鋼質接地材料電偶加速腐蝕評價方法

周　蜜，王建國，張　予，胡丹輝，樊亞東，蔡　力

(1. 武漢大學 電氣工程學院， 武漢 430072； 2. 國網湖北省電力公司電力科學研究院， 武漢 430077)

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鋼質接地材料電偶加速腐蝕評價方法

周蜜1，王建國1，張予2，胡丹輝2，樊亞東1，蔡力1

(1. 武漢大學 電氣工程學院， 武漢 430072； 2. 國網湖北省電力公司電力科學研究院， 武漢 430077)

開展接地材料腐蝕特性評價技術研究有助于了解鋼質接地網土壤中的腐蝕規律和特性，有利于材料合理選材和截面選擇。開展了鍍鋅鋼接地材料電偶加速腐蝕評價方法的研究。結果表明，鍍鋅鋼-黃銅電偶對金屬間的電位差、金屬電極的極化行為、陰陽極面積比等是影響腐蝕實驗結果的關鍵因素。電偶作用陰陽極間距與鍍鋅鋼材料腐蝕量近似呈線性關系。隨陰陽極面積比的增大，鍍鋅鋼接地材料的電偶腐蝕明顯加劇。電偶加速腐蝕實驗結果受含水量的變化的影響非常顯著，非含水飽和土壤中電偶腐蝕率高于含水飽和土壤。鍍鋅鋼接地材料電偶腐蝕定量評價應固定電極材料、陰陽極間距、陰陽極面積比等關鍵試驗參數，電偶加速腐蝕試驗不宜在非含水飽和土壤中進行。

鍍鋅鋼；黃銅；土壤；加速腐蝕；電偶腐蝕

0　引　言

接地網安全是電力系統安全可靠運行的重要保障。我國電力系統接地網材料主要為鋼質材料，普遍采用熱鍍鋅方式提高接地網耐蝕性能。GB50169及DL/T621要求接地裝置的防腐蝕設計宜按當地的腐蝕數據進行，使接地裝置的設計使用年限與地面工程的設計使用年限相當，而實際工作中往往缺乏系統的當地腐蝕數據[1-4]。

金屬材料腐蝕性評價有利于材料合理選材和截面選擇。通過野外埋設試驗測量金屬材料在土壤中腐蝕速度是金屬材料腐蝕研究的傳統方法[5-8]，我國材料腐蝕試驗網站等科研基礎觀測平臺一直在開展不同環境下不同材料的埋樣試驗。受試驗站分布、較長的埋樣時間及埋樣數量的限制，試驗數據有待進一步積累。

實驗室模擬腐蝕試驗具有試驗條件易于控制、試驗時間相對較短等優點[9]，但存在將電化學方法測定的腐蝕速度與來自實際的腐蝕檢測方法得到的腐蝕數據(如質量損失檢測)聯系起來的問題。如何從短期的加速腐蝕試驗結果預測材料在土壤環境中長期腐蝕速度是近年研究熱點。

兩種或兩種以上金屬在電解質溶液中，或同種金屬在不同狀態或不同組成電解質溶液中，直接接觸或通過金屬導體連接構成回路，就構成了電偶電池。電偶對中腐蝕電位較負的金屬成為電偶對中的陽極而被加速腐蝕，而電偶對中腐蝕電位較正的金屬成為電偶對中的陰極而得到保護。土壤電偶加速腐蝕試驗利用陽極金屬和陰極金屬電偶對在土壤中的短接，組成電偶腐蝕電池，加大陽極試片在土壤介質中的腐蝕速度。

