柔性石墨网与镀锌钢在模拟土壤环境中的电偶腐蚀行为

2022-12-17马云瑞寇晓适张玉楠董曼玲王晓地张宇鹏李予全姚德贵朱金阳

腐蚀与防护 2022年10期

马云瑞,商正,寇晓适,张玉楠,董曼玲,王晓地,张宇鹏,李予全,谢伟,姚德贵,朱金阳

(1.国网河南省电力公司电力科学研究院,郑州 450052;2.北京科技大学国家材料服役安全科学中心,北京 100083)

在输变电系统防的雷接地系统中,接地电极材料的稳定性、导电性和耐蚀性是影响接地系统长期稳定运行的关键。传统的镀锌钢、镀铜钢、不锈钢等接地材料由于长年处于潮湿土壤介质中,面临着严峻的腐蚀问题。近年来,为了解决传统金属接地材料易腐蚀的问题,以石墨复合材料为代表的新型非金属接地材料逐渐在国内重大工程项目中得到推广使用。2018年,国家电网公司科技部印发《国家电网有限公司新技术推广应用计划》通知之后,河南电网逐步推广应用石墨基柔性接地降阻技术,涉及杆塔3 000多基。其中2018年底之前投运杆塔332基,2019年597基,2020年2 432基,上升趋势明显。

但是,在现场应用中发现这种新型石墨基柔性材料金属引下线部分的腐蚀问题与以前相比异常严重。以青豫直流线路工程为例,该线路工程河南段于2018年11月7日开工建设,2019年8月即发现石墨基柔性接地装置的镀锌圆钢引下线存在明显锈蚀,这给特高压工程的安全运行带来了严重的潜在威胁。初步分析表明,镀锌钢金属引下线与柔性石墨网之间的异质接触电偶腐蚀问题是造成金属引下线锈蚀严重的关键。因此,急需研究新型石墨基柔性防雷接地网与引下线间的电偶腐蚀规律及其防治关键技术。进一步明确石墨接地网带来的电偶腐蚀风险规律及机理,对于新型石墨基柔性材料在电力系统接地网中的进一步推广应用、充分发挥它的性能优势、提高电力系统的防雷保护水平,具有非常重要的意义。

电偶腐蚀具有存在广泛、危害严重和影响因素复杂等特点,主要受偶对材料特性、偶对几何因素及环境因素的影响[1-4]。在材料特性方面,主要表现为偶对电位差及极化特性的差异,两种材料的自腐蚀电位相差越大,其中电位偏负的材料作为阳极容易被腐蚀,而电位偏正的材料作为阴极则易受到保护[5],根据饶斌斌等[6]及田鹏辉等[7]的研究结果:石墨复合接地材料不受土壤条件的限制,其防腐蚀特性优于现行的钢、铜等金属接地材料,在与镀锌钢形成的电偶对中处于阴极。在偶对几何因素方面,面积比对电偶腐蚀行为具有较大影响。温度[8]、氧含量[9]、介质导电性及流动状态作为环境因素都对电偶腐蚀有复杂影响;由于本研究模拟土壤电偶腐蚀行为,试验中重点关注介质导电性及含氧量。通常,氧是电偶腐蚀的主要去极化剂,氧含量不同,对腐蚀的影响也大不相同:对不同种类的金属,氧在腐蚀过程中的作用是不同的,如在海水介质中,对碳钢、低合金钢和铸铁等不发生钝化的金属,增加氧含量,会加速阴极去极化过程,加速金属腐蚀加;而对于铝和不锈钢等易钝化金属,增加氧含量有利于钝化膜的形成和修补,增强其稳定性,减小点蚀和缝隙腐蚀的倾向性。而介质的电导率会影响局部腐蚀电流通过介质产生的电位降,如果电导率高,两极间溶液的电阻小,溶液的欧姆降可以忽略,电流的有效距离可达几十厘米,电偶电流可分散到离接触点较远的阳极表面,阳极所受的腐蚀较“均匀”;如果介质的电导率低,两极间引起的欧姆降大,腐蚀便会集中在离接触点较近的阳极表面上,这相当于把阳极的有效面积“缩小”了,阳极表面的某些局部位置溶解速度增大。杨勇进等[10]测试了不同材料组成的电偶对的电偶电流,结果表明具有不同电位的材料接触时极易发生电偶腐蚀,必须采取有效的防护措施。

