不同因素对杆塔和接地网腐蚀特性的研究

阚 毅，曹祥薇，毛晓坡

（1.湖北方源东力电力科学研究有限公司，湖北 武汉430077；2.湖北中烟卷烟材料厂，湖北 武汉430050；3.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉430077）

0 引言

工业发展改善了物质水平，同时出现了大量的环境污染，而工业废气成为大气污染物的最大因素，空气在不断地流动过程中，使得电网运行环境所受影响越来越大，腐蚀速度加快［1-5］。

因为工业对环境的污染，受自然因素和人为因素的影响，具有复杂多变的特点［6-10］。本文采用加速腐蚀技术，模拟获得杆塔和接地网处于重工业污染环境下的腐蚀发展情况，包括温度与湿度的交变、盐雾、紫外线和多种腐蚀性气体等条件［11-15］。实验过程中，使用加速腐蚀技术，提高杆塔与接地网的腐蚀速度，针对杆塔和接地网等建材进行加速腐蚀试验［16-20］。

1 实验装置

选择的试验装置结构包含［21-25］：计算机控制单元、单向阀、开关阀、转子流量计、质量流量计、电磁阀、不锈钢气瓶、特气体柜和试验箱构成，结构原理如图1所示。

选择SO2、NO2、H2S、NH3、Cl2五类常见腐蚀气体，其浓度大小为：50～10 000 pphm；腐蚀溶液喷雾系统里溶液类型是NaCl 与（NH4）2SO4，其沉降量为0.5～2 mL/100 cm2·h，盐溶液浓度为8%～20%；温度-湿度交变以及定温定湿试验中温度范围为5 ℃～100 ℃，湿度大小是：15%～90%；紫外选择UVA或UVB，两者能够相互转换。模拟工业污染大气环境循环加速腐蚀试验流程如图2 所示，试验完成之后，研究样品锈蚀情况，首先开始样品除锈工作，当锈蚀部分和本体分离后，采用刷子把锈蚀部分脱除［26-30］。当把腐蚀部分全部脱去后，把样品从除锈液里拿出来，依次采用蒸馏水和乙醇清洗，吹风机吹干后，放到干燥器里24 h后称重。

图1 试验装置结构原理图Fig.1 Schematic diagram of the test device structure

图2 模拟工业污染大气环境循环加速腐蚀试验流程图Fig.2 Flow chart of cyclic accelerated corrosion test for simulating industrial polluted atmospheric environment

2 加速腐蚀试验

实验中选择了系统常用的镀锌钢材料，设计材料样本的直径是Φ16 mm、长度是5 cm，如图3 所示。样品的两端经由环氧树脂密封，并且丙酮去油。

图3 用于加速腐蚀的镀锌钢材料Fig.3 Galvanized steel material for accelerated corrosion

不同实验条件下，电源接到两端密封的接地材料试样上，试验后取出样品，除锈、清洗、干燥、称重得到受到腐蚀的样品质量。全部结果按照每24 h每平方分米的质量损失，单位是g/dm2·day，计算公式如下。

式（1）中：Vcorr为腐蚀速度（g/dm·day）；Δm为腐蚀失重（g）；Δt为腐蚀时间（h）；A为试样暴露面积（dm2）。

2.1 含水量对杆塔和接地线腐蚀的影响

实验条件：电位差保持在DC 10 V，阴阳极面积比是70∶1，温度是25 ℃，加速腐蚀时间是24 h。采用中性土壤含水量依次是：10%、15%、20%、25%、30%。含水量和腐蚀数据如图4所示，其关系如图5所示。通过图4和图5可以知道，随着土壤含水量的提高，样品的腐蚀速度加快，采用y=ax+b函数进行含水量与电解加速腐蚀速度的拟合，可得指数拟合函数为y=3.156 8x-0.232 4，指数拟合系数R2=0.988 6，因此，材料的腐蚀速度和土壤含水量高度相关。

图4 不同含水量下的加速腐蚀速度数据Fig.4 Accelerated corrosion rate data under different water content

图5 含水量与加速腐蚀速度之间的关系Fig.5 The relationship between water content and accelerated corrosion rate

