电流源，用于交、直流杂散电流的加载，实验加载干扰电流均为8 mA.将试片与镀铂钛电极埋入土壤试验箱中，回路串联一精密低电阻(R=1 Ω)，用精密微伏电压测试仪测量电阻两端电压，通过伏安法测试回路电流大小.用饱和甘汞电极作参比测量试片电位值.为保证实验过程中土壤含水量的恒定，定期称量试验箱质量，适时补充水分.实验周期为12 d.整个实验周期内土壤实验箱处于密封状态.

实验结束后，取出试片，去除表面附着土壤，用ESEM XL30 FEG环境扫描电镜(ESEM)对腐蚀产物形貌进行观察，利用电镜自带的能谱仪(EDS)以及X线衍射仪(XRD)分析腐蚀产物成分.试样除锈、干燥后，用精度0.1 mg的分析天平进行失重测量.

1 镀铂钛电极；2 交/直流恒流源；3 精密电阻；4 微伏计；5 试片；6 试片开孔处.图1 土壤实验箱示意图Fig.1 Schematic diagram of soil test chamber

2 结果与讨论

2.1 腐蚀形貌

图2是实验结束后试片宏观低倍SEM形貌图.观察试片表面形貌同时结合图2可知：自然状态(未加载直流、交流杂散电流)下(图2a)，腐蚀产物呈红棕色，片状分布且有连接长大趋势，逐步从局部腐蚀过渡到均匀腐蚀，腐蚀程度很小，试片表面划痕清晰可见；直流杂散电流从土壤流入试片处(图2b)，腐蚀产物几不可见，且试片裸露处仍有明显金属光泽，说明在直流干扰下发生的电化学腐蚀反应其作为阴极被保护，未受到腐蚀；直流杂散电流从试片流入土壤处(图2c)，试片表面有明显且较深腐蚀坑，腐蚀产物部分已脱落，总体呈疏松颗粒状，产物层有明显裂纹，腐蚀程度严重；交流杂散电流干扰下(图2d)，试片表面有腐蚀坑，但深度较直流条件下浅，腐蚀产物总体呈疏松细砂状，产物层有明显起皮、分层、脱落现象，与基体结合力差，腐蚀程度相对均匀.对比4张图可以发现：1)相对自然状态，杂散电流干扰会使Q235钢的腐蚀程度加重；2)直流杂散电流干扰下，作为阴极的部分会受到保护，腐蚀程度很弱，而作为阳极的部分则会发生强烈的电解腐蚀；3)交流

a.无杂散电流干扰；b.直流杂散电流流入处；c.直流杂散电流流出处；d.交流杂散电流干扰.图2 杂散电流腐蚀后试片表面宏观腐蚀形貌SEM像Fig.2 SEM images of the corroded samples’ surface macro topography

杂散电流干扰下，发生腐蚀反应的阴阳极随电流方向的周期性变化而周期性互换，使得整体腐蚀情况不存在单独的阴极部分和阳极部分，其腐蚀程度也弱于直流杂散电流干扰下阳极部分；4)杂散电流干扰下，Q235钢表面腐蚀产物疏松易脱落，与基体的结合力弱，基体转化为腐蚀产物时体积差的存在产生应力，导致腐蚀产物层产生裂纹，而腐蚀产物层中的孔洞和裂纹会成为腐蚀介质的通道，加速基体腐蚀[19].因此，腐蚀产物层对基体无保护作用，腐蚀情况会随干扰时间的延长而更加严重.

图3是实验结束后试片腐蚀产物表面放大后的高倍微观形貌SEM图.可以看出：在自然条件(无杂散电流干扰)下(图3a)，腐蚀产物呈颗粒状，与土壤颗粒胶着在一起，与基体结合力较强，不易脱落.直流杂散电流干扰下，电流从试片流入土壤处(图3c)发生严重电解腐蚀，腐蚀产物呈絮状，疏松易脱落，对基体不具有保护作用.交流杂散电流干扰下(图3d)，腐蚀产物呈细砂状，产物层较直流薄，疏松易脱落，对基体也不具保护作用.