電偶對之間的距離和面積比等對電偶對腐蝕行為有重要的影響。Arya和Vassie[10]在研究3%NaCl溶液中電偶對之間距離對電偶電流密度的影響時，發現在給定陰陽極面積比的條件下，電偶對間距對電偶電流密度有明顯影響。Song等[11]在對AZ91D鎂合金分別與鋁合金、鐵、鋅之間的電偶腐蝕行為的研究中，也發現電偶電流密度與陰陽極接觸處距離密切相關。當陽極面積不變時，隨著陰極面積的增大，陰極電流增加，陽極金屬的腐蝕速度會加快。張艷成等[12]曾研究3.5%NaCl溶液中帶銹鑄鐵和304不銹鋼之間的電偶腐蝕效應，顯示隨著面積比增大電偶腐蝕效應會增大。在土壤中開展的鋼質材料電偶加速腐蝕試驗報道不多[13]。Escalante[14]發現彼此分開30cm，埋在深度為0.8m的鋅/不銹鋼電偶對中，電偶電流能反映整個埋設過程中土壤環境以及電極表面的變化。

針對我國電力系統使用最廣泛的熱鍍鋅鋼接地材料，開展接地材料腐蝕特性和評價技術研究，有助于了解和掌握鋼質接地材料在土壤中的腐蝕規律和特性，并針對實際工程應用需求開展性能評價和腐蝕定量校核，可以為接地工程的合理選材、正確用材、防腐措施以及標準規范的制定提供科學依據。本文開展了鍍鋅鋼接地材料電偶加速腐蝕評價方法的研究，針對評價方法中電極材料、陰陽極間距、陰陽極面積比、土壤含水量等關鍵因素對加速腐蝕試驗結果的影響，開展了系統研究。

1　實　驗

電偶加速腐蝕中陰極材料選用黃銅，其化學成分Cu為67%，Pb為0.03%，P為0.01%，Fe為0.1%，Sb為0.005%，Bi為0.005%，雜質<0.3%，余量為Zn。陽極材料為待研究鍍鋅鋼材料，尺寸為10mm×10mm×6mm，熱鍍鋅層厚度為89μm，鋼基體化學成分C為0.13%，Si為0.19%，Mn為0.45%，P為0.02%，S為0.034%，Pb為0.005%，余量為Fe。鋼基體密度7.85g/cm3，屈服強度335N/mm2，抗拉強度460N/mm2。

設計陰陽極面積比為1∶1，2∶1，5∶1，10∶1，20∶1和30∶1的電偶對，制作陰極黃銅的尺寸依次為10mm×10mm×6mm，20mm×10mm×6mm，25mm×20mm×6mm，50mm×20mm×6mm，50mm×40mm×6mm，60mm×50mm×6mm，黃銅工作面采用400#水砂紙打磨去除氧化層。陰陽極材料背面焊接帶絕緣護套銅導線，非工作面均采用環氧樹脂封裝。試驗中使用了兩種土樣，其基本性質見表1所示。

表1　土樣性質

注：*為質量含水量，以下同。

采用三電極體系，黃銅片和鍍鋅鋼片為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極，電解池容積為1 000mL，采用恒溫水浴鍋控制試驗體系溫度恒定為25 ℃。實驗過程中，采用ZRA電偶腐蝕計分別記錄黃銅和鍍鋅鋼試樣的電偶電位Eg(耦合金屬在土壤中的腐蝕電位)和電偶電流Ig(流過陽極和陰極的連接導線中的電流)，最短測量至600h直至數據穩定。

根據法拉第定律，陽極每溶解1mol的金屬，需通過nF庫倫的電量(n為電極反應方程式中的得失電子數；F為法拉第常數，96 500C/mol)。若電流強度為I，通電時間為t，則通過的電荷量為It。如果金屬的原子量為M，則陽極所溶解的金屬量Δm為

(1)

根據式(1)，電偶對中陽極腐蝕量將與流過電偶對的電荷量成正比。

2　結果與討論

2.1陰陽極間距影響

以表1土樣1為研究對象，采用電導率低于3μS/cm的去離子水將土壤配制成含水飽和狀態，此時土壤顆粒間所有孔隙都充滿水分，土壤表面被1層水膜覆蓋，含水量略>45%。固定陰陽極面積比為20∶1，控制陰陽極間距依次為2，4，6，8，10，12cm。投入電偶前的開路狀態下，測量陽極鍍鋅鋼土壤中的腐蝕電位分別為-1.032，-1.066，-1.056，-1.003和-1.044V，陰極黃銅分別為-0.028，-0.016，-0.020，-0.012，-0.014和-0.051V。同種金屬在同一含水飽和土壤中的腐蝕電位略有差異，這與各自電極表面的微觀狀況有關。

