海南土壤中Q235钢的杂散电流腐蚀

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(1. 海南电力技术研究院，海口 570100； 2. 中国科学院金属研究所，沈阳 110016；3. 国家金属腐蚀控制工程技术研究中心，沈阳 110016)

海南土壤中Q235钢的杂散电流腐蚀

符传福1,杨丙坤2,杨大宁1,胡家秀2,3,赵健2,3,韩恩厚2,3,柯伟2,3

(1.海南电力技术研究院，海口570100； 2.中国科学院金属研究所，沈阳110016；3.国家金属腐蚀控制工程技术研究中心，沈阳110016)

采用扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)和X射线衍射(XRD)等技术观察和分析了交、直流杂散电流干扰下Q235钢在海南土壤中的腐蚀形貌和腐蚀产物，并对腐蚀过程的电化学参数进行了测量。结果表明：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，电流流出金属构件部位成为阳极而受到腐蚀；交、直流杂散电流腐蚀具有集中腐蚀特征，腐蚀产物呈絮状,产物层均有明显裂纹、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,伴有少量FeS；杂散电流的存在会加剧Q235钢腐蚀，在同等外加电流下，交流杂散电流腐蚀的危害程度是直流杂散电流腐蚀的15.9%。

接地材料;土壤腐蚀;杂散电流;腐蚀产物;腐蚀速率

Abstract： Scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS) and X-ray diffraction (XRD) were applied to observe and analyze the corrosion morphology and corrosion products of Q235 steel under the interference of DC/AC stray current in Hainan soil. The electrochemical parameters in corrosion process were also measured. The results show that stray current corrosion had obvious electrolytic corrosion characteristics. The areas of metal components where current flowed into were protected as cathode, on the contrary, the areas of metal components where current flowed out were corroded as anode. DC/AC stray current corrosion showed concentrated corrosion characteristics. The corrosion products were flocculent. The phenomena of delaminating and detachment were obvious in both product layers, so the product layers could not protect substrate. The corrosion products of DC/AC stray current corrosion were similar, which were mainly composed of Fe3O4and Fe2O3, with a small amount of FeS. The existence of stray current aggravated the corrosion of Q235 steel. Under the same external current condition, the damage degree of AC stray current corrosion was 15.9% of that of DC stray current corrosion.

Keywords： grounding material; soil corrosion; stray current; corrosion product; corrosion rate

海南省位于中国南端，地处热带北缘，属热带季风气候。海南是岛屿生态，其土壤的成土母质主要是岩浆岩，主要土壤类型为砖红壤，占土地总面积的53.42%。砖红壤是发育在热带雨林或季雨林下强富铝化酸性土壤，风化度很高，土壤粘粒中二氧化硅和氧化铝比值低于1.5，粘土矿物含有较多的三水铝矿、高岭石和赤铁矿，阳离子交换量很少，盐基高度不饱和。会文镇位于海南省文昌市东南部，该地土壤类型为砖红壤，会文变电站于2000年建成并投入使用，电压等级110 kV，其主接地网经过15 a运行后发现腐蚀问题，Q235镀锌扁钢表面镀层消失、锈蚀严重，垂直接地极和扁钢焊接部位腐蚀严重，实地测量结果显示，站内绝大部分区域土壤电位梯度大于5.0 mV/m，最大值甚至达到27.1 mV/m，存在极大杂散电流腐蚀风险[1]。对海南省东、中、西线17个地区，共计33所变电站接地网的土壤腐蚀情况进行现场开挖调研，发现杂散电流问题普遍存在。

杂散电流是一种非静态现象[2]，美国腐蚀工程师协会(NACE)将杂散电流定义为不沿原设计路线流通，而由其他路径流通的电流。杂散电流腐蚀是电化学腐蚀的一种[3]，对于埋地金属构件有明显腐蚀效果的是交流杂散电流和直流杂散电流[4]。杂散电流腐蚀具有局部集中特点[5]，在短期内就可能形成穿孔事故。针对土壤中金属构件的杂散电流腐蚀，国内外学者已经做了大量研究[6-13]。BERTOLINI等[3]研究发现Cl-的存在能加重杂散电流对金属的腐蚀；姜子涛等[9]研究了交流电对Q235钢腐蚀电位的影响；张攀峰等[6]研究发现，直流干扰引起的杂散电流腐蚀程度远大于交流干扰引起的；杜晨阳等[10-11]研究了交流干扰引起的杂散电流对阴极保护效果的影响。在长距离输送管道、海洋船舶工程、轨道交通等领域，杂散电流腐蚀已成为研究热点，但对于变电站接地材料杂散电流腐蚀的研究相对较少。此外，以往研究所用腐蚀介质多为配制的土壤溶液[14-15]或用硅藻土模拟土壤，与实际土壤存在一定的差距[16-17]。

