交流杂散电流对地下金属设备腐蚀的影响

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(1.石家庄市第一中学,河北 石家庄 050010;2.西安理工大学 材料科学与工程学院,陕西 西安 710048；3.陕西省腐蚀与防护重点实验室，陕西 西安 710048)

长期以来研究人员认为交流杂散电流对金属的腐蚀影响较小，认为交流电的正半周期加速金属腐蚀[1-2]，而负半周期又对金属起到保护作用。因此，整体上来讲，交流杂散电流对金属腐蚀影响较小。此外，当作用时间相同时，交流杂散电流与直流杂散电流相比[3-4]，仅是正半周期会加速金属的腐蚀，其加速腐蚀的影响大大减小。甚至有人指出，当极化曲线中阳极极化曲线斜率等于1时，腐蚀的增大量与减小量相等，交流杂散电流对金属腐蚀不产生影响。这使得交流杂散电流对地下金属的腐蚀研究相对较少[5]。但在变电站接地网腐蚀的调研中作者发现，交流杂散电流不仅加速了变电站接地网腐蚀，甚至引起接地网的大量断裂。为了对变电站接地网进行防护，文中模拟了某变电站的实际土壤环境，通过电化学测试，研究了交流杂散电流对Q235钢的腐蚀行为，为变电站接地网的防腐蚀提供理论依据。

1 试验材料及方法

1.1 材料的制备

试验材料为Q235钢，尺寸为10×25×3mm。用砂纸将试样逐级打磨至2000#，使试样表面平整光亮，然后用无水乙醇超声清洗表面，除去油污等杂质。最后将试样封装，暴露面积为5.4 cm2，用酒精擦洗试样表面，风干，备用。

表1 某变电站土壤理化分析Table 1 Physical and chemical analysis of soil in a substation

1.2 性能测试

1.2.1 腐蚀行为测试

采用图1所示的电化学测试装置，通过Ver4.2corrTest系统测试Q235钢试样在所模拟的酸性土壤溶液中的极化曲线和电流、电位-时间曲线，研究Q235钢在交流杂散电流作用下的腐蚀行为。测试体系为三电极体系，测试面积为5.4 cm2，工作电极为试样，辅助电极为Pt电极，参比电极为饱和甘汞电极。测试过程中，对试样施加1.2 V、50 Hz交流电，对比试样不施加交流电。

图1 电化学测试装置示意图Fig.1 Scheme for electrochemical testing

1.2.2 表面形貌测试

采用JSM-6700F扫描电子显微镜(SEM)观察在酸性土壤溶液中经交流电腐蚀7天后的试样表面形貌。

1.2.3 弯折测试

试验测试7天后，取出试样进行弯折试验。将试样夹在虎钳上进行90°弯折，直至试样断裂，以弯折的次数进行脆断评价。

2 试验结果及分析

2.1 极化曲线分析

图2 外加1.2V,50 HZ交流电时，Q235钢的极化曲线Fig.2 The polarization curve of Q235 steel by applying AC current (1.2V,50 Hz)

图2为Q235在1.2 V、50 Hz交流电作用下测得的极化曲线。由图2可见，对试样外加交流电时测得的极化曲线光滑，看不到交流电对极化曲线测试的干扰。在极化曲线的阳极极化区域，即交流杂散电流的正半周期，随着电位的增大，金属腐蚀的速度不断增大，腐蚀电流沿斜率a上升。当电位小于自腐蚀电位时，即交流杂散电流的负半周期，阴极出现了扩散控制的过程，在酸性体系中，这种扩散控制主要为析氢腐蚀，说明Q235钢表面发生析氢，析氢电位为-0.725 v，电流为10-5A/cm2。在交流电正半周期，电极表面发生的反应是Fe→Fe+2+2e，Q235钢的腐蚀加剧；在交流电负半周，发生的反应是2H++2e→H2，电极表面有氢气析出，Q235钢遭受了析氢腐蚀。由于析氢电位为-0.725 V，而外加的1.2 V交流电可以使负半周的最低电位达到-1.9 V，因此在交流电作用下Q235钢遭受的析氢腐蚀是很严重的。

2.2 电位、电流-时间曲线分析

图3为电位、电流随时间变化的曲线。由图3可见，电极表面的电位、电流随时间变化出现周期性变化，变化周期为0.02 s，电极表面的正电位最大值为0.8 V(SCE)，负电位最大值为-1.9 V(SCE)，电流最大为14 mA，最小为-14 mA。

以自然腐蚀电位画一条线，图3中正线曲线的上半周期是一个周期内外加交流电增大的腐蚀电流部分，下半周期是一个周期内电位低于自腐蚀电位的部分。由于电位低于自腐蚀电位，材料不会发生腐蚀，但自腐蚀电位下降到析氢电位所需的时间基本上可以忽略，因此阴极电位的下半周期基本上处于析氢电位范围内。在交流电的负半周期，Q235钢会遭受析氢腐蚀。

图3 电位、电流-时间曲线、Fig.3 The potential and current curves with time

2.3 性能及腐蚀形貌分析

由极化曲线和电位、电流-时间曲线的分析结果可知，交流杂散电流可使Q235钢发生氢脆。自然腐蚀的试样经6次90°弯折试验后，试样表面出现裂纹，发生脆断。交流杂散电流腐蚀的试样经4次90°弯折试验后就发生了脆断。

(a)交流杂散电流的腐蚀；(b)自然腐蚀，×400

图4 试样的腐蚀形貌

Fig.4 The corrosion morphology of samples by

采用失重法计算两种不同腐蚀条件下的试样的腐蚀速度。自然腐蚀时，试样的腐蚀速度为0.64 mm/a。在交流杂散电流加速腐蚀下，试样的腐蚀速度为0.76 mm/a，比自然腐蚀的速率增大了18.8%。

图4为自然腐蚀和交流杂散电流腐蚀情况下试样的腐蚀形貌。由图4(a)可见，交流杂散电流情况下，试样表面出现了较大的蚀坑，这可能是由于交流杂散电流加速腐蚀，使得晶粒松动，而析氢又使晶粒大块脱落所致。自然腐蚀表面比较平整(见图4(b))，表明自然腐蚀程度相对温和。

3 结论

通过外加1.2V，50Hz的交流电流，在试验室模拟的某变电站pH值=4的酸性土壤中，测试了交流电对Q235钢的腐蚀影响。研究表明：在交流电的正半周期，加速了Q235钢的腐蚀；在交流电的负半周期，Q235钢接地体未受到阴极保护，而是受到析氢的腐蚀；在加速腐蚀和析氢腐蚀的共同作用下Q235钢表面出现大块的腐蚀坑。在模拟条件下测试7天，外加1.2V，50Hz交流电时试样经4次90°弯折后脆断；未加交流电时试样经6次90°弯折才出现裂纹。无交流电干扰时，Q235钢的腐蚀速度为0.64 mm/a；在交流电干扰下，Q235钢的腐蚀速度为0.76 mm/a，腐蚀速度增大了18.8%。