变电站土壤腐蚀性评价及接地网金属腐蚀特性分析.pdf

文章编号：1003-8337（2009）04-0018-05收稿日期：2009-05-21作者简介：朱志平（1963），男，湖北天门人，教授，主要从事锅炉水化学工况及电力设备的腐蚀与防护研究。基金项目：湖南省自然科学基金（编号：09JJ），湖南省教育厅科技项目（编号04C109）。2009年第4期（总第230期）2009年8月电瓷避雷器Insulators and Surge ArrestersNo4.2009(Ser.230)Aug.20090引言土壤是一个由气、液、固三相物质构成的多介质胶质体，颗粒间充满空气、水分和各种盐类等物质，使其成为电解质，接地网在土壤中遭受电化学腐蚀。土壤中的部分氧气溶解在水中，与接地体构成一个氧化还原 电 池。阳 极(接 地 体)逐 渐 失去 电子，变成铁锈，从而引起了接地网的腐蚀。由于土变电站土壤腐蚀性评价及接地网金属腐蚀特性分析朱志平1，马骁2，荆玲玲1，熊书华1，张辉1（1.长沙理工大学，长沙410032；2.中国电力投资集团公司，北京100032）摘要：变电站土壤的腐蚀性与接地网金属服役寿命密切相关。分析了某变电站接地网11个典型部位土壤样品的电阻率、氧化还原电位、含水量、含盐量、pH值、Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、Ca2+、Mg2+等理化指标，根据相关标准分析、评估该变电站土壤腐蚀性；同时用扫描电镜（SEM）、能谱（EDAX）分析了该变电站接地网金属样品腐蚀特性，认为：土壤的腐蚀性决定于土壤电阻率、氧化还原电位及Cl-、SO42-含量，许多情况下，Cl-与SO42-对接地网金属腐蚀起到促进作用。并提出了防腐方法。关键词：接地网；土壤腐蚀性；防腐特性分析中图分类号：TM862文献标识码：ASoil Corrosion Evaluation of Substation and Metal CorrosionCharacteristics Analysis For Grounding GridZHU Zhi-ping1，MA Xiao2，JING Lin-lin1，XIONG Shu-hua1，ZHANG Hui1（1.College of Chemistry and Environment Engineering,Changsha University of Science and Technology,Changsha,410076 China;2.China power investment corporation,Beijing,100032 China)Abstract：The soil corrosiveness of substation was closely bound up with the service life ofgrounding grid metals.The physics and chemistry index of soil samples from 11 typical parts of a sub-station,including resistance,redox potential,water content,salt content,pH value,Cl-,SO42-,HCO3-,Na+,Ca2+,Mg2+were analyzed,the soil corrosion property were analyzed and evaluated by related stan-dard.Meanwhile,the corrosion characteristics of grounding grid metal samples were analyzed by scan-ning electron microscope(SEM)and energy