通过观察腐蚀产物表面形貌可知，杂散电流干扰下，Q235钢表面腐蚀产物总体呈疏松状，有明显分层现象，易脱落，对基体无保护作用，因此，在持续杂散电流干扰下，Q235钢的腐蚀情况只能愈发严重.

a.无杂散电流干扰；b.直流杂散电流流入处；c.直流杂散电流流出入；d.交流杂散电流干扰.图3 杂散电流腐蚀后试片表面微观腐蚀形貌SEM像Fig.3 SEM images of the corroded samples’ surface micro topography

2.2 腐蚀产物组成分析

实验结束后取出试片，观察表面腐蚀形貌，腐蚀产物呈黑绿色，一段时间后被氧化变为红褐色，经EDS、XRD分析腐蚀产物成分，直流和交流杂散电流干扰下，金属材料腐蚀产物组成大致相同，主要为Fe3O4和Fe2O3[20].姜子涛等[11]研究交流电对Q235碳钢电位变化规律时，XRD分析结果显示腐蚀产物组成为Fe3+O(OH) 和Fe2O3；杜翠薇等[22]研究Q235钢在新加坡土壤环境中腐蚀行为时发现腐蚀产物组成为Fe3O4、Fe2O3、FeOOH和FeOCl.对于Q235碳钢杂散电流腐蚀产物成分，许多科研工作者做过类似XRD分析，由于土壤腐蚀介质自身性质的差异，对于腐蚀产物组成尚没有达成共识.杂散电流腐蚀机理同电解原理是一致的，电流流入金属构件部位成为阴极而受到保护，相反电流流出的部位成为阳极而受到腐蚀.阳极附近发生的化学反应为

Fe→Fe2++2e,

Fe2++2OH-→Fe(OH)2,

4Fe(OH)2+2H2O+O2→4Fe(OH)3.

当Fe被电解成离子态从阳极进入土壤后，即和土壤中的OH-离子生成氢氧化亚铁，然后再进一步被氧化成氢氧化铁——一种红褐色的疏松组织，脱水后变成铁的氧化物.

2.3 腐蚀失重结果

在相同实验周期内，分别在自然、直流干扰、交流干扰条件下进行2组平行实验，失重结果取二者平均值，换算成腐蚀速率，结果如表2所示.从表2可以看出：1)自然状态下，Q235碳钢的腐蚀速率为0.168 mm/a，说明在实验土壤中具有较差的耐蚀性；2)直流杂散电流流入金属构件处，金属处于阴极保护状态，腐蚀速率为0.028 mm/a，仅为自然状态下的1/6；3)直流杂散电流流出金属构件处，金属发生强烈阳极溶解反应，腐蚀严重，腐蚀速率高达10.30 mm/a，是自然状态下的61倍；4)交流杂散电流下，电流的方向随频率进行交替变化，金属试片表面无明确的进出点，2个试片均受到腐蚀，腐蚀速率是自然状态的3.3倍.

值得注意的是，失重结果显示，交流杂散电流腐蚀速率是直流的5.36%，这与许多文献[23-24]中指出的“交流杂散电流腐蚀的危害是直流杂散电流腐蚀的1%左右”不一致，但相关报道均未明确说明实验条件和实验操作细节，如是否同等电位或同等电流强度条件下，如何进行实验等.本文通过实验证实：在同等外加电流强度下，交流杂散电流腐蚀的危害是直流杂散电流腐蚀的5.36%，对充分认识交流、直流杂散电流腐蚀危害有很大的补充作用.在杂散电流干扰下，Q235钢表面形成疏松，易脱落的腐蚀产物，对基体不具有保护作用，同时其疏松多孔的特征反而会加速土壤中氧气的扩散，使腐蚀加重，强烈的电解作用和疏松的腐蚀产物层是导致杂散电流腐蚀程度高于自然状态的根本原因.