本工作通过电化学参数变化、腐蚀产物形貌和组成，对海南土壤中直流、交流干扰下Q235接地扁钢的杂散电流腐蚀行为进行了研究，得出杂散电流腐蚀特点，为海南变电站接地网杂散电流腐蚀防护工作提供参考，对接地网安全、稳定运行具有重要指导意义。

1 试验

试验土壤取自海南省会文110 kV变电站，取样深度0.7 m。会文站位于海南省文昌市东南部，靠近海岸线，土壤类型属砖红壤。土壤经自然干燥后，研磨并过20目筛(孔径830 μm)，筛下土壤于105 ℃下烘干6 h备用。根据试验要求，用去离子水将上述土样配制成含水率15.80%的土壤介质。试验钢选用最为普遍的接地材料Q235钢，主要化学成分(质量分数)为： 0.14% C，1.41% Si，0.44% Mn，0.015% P，0.031% S，余量Fe,将Q235钢切割成尺寸为20 mm×20 mm×3 mm的试片。试验前，在试片右上角钻一直径2 mm的孔，试片经砂纸逐级打磨(至800号)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分析天平称量。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，露出金属基体，暴露面积为1 cm2。

图1是自制土壤试验箱示意图。交、直流恒流源分别采用沈阳君印科技JY3000精密交流电流源和北京亿良科技YL4012精密直流电流源，用于交、直流杂散电流的加载，试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(SCE)作参比测量试片电位。为保证试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。试验周期为240 h。整个试验过程中，土壤试验箱处于密封状态。

图1 土壤试验箱示意图Fig. 1 Schematic diagram of soil test chamber

试验结束后，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射线衍射仪(XRD)分析腐蚀产物成分。用精度0.1 mg的分析天平对除锈、干燥后试样进行称量，并根据失重法计算腐蚀速率，结果取两组试样平均值。

2 结果与讨论

2.1 电化学参数

直流、交流杂散电流干扰下，Q235钢电位、电流随时间变化如图2和图3所示。

由图2可见：在直流杂散电流干扰下，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[18](图中虚线处)；电流流出试片，该处金属阳极溶解，电位高于临界腐蚀电位，腐蚀加剧[19]。电流先增大后急剧减小至某一值之后，小幅波动，可划分为三个阶段。(1) 腐蚀开始发生时，试片表面氧含量较高，且试片表面干净，与相邻土壤介质接触良好，腐蚀速率随时间呈增大趋势。(2) 一定时间后，试片表面相邻土壤介质中氧含量下降，土壤含水量较高，氧扩散较慢，腐蚀速率减小。同时由于腐蚀产物在试片表面产生、积累，试片表面与土壤介质的接触面积逐渐减小，腐蚀速率随之下降。因此，该阶段腐蚀速率呈快速下降趋势，初期由氧扩散主导，腐蚀产物积累到一定程度后成为主导，二者共同作用。(3) 试验后期，腐蚀速率基本维持稳定，不再变化。这是因为Q235钢在生成腐蚀产物时产生的体积差会形成应力，使锈层产生裂纹，锈层中的孔洞和裂纹会成为氧、水等腐蚀介质的通道，对腐蚀起促进作用[20]。这与锈层的阻隔对腐蚀起到的抑制作用正好相反，二者共同作用，最终达到一种稳定状态。

(a) 电位-时间曲线

(b) 电流-时间曲线图2 直流杂散电流干扰下Q235钢电位、电流随时间的变化曲线Fig. 2 Variations of potential and current with time for Q235 steel under DC stray current interference: (a) potential vs time； (b) current vs time

(a) 电位-时间曲线

(b) 电流-时间曲线图3 交流杂散电流干扰下Q235钢电位、电流随时间的变化曲线Fig. 3 Variations of potential and current with time for Q235 steel under AC stray current interference: (a) potential vs time； (b) current vs time

由图3可见：在交流杂散电流干扰下，试片间的电流方向随频率周期性变化，随试验的进行，电位先急剧下降后逐渐稳定在某一值，试片间的电流呈波动状态，但幅度不大，基本稳定。在一定频率的交流杂散电流干扰下，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电流的作用，所以电流呈小幅波动状态。