dispersive analysis of xray(EDAX).Thus the findings arethe soil corrosion properties depend on soil resistance,redox potential and content of Cl-and SO42-.Inmany situations,Cl-and SO42-accelerate the corrosion of grounding grid metal.The anti-corrosionmethods were proposed.Key words：grounding grid;corrosive property;analysis on anti-corrosion characteristics輥輶1.2结果分析1.2.1土壤电阻率土壤电阻率是含水量、含盐量、pH值、土壤质地、温度和松紧度等性质的综合反映，它反映了土壤介质的导电能力。一般来说，电阻率低的土壤腐蚀性强，反之腐蚀性弱。表2给出了不同国家的土壤电阻率评价土壤腐蚀性标准4。根据实验结果，并结合我国标准，单由土壤电阻率来评价土壤腐蚀性的话，所取11个土壤样品均为弱或极弱腐蚀性土壤。1.2.2土壤氧化还原电位土壤氧化还原电位是反映土壤通气状况，反映土壤介质氧化还原程度强弱的一个综合性指标，它受土壤水分、有机质、盐基状况、通气性的影响。一般情况下，土壤的氧化还原电位较高时，土壤的氧化性强，加速碳钢腐蚀；反之，腐蚀减慢。然而，在氧化还原电位较低、还原性较强的土壤中，编号电阻率/m氧化还原电位/mVpHpNa含 水 量(质量分数，%)含 盐 量(质量分数，%)Cl-(质量分数，%)SO42-(质量分数，%)HCO3-(质量分数，%)Ca2+Mg2+(质量分数，%)1#579.6287.67.152.5713.020.7550.0620.2550.0240.982#383.6315.17.372.7311.870.7250.0780.2690.0321.133#781.4281.87.312.215.890.4150.0590.1960.0080.364#277.3287.06.762.316.100.9050.1850.3720.0081.065#260.0327.67.412.5310.851.4680.3250.3820.0322.006#142.0294.77.212.659.530.9330.0750.3750.0241.517#425.7265.66.582.748.500.9380.1260.3840.0161.878#290.4328.57.482.568.821.1450.0940.3920.0322.069#484.3282.46.682.014.310.1600.0190.0710.0160.1210#369.2273.56.552.083.640.4200.0620.1740.0080.7311#476.8245.06.712.295.200.3780.0750.0910.0080.23壤组成、结构和性质的不均匀性，接地网在土壤中的腐蚀主要表现为局部腐蚀。如接地体穿越不同松紧的土壤时，土壤紧的区域缺氧，形成阳极，接地体较土壤松的区域腐蚀严重，这样就形成接地网局部腐蚀1-2。影响土壤腐蚀性的因素，除了使用的材料外，还包括土壤的电阻率、氧化还原电位、pH值、含盐量、含水量、各种阴离子含量(主要指Cl-、SO42-、HCO3-)、土壤温度，以及土壤中生存的数量不等的若干种土壤微生物和杂散电流等多种因素，且各种因素之间交互作用，这就使得土壤腐蚀性的测定和判别存在一定的复杂 性 和 难 度3。此 外，地 区 分布、气候等条件也对土壤性质施加着影响。研究和评价土壤腐蚀性的方法一般可分为三类，即现场实测技术和方法、由土壤的理化性质研究土壤腐蚀性和室内模拟试验法、电化学测试法。