電偶投入后的前1 000s內，觀察到不同陰陽極間距的含水飽和土壤中電偶對電偶電流及電偶電位變化見圖1所示。

圖1電偶對投入時不同陰陽極間距的含水飽和土壤1中電偶對電偶電流及電偶電位變化

Fig1Influenceofthedistancebetweenanodeandcathodeongalvaniccurrentandgalvanicpotentialofthegalvaniccoupleinthewater-saturatedsoilintheinitial1 000s

當電偶對剛投入時，電偶電流維持在數百μA量級，但隨時間增加，電偶電流開始迅速衰減變小。電偶對的電偶電位也逐漸由銅的腐蝕電位方向，逐漸向鍍鋅鋼的腐蝕電位方向偏移而發生負移。間距為10cm的電偶對的電偶電流分別在前200，400，500s內高于間距為4，6和8cm電偶對的電偶電流，但500s后，電偶電流下降至圖1(a)中5條曲線最低。就總體趨勢而言，在給定陰陽極面積比條件下，電偶對間距越大，電偶電流越小，電偶電位負移越快。

圖2為600h內，不同陰陽極間距的含水飽和土壤中電偶對電偶電流及電偶電位變化。全過程中電偶電流逐漸減小，大約在400h時，電偶電流穩定在一較小水平處(數μA量級)。電偶電位與電偶電流的變化曲線恰好相反，電偶電位雖有波動，但試驗過程中整體發生正移，這是因為隨腐蝕進行，金屬電極表面不斷覆蓋腐蝕產物，導致電極表面發生變化，直接影響陰極和陽極金屬的極化狀態，通過耦合電位的變化影響了耦合電流的大小。圖3為600h內不同陰陽極間距的電偶對流過的電荷量，隨陰陽極間距的減小，因電偶作用導致鍍鋅鋼材料腐蝕量近似呈線性關系增大。

圖2600h內不同陰陽極間距的含水飽和土壤1中電偶對電偶電流及電偶電位變化

Fig2Influenceofthedistancebetweenanodeandcathodeongalvaniccurrentandgalvanicpotentialofthegalvaniccoupleinthewater-saturatedsoilduringthe600hprocess

圖3600h不同陰陽極間距黃銅-鍍鋅鋼電偶對流過電荷量

Fig3Influenceofthedistancebetweenanodeandcathodeonthechargetransferthroughthegalvaniccoupleofthegalvanizedsteelandbrassin600h

2.2陰陽極面積比影響

以土樣2作為研究對象，配制含水量為飽和狀態(含水量略>40%)，陰陽極間距固定為10cm。600h內，陰陽極面積比依次為30∶1，20∶1，10∶1，5∶1，2∶1和1∶1的黃銅-鍍鋅鋼電偶對電偶電流及電偶電位變化見圖4所示。隨著電偶中陰極對陽極面積的比率增加，電偶電流逐漸增加，因此陽極腐蝕電流密度增大。隨著試驗進行，電偶電流逐漸減小，500h后降到最低值并達到相對穩定，此時電偶電流均不超過5μA。圖5為不同陰陽極面積比下黃銅-鍍鋅鋼電偶對流過的電荷量，隨陰陽極面積比增加，鍍鋅鋼材料腐蝕量顯著增大。

圖4600h不同陰陽極面積比的含水飽和土壤中電偶對電偶電流及電偶電位變化

Fig4Influenceofthearearatioofcathodetoanodeongalvaniccurrentandgalvanicpotentialofthegalvaniccoupleinthewater-saturatedsoilduringthe600hprocess

圖5600h不同陰陽極面積比黃銅-鍍鋅鋼電偶對電荷量

Fig5Influenceofthearearatioofcathodetoanodeonthechargetransferthroughthegalvaniccoupleofthegalvanizedsteelandbrassin600h