对比可知：在直流、交流杂散电流干扰下，Q235钢呈现不同的电化学腐蚀规律，今后对二者应分别加以研究，不能一以概之。

2.2 腐蚀产物形貌和成分

2.2.1 腐蚀产物形貌

由图4可以看出：在无杂散电流干扰下，试片腐蚀以均匀腐蚀为主，腐蚀产物以片状分布，且片间有发展连接长大趋势；在直流杂散电流干扰下，近正极端电流从土壤流入试片，试片表面未见明显腐蚀产物，近负极端电流从试片流入土壤，腐蚀产物总体呈疏松多孔状，腐蚀产物层较厚，且有明显裂纹、分层，局部腐蚀产物已经脱落，试片表面有较深的坑痕；在交流杂散电流干扰下，腐蚀产物层有明显裂纹、分层现象，局部已经脱落，试片表面有浅坑。

由图5可以看出：在无杂散电流干扰下，腐蚀产物呈鳞片状，与基体结合不牢固，分层严重，极易脱落；在直流杂散电流干扰下，近负极端电流从试片流入土壤，腐蚀产物呈絮状，疏松多孔；在交流杂散电流干扰下，腐蚀产物也呈絮状，产物层比直流杂散电流干扰下的薄，疏松易脱落。

(a) 直流，流入

(b) 直流，流出

(c) 交流

(d) 无杂散电流图4 不同杂散电流腐蚀后Q235钢表面腐蚀形貌(低倍)Fig. 4 Corrosion morphology of the surface of Q235 steel (low magnification):(a) DC current, flow into; (b) DC current, flow out; (c) AC current; (d) no stray current

(a) 直流，流入

(b) 直流，流出

(c) 交流

(d) 无杂散电流图5 不同杂散电流腐蚀后Q235钢表面腐蚀形貌(高倍)Fig. 5 Corrosion morphology of the surface of Q235 steel (high magnification): (a) DC current, flow into; (b) DC current, flow out; (c) AC current; (d) no stray current

通过观察腐蚀产物表面形貌可知，在杂散电流干扰下，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钢的腐蚀只会愈发严重。

2.2.2 腐蚀产物成分

试验结束后，试片表面腐蚀产物呈黑绿色，一段时间后被氧化变为红褐色。用EDS、XRD分析腐蚀产物成分，结果表明：在直流和交流杂散电流干扰下，Q235钢表面的腐蚀产物组成大致相同，主要为Fe3O4、Fe2O3[21]，伴有少量FeS。杂散电流腐蚀机理同电解原理是一致的，电流流入金属构件的部位成为阴极而受到保护，而电流流出金属构件的部位成为阳极受到腐蚀。阳极附近发生的化学反应为

(3)

当Fe被电解成离子态从阳极进入土壤后，和土壤中的OH-反应生成Fe(OH)2，然后再进一步被氧化成Fe(OH)3。Fe(OH)3即为红褐色的稀松组织，脱水后会变成铁的氧化物。

2.3 腐蚀速率

由表1可以看出：直流杂散电流流入金属构件处，金属相当于被阴极保护，几乎不发生腐蚀。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16.710 mm/a。杂散电流腐蚀具有强度高、范围广、危害大等特点，且腐蚀强度与杂散电流强度呈正比，理论上1 A的电流通过金属表面1 a可以溶解9.1 kg钢铁。当腐蚀速率为16.710 mm/a时，按照该理论换算得出：在此试验周期内通过试片的直流杂散电流强度平均值为1.42 mA。这与图2(b)的测量结果基本一致。在交流杂散电流干扰下，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，两个试片均受到腐蚀，腐蚀程度高于无杂散电流干扰下的。

表1 不同杂散电流干扰下Q235钢在海南土壤中的腐蚀速率Tab. 1 Corrosion rate of Q235 steel in Hainan soil under different interference of stray currents mm/a

试验结果表明：在同等外加电流下，交流杂散电流腐蚀的危害是直流杂散电流腐蚀的15.9%；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。

3 结论

(1) 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，电流流出的部位成为阳极而受到腐蚀。

(2) 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。

(3) 杂散电流腐蚀具有集中腐蚀特征，直流杂散电流腐蚀产物呈絮状，交流杂散电流腐蚀产物呈绒状，产物层均有明显裂纹、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,伴有少量FeS。

(4) 与无杂散电流干扰相比，在杂散电流干扰下，Q235接地扁钢会加速腐蚀，且在同等外加电流下，交流杂散电流腐蚀的危害是直流杂散电流腐蚀的15.9%。

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Stray Current Corrosion of Q235Steel in Hainan Soil

FU Chuanfu1, YANG Bingkun2, YANG Daning1, HU Jiaxiu2,3, ZHAO Jian2,3,HAN Enhou2,3, KE Wei2,3

(1. Hainan Electric Power Technology Research Institute, Haikou 570100, 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)

10.11973/fsyfh-201710004

TG174

A

1005-748X(2017)10-0756-05

2016-01-29

胡家秀(1982-)，助理研究员，金属腐蚀与防护，13940060952，jxhu@imr.ac.cn