本项研究中主要通过实验室测得土壤样品的各种理化性能指标，再根据实验数据综合评价土壤样品的腐蚀性；同时，分析接地网金属的腐蚀特性，探讨接地网金属的防腐方法。1变电站土壤腐蚀性评价1.1土壤理化性能测定为分析某变电站土壤腐蚀特性，在接地网附近挖取11个典型土样，分析土壤的理化性能，如电阻率、氧化还原电位、含水量、含盐量、pH值、Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、Ca2+、Mg2+等理化指标，再根据国内外相关评价标准，对土壤腐蚀性进行评估。表1给出了11个土样的理化性能分析结果。表1实验结果土壤腐蚀程度土 壤 电 阻 率/m中国美国前苏联日本法国英国低50501006030100较低456050100中等2050204520100204515252350较高10201020高2071051020515923特高7.5559表2不同国家的土壤电阻率评价土壤腐蚀性标准2009年第4期电瓷避雷器（总第230期）輥輷它预示微生物腐蚀亦较强，在厌氧条件下，在含有硫酸盐和有机质较多的土壤中，易产生微生物腐蚀。表3给出了土壤腐蚀性与氧化还原电位的分级标准5。从测定结果来看，若单从土壤氧化还原电位考虑，11个试样均为轻微腐蚀性土壤。1.2.3土壤含水量土壤中水含量对金属腐蚀速率的影响存在一个最大值，即当土壤水含量低于此最大值时，随着水含量的增加土壤的腐蚀性增加；但当土壤水含量高于此最大值时，水含量再增加土壤的腐蚀性反而下降。另外，土壤中氧含量还会通过改变电化学阳极反应速度，间接地影响土壤腐蚀过程；同时它还影响土壤中金属的电极电位，从而影响土壤的腐蚀性。而土壤中水分和氧气的含量之间还存在着此消彼长的关系，即水含量增加，氧气量减少，反之亦然。当两者达到某一合适的比例时，土壤腐蚀性达到最大值。由此可见，土壤中水分含量测定的重要性6，土壤腐蚀性与其含水量、含盐量的关系见表4。根据表4及实验测定结果，单由含水量评价土壤腐蚀性能时，1#为极强腐蚀性土壤；2#、5#为强腐蚀性土壤；6#、7#、8#为中度腐蚀性土壤；3#、4#、9#、10#、11#为轻微腐蚀性土壤。1.2.4土壤pH值土壤pH值会影响金属在土壤中的电极电位：在强酸性土壤中它通过H+的去极化过程直接影响阴极极化；而在氧的去极化占主导的土壤中，土壤的酸度是通过中和阴极过程所形成的OH-而影响阴极极化的；另外，当土壤的pH值不同时，所形成的腐蚀产物的溶解度也不同，通过它也将影响阴极极化。通过测定土壤pH值可以判定土壤的酸碱性，从而确定金属材料受土壤腐蚀的程度。土壤的酸性越强其腐蚀性也越强7，土壤pH值与腐蚀 等级分类见表5。若单从土壤pH值来划分的话，11个土壤样品均属于弱腐蚀性土壤。1.2.5土壤含盐量土壤中的盐分不仅种类多，而且变化范围大。土壤的含盐量增加，使作为电介质的土壤导电性增强，电阻率下降，土壤腐蚀性提高；另一方面，含盐量提高，氧的溶解度降低，使土壤腐蚀的电化学阴极过程被削弱，金属的腐蚀速度则减缓。土壤盐分除了对土壤腐蚀介质的导电过程起作用外，有时还参与电化学反应，通过影响土壤中金属的电极电位，从而对土壤腐蚀发生影响。故土壤的含盐量与土壤腐蚀性强弱之间存在一定的对应关系6，其对应关系见表4。由表4可知，单从土壤含盐量考虑，5#属于极强腐蚀性土壤；1#、2#、4#、6#、7#、8#属于强腐蚀性土壤；3#、10#、11#属于中度腐蚀性土壤；只有9#是轻微腐蚀性土壤。1.2.6土壤Cl-、SO42-含量土壤中的阳离子(如K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Al3+等)对土壤腐蚀性的影响不明 显，其 中Ca2+还 能 降低土壤的腐蚀性。土壤中不同种类的盐对腐蚀的作用不完全相同，这主要是由于不同的盐所带来的阴离子不同。其中以Cl-对钢的钝性破坏最大，它能加速腐蚀阳极过程，是一种腐蚀性最强的阴离子；Cl-含量愈高，土壤的腐蚀性越强。