本工作以河南面临的杆塔接地引下线腐蚀问题为需求背景,通过模拟河南典型土壤介质环境,通过电化学测试和数值仿真模拟分析,系统研究了典型金属引下线(镀锌钢)与柔性石墨网之间的电偶腐蚀规律及机理,明确了不同关键环境因素(土壤电阻率、含氧量)对镀锌钢-石墨网电偶腐蚀行为的影响规律,并结合试验研究与数值结果分析,对石墨基柔性接地装置中的引下线腐蚀问题提出相应的缓解和应对措施及建议。

1 试验

1.1 试样

以工程实际应用的镀锌圆钢和柔性石墨网作为试验对象,其中,镀锌圆钢以Q235钢为基体,表面镀锌层厚度超过55 μm。柔性石墨网电阻率р≤3×10-5Ω·m。

1.2 试验方法

对非偶接的镀锌钢和柔性石墨网进行电化学测试:试验设备为Gamry Reference 600型电化学工作站,采用传统三电极体系,以非偶接的镀锌钢/石墨网作为工作电极,见图1,铂片为辅助电极,饱和甘汞电极(SCE)为参比电极。极化曲线的扫描范围相对于开路电位-350～+400 mV,扫描速率0.2 mV/s。试验溶液为3.5%(质量分数)NaCl溶液,向溶液中通入氮-氧混合气体(其中氧的体积分数为10%),溶液电导率100 μS/cm,试验温度为室温。

(a) 镀锌钢电极

“镀锌钢+石墨网”电偶对的电化学测试过程如下:以镀锌钢作为1号工作电极,石墨网作为2号工作电极,SCE为参比电极,试验温度为室温。采用电化学工作站进行电偶电位和电偶电流的连续测试,参照GB/T 15748—2013《船用金属材料电偶腐蚀试验方法》,两电极之间距离3～5 mm,当电偶电流和电偶电位达到稳定后结束测试。测试在室温下进行,研究面积比对电偶对电化学行为的影响时,室温,电导率200 μS/cm,氧的质量分数15%,镀锌钢与石墨网面积比分别为1∶3,1∶5和1∶7;研究氧含量对电偶对电化学行为的影响时,电导率100 μS/cm,镀锌钢与石墨网面积比1∶5,氧的质量分数分别为5%、10%,15%;研究电导率对电偶对电化学行为的影响时,氧的质量分数15%,镀锌钢与石墨网面积比1∶5,电导率分别为100,200,300,1 000 μS/cm。

2 结果与讨论

2.1 非偶接镀锌钢和石墨网的电化学行为

对非偶接的镀锌钢和石墨网进行电化学测试前,稳定自腐蚀电位(OCP),时间为1 200 s。OCP稳定后,进行线性极化(LPR)测试和动电位Tafel极化曲线测试。氧质量分数10%,电导率100 μS/cm,室温常压条件下测试。图2为非偶接镀锌钢、石墨网试样的动电位极化曲线,采用Gamry电化学工作站内置软件对极化曲线进行拟合,结果表明镀锌钢试样和柔性石墨试样的自腐蚀电流密度分别为2.8×10-5A/cm2和1.2×10-6A/cm2。按照公式(1),通过自腐蚀电流密度计算材料腐蚀速率。

图2 非偶接镀锌钢、石墨网试样的动电位极化曲线

(1)

式中:vcorr为平均腐蚀速率,mm/a;Jcorr为自腐蚀电流密度,A/cm2;A为金属原子量,56;n为得失电子数,2;D为金属材料密度,7.86 g/cm3。

计算结果表明,在上述模拟土壤环境中,镀锌钢在无偶接情况下的理论腐蚀速率约为0.33 mm/a。

从腐蚀热力学角度分析,相比于柔性石墨试样,镀锌钢试样的自腐蚀电位更负。根据异金属共轭体系理论,当两种异金属接触时,电位更负的一极即镀锌钢为电偶腐蚀阳极,腐蚀加速。

2.2 偶接镀锌钢、石墨网试样的电化学性能

2.2.1 镀锌钢/石墨网面积比的影响

保持腐蚀介质电导率200 μS/cm,氧质量分数15%,改变镀锌钢/石墨网面积比分别为1∶3，1∶5，1∶7,对不同镀锌钢/石墨网面积比条件下偶接试样的电偶电位和电偶电流密度进行连续测试,结果见图3。

(a) 电偶电流密度-时间曲线

由图4可见:随着镀锌钢/石墨网面积比的降低,电偶试样的电偶腐蚀速率逐渐升高,且增长倍数与面积比增大倍数基本一致,这说明面积比与镀锌钢的电偶腐蚀速率成正比,且加速倍率的增长与面积比的增长基本呈线性相关。由于镀锌钢的自腐蚀电位较低,在电偶对中为阳极,所以电偶试样的腐蚀主要也是镀锌钢的腐蚀。