表2 试片腐蚀速率

2.4 电化学参数变化

直流、交流杂散电流干扰下，试片电位、电流随时间变化如图4所示.在直流杂散电流干扰下(图4a、b)，电流流入试片，该处受到阴极保护，电位更负，低于临界腐蚀电位[21](图4虚线处)；电流流出试片，该处金属阳极溶解，电位高于临界腐蚀电位，加剧腐蚀[15].电流变化呈现先增大后急剧减小至某一值左右小幅波动，说明腐蚀开始发生时，试片表面氧浓度较高，腐蚀速率随时间呈增大趋势；一定时间后，试片表面氧浓度下降，土壤含水量较大，氧扩散较慢，此时腐蚀速率受氧扩散控制，腐蚀速率急剧下降；腐蚀速率下降到某一值后，氧扩散速率与试片表面阳极溶解速率达到平衡，腐蚀电流密度维持稳定.在交流杂散电流干扰下(图4c、d)，试片间电流随频率周期性变化，从图4c中可以看出，随实验进行，电位先急剧下降后逐渐稳定在某一值，从图4d中看出，试片间电流呈波动状态，但幅度不大，基本稳定.在一定频率的交流干扰杂散电流加持下，试片表面与紧邻土壤介质处的双电层进行快速充放电，一定程度上起到了缓存作用，电流呈小幅波动状态.对比图4a、b和图4c、d可知，在交、直流杂散电流干扰下，Q235扁钢接地材料的电位、电流变化规律具有很大差别，应分别加以研究，不可一概而论.

3 结论

通过研究Q235扁钢接地材料在浙江变电站土壤中的杂散电流腐蚀行为，结果显示：1)杂散电流腐蚀具有集中腐蚀特征，腐蚀产物呈疏松状，产物层有明显裂纹、分层、脱落现象，对基体不具有保护作用.交、直流腐蚀产物组成大致相同，主要为Fe3O4、Fe2O3.2)杂散电流腐蚀具有明显的电解腐蚀特征，电流流入金属构件部位成为阴极而受到保护，相反电流流出的部位成为阳极而受到腐蚀.3)失重分析显示，相对自然状态，在杂散电流干扰下，Q235接地扁钢会加速腐蚀，且在同等外加电流强度下，交流杂散电流腐蚀的危害是直流杂散电流腐蚀的5.36%.4)随反应时间延长，交、直流杂散电流腐蚀电化学参数呈不同的特征，二者电位变化情况基本一致，均为先下降后稳定趋势，直流杂散电流呈先增后降最后稳定的趋势，交流杂散电流基本不出现衰减趋势，在一定范围波动.

a.直流杂散电流干扰下试片电位变化；b.直流杂散电流干扰下试片间电流变化；c.交流杂散电流干扰下试片电位变化；d.交流杂散电流干扰下试片间电流变化.图4 试片电位、电流随时间变化情况Fig.4 Potential and current of sample in corrosion progress

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(责任编辑：梁俊红)

Stray current corrosion behavior of Q235 carbon steel grounding material

ZHU Liwei1,YANG Bingkun2,LIU Min1,HU Jiaxiu2,3,QIAN Zhouhai1

(1.State Grid Zhejiang Province Electric Power Research Institute,Hangzhou 310006,China;2.Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China;3.National Engineering Technical Research Center for Metal Corrosion Control，Shenyang 110016,China)

On the base of stray current corrosion(SCC) problems in the grounding grid service process，the corrosion behavior of Q235 carbon steel grounding material under simulation of AC or DC stray current interference conditions was studied by means of potential，current and corrosion weight loss measurement，and the corrosion morphology and products were characterized by SEM and XRD.The results showed that SCC had concentrated corrosion characteristics and the AC or DC SCC product layer was porous and had obvious crack，delamination and detachment，which implies its uselessness to protect the matrix.The corrosion products mainly consisted of Fe3O4and Fe2O3.The results of weight loss measurement showed that the corrosion rate of Q235 steel was increased under AC or DC stay current interference conditions and the corrosion rate of DC SCC was about 18 times of AC SCC under the same current density.SCC had obvious electrolytic corrosion characteristics.The area where current flowing into was protected as the cathode and the current outflow area was corroded as the anode.

Q235 carbon steel；stray current；corrosion product；corrosion rate

10.3969/j.issn.1000-1565.2016.05.008

2015-10-21

国家自然科学基金重大项目(50499333)；国家电网公司重点科技项目资助(5211DS120348)

祝郦伟(1979—)，男，浙江杭州人，国网浙江省电力公司电力科学研究院高级工程师，主要从事电力系统腐蚀与防护技术研究.E-mail:wwlyz@163.com

杨丙坤(1988—)，男，河北沧州人，中国科学院金属研究所在读硕士研究生，主要从事金属材料土壤腐蚀与防护技术研究.E-mail:bkyang13s@imr.ac.cn

TG174

A

1000-1565(2016)05-0494-07