2.2 温度对杆塔和接地线腐蚀的影响

实验条件：电位差是DC 10 V，阴阳极面积比是70∶1，土壤含水量是25%，加速腐蚀时间是24 h。温度依次选择是：15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃。不同温度下的加速腐蚀数据如图6 所示，温度与加速腐蚀之间的关系如图7 所示，通过图6 和图7 可以知道，随着实验温度的提高，样品腐蚀的速度越快，指数拟合的决定系数R2=0.986 2，高度相关。

图6 不同温度下的加速腐蚀数据Fig.6 Accelerated corrosion data at different temperatures

图7 温度与加速腐蚀之间的关系Fig.7 The relationship between temperature and accelerated corrosion

2.3 电位差对杆塔和接地线腐蚀的影响

实验条件：土壤含水量是25%，阴阳极面积比70∶1，试验温度是25 ℃，加速腐蚀时间是24 h。电位差依次是：4 V、6 V、8 V、10 V、12 V。不同阴阳极电位差下的腐蚀数据如图8 所示，电位差和加速腐蚀之间的关系如图9 所示，通过图8 和图9 可以知道，随着电位差的增加，加速腐蚀速度随之线性增加，其线性拟合的决定系数R2=0.973，表明电位差与加速腐蚀速度之间高度线性相关。

图8 不同电位差下的加速腐蚀数据Fig.8 Accelerated corrosion data under different potential differences

图9电位差与加速腐蚀之间的关系Fig.9 The relationship between potential difference and accelerated corrosion

2.4 阴阳极面积比对杆塔和接地线腐蚀的影响

实验条件：电位差是DC 10 V，土壤含水量是25%，温度是25 ℃，加速腐蚀时间是24 h。阴阳极面积依次是70∶1、90∶1、120∶1、180∶1、360∶1。不同阴阳极面积比下的加速腐蚀数据如图10所示，阴阳极面积比和加速腐蚀之间的关系如图11所示，通过图10和图11可以知道，随着阴阳极面积比的增大，加速腐蚀速度随之呈对数关系增加，采用对数拟合的决定系数R2=0.997 6，高度相关。

图10 不同阴阳极面积比下的加速腐蚀数据Fig.10 Accelerated corrosion data under different ratio of cathode to anode area

图11 阴阳极面积比与加速腐蚀之间的关系Fig.11 The relationship between the area ratio of cathode and anode and accelerated corrosion

3 多因素耦合正交综合试验

为了分析杆塔和接地网处于多个因素影响下，其腐蚀发展特性，设计了6种土壤条件下，材料的腐蚀速度，如表1所示。

结合不同腐蚀因素，设计了不同加速腐蚀因素及其参数下的实验，如表2所示。通过正交综合试验，在表2中，不同加速腐蚀因素及其参数下，每种土壤总共需要进行16次试验，试验结果如图12所示。

表1 正交试验采用6种土壤中镀锌钢自然腐蚀速度Table 1 Orthogonal test adopts the natural corrosion rate of galvanized steel in 6 soils

表2 加速腐蚀正交试验中的因素及水平Table 2 Factors and levels in accelerated corrosion orthogonal test

图12 加速腐蚀多因素正交试验结果Fig.12 Accelerated corrosion multi-factor orthogonal test results

通过图12可知，土壤1、3、4里，影响加速腐蚀速度的因素关系是含水量＞阴阳极面积比＞温度＞电位差，土壤2 与土壤6 里阴阳极面积比＞含水量＞温度＞电位差，而土壤5里则为阴阳极面积比＞温度＞含水量＞电位差。因此加速腐蚀因素和不同腐蚀速度土壤的作用不同，而电位差起的作用最小。

4 结语

本文首先进行了单因素试验，并结合单因素方差分析，寻找人工加速腐蚀试验因素中对腐蚀试验结果影响显著的因素，接着进行了多因素耦合试验，本文研究的结论如下：

1）加速腐蚀的单因素试验结果表明，含水量、阴阳极电位差、阴阳极面积比及试验温度对加速腐蚀速度试验结果的影响有非常显著的影响，而加速腐蚀时间对加速腐蚀速度影响不显著。

2）杆塔和接地网处于多个因素影响下，加速腐蚀因素和不同腐蚀速度土壤的作用不同，而电位差起的作用最小。