SO42-不仅对钢的腐蚀有促进作用，而且对某些混凝土材料也产 生 腐 蚀。CO32-及HCO3-对碳钢的腐蚀作用也是不同的，前者对腐蚀起阻碍作用，而后者则没有这种作用。有文献指出Cl-含量与土壤腐蚀性等级关系见土 壤 腐 蚀 性严重中等轻微无氧化还原电位/mV（相对氢电极SHE）400表3土壤腐蚀性与氧化还原电位腐 蚀 程 度含 水 量含 盐 量极轻3400.050.2中度710或30400.20.5强1012或25300.51.2极强12251.2表4土壤腐蚀性与含水量、含盐量的关系(质量分数，%)表5土壤pH值评价标准等 级强中弱土壤pH值110-20.00500.012106(质量分数，下同)时，腐蚀严重。根据上述标准，从实验结果来看，11个土壤样品中，除了9#、10#、11#之外，其它样品的Cl-、SO42-含量都远大于评价标准中的强腐蚀性标准，如Cl-高达0.325%(5#)，而SO42-含量也大多数都0.3%。故从Cl-、SO42-含量综合考虑的话，至多把9#、10#、11#归为腐蚀性土壤，其余样品应全部归为强腐蚀性土壤。1.3腐蚀性等级评价根据岩土工程勘察规范(GB50021-94)和全国土壤腐蚀性试验网站试验方法10，可按照下述标准对土壤腐蚀性等级进行综合评价：(1)只出现弱腐蚀，无中等腐蚀或无强腐蚀时，应综合评价为弱腐蚀；(2)无强腐蚀时，腐蚀等级最高为中等腐蚀，应综合评价为中等腐蚀；(3)有1个或2个为强腐蚀时，应综合评价为强腐蚀；(4)有3个或3个以上为强腐蚀时，应综合评价为严重腐蚀。根据第2.3部分分析结果及上述标准，综合评价该实验中11个土壤样品的腐蚀性等级如表7所示。2变电站地网金属腐蚀情况与防护措施2.1接地网金属腐蚀状况接地网发生腐蚀后，往往会使碳钢材料变脆、起层、松散，甚至会多处发生断裂，导致接地电阻升高，不能满足接地网设计要求，这样流经接地装置的电流不能迅速流向大地，以至于电网高压窜入二次回路及操作系统，在遭受雷电或短路时，引发大面积电网事故。带来巨大的经济损失和不良的社会影响。从变电站现场取回的接地网样品（555镀锌扁钢）的腐蚀情况图1所示，图1-（a）样品中镀锌完全被腐蚀掉，基体金属腐蚀严重，主要以局部腐蚀为主，腐蚀产物呈棕红色，呈层状脱落；除去扁钢样品表面附着的泥土后仔细观察发现，腐蚀产物主要分三层：表层为棕红色，结构较为疏松，极易脱落；第二层为黑色，大约有12mm厚，非常坚硬很难去除，且中间夹杂有类似盐类的白色物质（去除表面腐蚀产物后，发现有腐蚀坑，为点腐蚀特征）；内层很薄，与基体结合很牢固。图1-（b）样品中镀锌层呈不完整状态，如果土壤湿分增加，该镀锌层也会快速被腐蚀掉。该现象说明采用镀锌措施来减缓或防止腐蚀的效果不佳。另外，结合第2部分的分析可知，这主要是由于土壤中Cl-和SO42-含量过高所致。研究表明，Cl-的存在能使钢的自然腐蚀电位和孔蚀电位产生明显负移，在SO42-同时存在且浓度较大的情况下，还会产生加强负移的效果。此外，由于SO42-浓度较大，当土壤中存在硫酸盐还原菌时，该微生物参与腐蚀过程，会加速钢的均匀腐蚀行为。土壤中钢铁发生电化学腐蚀时，铁表面会附着一层氢氧化亚铁，氢氧化亚铁不稳定，会与土壤中水和氧气反应生成氢氧化铁，氢氧化铁随后会分解为氧化铁和水，该腐蚀反应生成的氧化铁会比较疏松，对金属基体没有保护性，腐蚀反应会继续进行。土壤中接地网发生电化学腐蚀，根本原因是土壤中金属和介质的电化学不均一性形成腐蚀原电池造成的。碳钢在土壤中腐蚀主要为吸氧腐蚀，土壤中的水溶解大量的氧并且增加氧的扩散速度。土壤中厌氧微生物的新陈代谢产物可改变土壤氧浓度、腐 蚀 等 级土 壤 样 品 编 号严重腐蚀1#、2#、5#强腐蚀3#、4#、6#、7#、8#中度腐蚀9#、10#、11#表711个样品腐蚀性等级评价结果(a)(b)图1扁钢腐蚀样品的宏观形貌2009年第4期电瓷避雷器（总第230期）輦輯电解质浓度和土壤pH值，能促进电化学腐蚀的阴极去极化过程而加速地网腐蚀。