2.3土壤含水量影響

選取土樣1作為研究對象，配制含水量依次為10%，15%，20%，25%，30%以及含水飽和，固定陰陽極面積比為20∶1，研究含水量對電偶腐蝕行為的影響。實驗過程中通過監測重量的方式不斷補水以維持含水量穩定。

電偶投入后的前1 000s內，不同含水量的土樣1中電偶對電偶電流及電偶電位變化見圖6。與圖1對比可以發現，非含水飽和土壤中，電偶對剛投入時電偶電流僅維持在數十μA量級，隨時間增加，電偶電流未出現迅速衰減變小的現象。電偶對的電偶電位除在剛開始幾秒內出現小幅波動外，其后基本維持不變。圖6中含水飽和土壤中電偶對的電偶電流及電偶電位變化劇烈，與圖1中現象較為一致。1 000s內，6種不同含水量土壤中，電偶對電偶電流的大小關系為含水飽和?含水量30%>含水量25%>含水量15%>含水量20%>含水量10%。

圖6電偶對剛投入時不同含水量的土樣1電偶對電偶電流及電偶電位變化

Fig6Influenceofwatercontentongalvaniccurrentandgalvanicpotentialofthegalvaniccoupleinsoilsample1intheinitial1 000s

圖7為600h內，不同含水量的土樣1中電偶對電偶電流及電偶電位變化，隨時間增加，電偶對中電偶電流逐漸減小，大約300h后，電偶電流逐漸穩定，其中非飽和土壤中未發現電偶電流類似飽和土壤中會出現穩定的、接近于0的情況。對于電偶電位，非飽和土壤在一定范圍內波動，但未呈現整體負移或正移現象，而含水飽和土壤仍呈現出圖2或圖4中的電偶電位正移現象。因電偶作用導致陽極鍍鋅鋼的溶解量為含水量25%(60.3C)>含水量30%(49.5C)>含水量15%(25.5C)>含水量20%(23.4C)>含水飽和土壤(18.3C)>含水量10%(8.0C)，總體趨勢是隨含水量增加，電偶腐蝕先增強后又逐漸減弱。

在土樣1中未發現含水量與電偶腐蝕之間出現清晰的規律，因此又以土樣2作為研究對象，進一步分析土壤含水量對電偶腐蝕行為的影響，試驗過程中記錄的黃銅-鍍鋅鋼電偶對電偶電流以及電偶電位變化見圖8。含水量為30%的土樣相比其它含水量土壤的電偶電流變化較為特殊，其維持較高的電偶電流(50μA以上)大約100h。

圖7600h不同含水量的土樣1中電偶對電偶電流及電偶電位變化

Fig7Influenceofwatercontentongalvaniccurrentandgalvanicpotentialofthegalvaniccoupleinsoilsample1duringthe600hprocess

圖8600h不同含水量土樣2中電偶對電偶電流及電偶電位變化

Fig8Influenceofwatercontentongalvaniccurrentandgalvanicpotentialofthegalvaniccoupleinsoilsample2duringthe600hprocess

相比含水飽和情況，非含水飽和土壤中未發現電偶電流出現穩定的接近于0的情況，大致于200h后，電偶電流趨于穩定。電偶電位隨開始時電偶電流的下降而小幅度上升，整體逐漸趨于穩定值，也未見明顯正移或負移現象。600h后，非飽和土壤中黃銅-鍍鋅鋼電偶對電偶電流仍維持在某一較高水平。土樣2因電偶作用導致陽極鍍鋅鋼的溶解量為含水量30%(71.7C)>含水量15%(68.2C)>含水量25%(58.4C)>含水量20%(35.9C)>含水飽和土壤(27.0C)>含水量10%(23.4C)。

通過在土樣1和2中研究含水量對電偶加速腐蝕試驗的影響研究，可以看出，含水量的變化顯著影響電偶加速腐蝕量。含水量對電偶加速腐蝕試驗結果的影響較為復雜，兩者之間不存在簡單的關系。