图4 不同面积比条件下电偶试样的电偶腐蚀速率

2.2.2 阴极去极化剂(含氧量)的影响

保持腐蚀介质电导率100 μS/cm,镀锌钢/石墨网面积比1∶5不变,改变含氧量分别为5%、10%、15%,监测了电偶试样在不同氧含量试验环境中的电偶电位和电偶电流密度,结果见图5。

由图5可见:两种材料偶接后的电偶电位位于两种材料自腐蚀电位的中间值,且随着含氧量升高,电偶电位逐渐偏负,趋向于镀锌钢的自腐蚀电位;电偶电流密度逐渐增大。由图6可见:随着含氧量的升高,电偶试样(镀锌钢)的电偶腐蚀速率逐渐升高,腐蚀速率基本与氧含量呈线性正相关。

(a) 电偶电流密度-时间曲线

图6 不同含氧量条件下,电偶试样的电偶腐蚀速率

2.2.3 土壤电阻率的影响

保持镀锌钢/石墨网面积比1∶5,含氧量15%不变,改变模拟液电导率,分别为100,200,300,1 000 μS/cm,监测了电偶试样在不同土壤电阻率条件下的电偶电位和电偶电流密度,结果见图7。

由图7可见:随着介质电导率的升高,电偶电位逐渐偏负,电偶电流密度逐渐增大,且1 000 μS/cm条件下的结果与其他条件下的相比,存在明显差异。

(a) 电偶电流密度-时间曲线

由图8可见:随着电导率的增大,电偶试样(镀锌钢)的电偶腐蚀速率总体呈升高趋势,且在1 000 μS/cm条件下约为4.41 mm/a。

图8 不同电导率比条件下,电偶试样的电偶腐蚀速率

2.3 电偶腐蚀评级与防护措施

为了进一步量化和定性评价偶接后电偶效应对腐蚀的加速效应,以无偶接下镀锌钢的腐蚀速率为基准,采用公式(2)获得电偶腐蚀加速效应系数。

(2)

式中:vcorr偶接后为偶接石墨网的镀锌钢的腐蚀速率;vcorr偶接前单独镀锌钢的腐蚀速率。

同时,参照HB 5374—1987《不同金属电偶腐蚀电流测定方法》,根据电偶腐蚀的平均电流密度大小,将电偶腐蚀敏感性分为5个等级:A级,电偶电流密度Jg≤0.3 μA/cm2;B级,0.3

按式(1)计算得到无偶接镀锌钢在室温,电导率100 μS/cm,氧质量分数15%环境中的腐蚀速率为0.33 mm/a,由表1可见:随着石墨网的相对面积逐渐增大,电偶加速效应逐渐增强。参照上述等级划分,在不同面积比条件下的镀锌钢在偶接石墨网工况下的电偶腐蚀电流密度均超过10.0 μA/cm2,即电偶腐蚀敏感性等级达到最高级E级,存在极高的腐蚀风险,在实际使用中应限制上述两种材质的组合使用。

表1 不同面积比条件下电偶腐蚀加速效应系数与电偶腐蚀风险等级评价结果

由表2可见:随着环境中含氧量升高,电偶加速效应逐渐增强;参照电偶腐蚀敏感性等级划分,在不同含氧量条件下的镀锌钢在偶接石墨网工况下的电偶腐蚀电流密度均超过10.0 μA/cm2,即电偶腐蚀敏感性等级达到最高级E级,具有较高的腐蚀风险。

表2 不同含氧量条件下的电偶腐蚀加速效应系数与电偶腐蚀风险等级评价结果

由表3可见:随电导率升高,电偶加速效应逐渐增大。参照电偶腐蚀敏感性等级划分,在不同电导率条件下,镀锌钢在偶接石墨网工况下的电偶腐蚀电流密度均超过10.0 μA/cm2,电偶腐蚀敏感性等级达到最高级E级,具有较高的腐蚀风险。

表3 不同电导率条件下的电偶腐蚀加速效应系数与电偶腐蚀风险等级评价结果

针对电偶腐蚀敏感性达到E级的电偶对材料,应避免两种材料直接使用,或者采用防护手段减缓其腐蚀进程,例如物理隔绝,外加阴极保护等。其中,物理隔绝可用密封料或塑料薄膜对偶对试样(主要针对镀锌钢)进行完全覆盖,隔离外界环境[11]。关于外加阴极保护,外加电流与另接金属对防雷接地系统的现实意义不大[12-13],可以考虑从各方面提升镀锌层的完整性,例如增厚镀锌层,在镀锌钢的运输及安装过程中增加物理防护措施避免表面缺陷的产生[14]。