600h后取出含水飽和土樣2的鍍鋅鋼試樣，采用荷蘭DEI公司Sirion200場發射掃描電子顯微鏡對腐蝕產物進行形貌分析，圖9為典型SEM照片。經電偶加速腐蝕形成的腐蝕產物膜不致密，且存在裂縫，對基體的保護性很差，土壤中腐蝕性離子可以通過裂縫滲入基體表面發生反應而形成腐蝕。

圖9600h后電偶加速腐蝕后含水飽和土樣2中鍍鋅鋼試樣腐蝕產物SEM圖

Fig9SEMimageshowingthecorrosionlayerofgalvanizedsteelafterthe600hgalvaniccorrosioninsaturatedsoilsample2

4　結　論

(1)鍍鋅鋼-黃銅電偶對金屬間的電位差、金屬電極的極化行為、陰陽極面積比和電偶電路中的內阻、外阻等是影響腐蝕試驗結果關鍵因素。電偶作用陰陽極間距與鍍鋅鋼材料腐蝕量近似呈線性關系。隨陰陽極面積比的增大，鍍鋅鋼接地材料的電偶腐蝕明顯加劇。

(2)電偶加速腐蝕實驗結果受含水量的變化的影響非常顯著，非含水飽和土壤中電偶腐蝕率高于含水飽和土壤。鑒于在數百小時的長試驗時間內保持含水量穩定的困難，電偶加速腐蝕試驗不宜在非含水飽和土壤中進行。

(3)鍍鋅鋼接地材料電偶腐蝕定量評價應固定電極材料、陰陽極間距、陰陽極面積比等關鍵試驗參數。

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Acceleratedgalvaniccorrosionevaluationmethodofgalvanizedsteelgroundingmaterial

ZHOUMi1，WANGJianguo1，ZHANGYu2，HUDanhui2，FANYadong1，CAILi1

(1.SchoolofElectricalEngineering，WuhanUniversity，Wuhan430072，China；2.ElectricPowerResearchInstitute，StateGridHubeiElectricPowerCompany，Wuhan430072，China)

Corrosioncharacteristicevaluationtechnology,asanaidedtooltostudysoilcorrosionofgroundingmaterials,isofimportancetoselectionofmaterialtypeanddesignofcrosssection.Acceleratedgalvaniccorrosiontestinsoil,withthegalvaniccoupleofthegalvanizedsteel(anode)andbrass(cathode),wasconductedinthispaper.Resultsshowthatthekeyfactorsofgalvaniccorrosionincludethepotentialdifferencebetweenanodeandcathode,thepolarizationbehaviorofthegalvaniccouple,andthearearatioofcathodetoanode,etc.Aroughlylinearincreaseincorrosionwasobservedasthedistanceofcoupledecreased.Withtheincreaseofthearearatioofcathodetoanode,thegalvaniccorrosionratewasobviouslyaccelerated.Thewaterinsoilexerteddominantcontrolovergalvaniccorrosionand,generally,thecorrosionrateofgalvaniccoupleinwater-saturatedsoilwaslargerthanthatinnon-saturatedsoil.Therefore,concerningthequantitativeevaluationofgalvanizedsteelcorrosioninsoilusingtheacceleratedgalvaniccorrosionmethod,theelectrodematerialtype,thegalvaniccoupledistance,andthearearatioofelectrodes,etc.,shouldbefixed.Acceleratedgalvaniccorrosiontestisnotsuitabletobecarriedoutinnon-saturatedsoil.

galvanizedsteel;brass;soil;acceleratedcorrosion;galvaniccorrosion

1001-9731(2016)08-08191-05

國家電網公司指南項目《重工業污染區輸電線路桿塔和接地網腐蝕防治技術研究與示范》(GY71-12-006)

2015-07-10

2015-09-11 通訊作者：王建國，E-mail:wjg@whu.edu.cn

周蜜(1986-)，男，湖北鄂州人，博士，副教授，主要從事雷電防護與接地技術研究。

TM241;TB31

ADOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.08.034