土壤的特殊环境致使碳钢在土壤中极易腐蚀，一般接地网构件10 a腐蚀锈断，快的仅需3 4 a。因此，必须对接地网采取科学合理的防腐方法，使其达到预期寿命。2.2接地网金属腐蚀样品电镜分析与能谱分析接地网金属腐蚀样品的电镜分析（扫描电镜分析，SEM）与能谱分析（EDAX）结果如图2图5所示。图2、图3分别为接地网金属腐蚀样品腐蚀面、腐蚀产物的SEM图；图4、图5分别为接地网金属腐蚀样品腐蚀面、腐蚀产物的EDAX图。图2，图4表明接地网扁钢腐蚀面以Fe、O、C为主要元素。图3，图5表明接地网扁钢腐蚀产物以Fe、O、Ca、Zn、C为主要元素，这与该扁钢试样腐蚀本身的阳极过程：FeFe2+2e和主要的阴极过程：1/2O2+H2O+2e2OH-是一致的，Ca来自土壤中，Zn来自镀锌层；其它元素如Cl、S来自于土壤中，在湿分作用下促进扁钢腐蚀。2.3接地网金属防腐蚀措施目前，一些常用的接地网防腐方法如下。2.3.1加大接地体截面加大接地体截面是解决地网腐蚀的有效手段之一。近20年来，为了避免腐蚀引发事故扩大等不安全因素，电力设计部门对地网的设计采取增大接地体截面来弥补其腐蚀，但增加了钢材的消耗量。2.3.2采用镀锌扁钢20世纪90年代，国内“地网材料基本规范”规定接地网材料使用镀锌园钢、扁钢、角钢，但采用镀锌法防腐的问题则是有效寿命较短，锌在盐碱地很快会被氯离子腐蚀。2.3.3采用镀铜法对地网进行防护在钢表面实施多次高温电镀铜的工艺，镀上0.25 mm厚、纯度为99.9%电解铜，该方法能够确保深埋在地下30 a不受腐蚀，腐蚀速率小于l kg/A.a，其费用约为钢包铜接地极的2倍。2.3.4采用耐腐蚀的金属来代替钢铜在土壤中腐蚀速率很低，且铜和钢相比具有更低的渗透性和更高的导电性。采用铜较碳钢提高接地体寿命1 2倍，但增加投资5 6倍，有污染地下水的可能。2.3.5采用导电涂料防止地网腐蚀涂刷导电防腐涂料是一种较为实用的新型防腐技术。它的作用在于使金属构件表面与土壤介质隔离开来，以阻碍金属表层微电池的腐蚀作用。2.3.6接地网的阴极保护阴极保护（分为牺牲阳极与外加电流法两种）属于电化学保护，即是从电化学角度出发进行的防腐措施10-11。阴极保护法就是通过对被保护的金属施加一定的阴极电流，使被保护金属的电位负于某一电位值，从而使发生在其上的阳极反应得到抑制，最终使金属腐蚀得到控制，达到防止或抑制被保护金属构筑物发生电化学腐蚀的技术。合理实施阴极保护可以抑制被保护金属的电化学腐蚀，延长其使用寿命，保证设备的安全运行。阴极保护的投资一般占总投资的2%4%，但可延长设备使用寿命一倍以上。(下转第26页）图2扁钢腐蚀样品腐蚀面SEM图图5扁钢腐蚀样品腐蚀产物EDAX图图3扁钢腐蚀样品腐蚀面EDAX图图4扁钢腐蚀样品腐蚀产物SEM图2009年第4期变电站土壤腐蚀性评价及接地网金属腐蚀特性分析（总第230期）輦輰者认为，研究雷击入射角在三维空间的变化对绕击率的影响将会更全面的反映实际情况。参考文献：1国家电网公司生产运营部国家电网公司2003年生产运行情况分析 R北京：国家电网公司生产运营部，20042李培国国外对特高压输电线路雷击跳闸原因的一个新观点J电网技术，2000，24(7)：63-653马宏达各种避雷针的结构及其防雷性能J电网技术，2000，24(12)：53-574维列夏金，吴维韩俄罗斯超高压和特高压输电线路防雷运行经验分析 J高电压技术，1998，24(2)：76-795易辉，崔江流我国输电线路运行现状及防雷保护J高电压技术，2001，27(6)：44-456钱冠军 500 kV线路直击雷典型事故调查研究J高电压技术，1997，23(2)：73-757邓维，篮磊，文习山，等.用广义回归神经网络研究输电雷电绕击特性J.高电压技术，2006，32(5)：26-30.8杜澍春，陈维江.高压直流输电线路的雷电性能J.中国电机工程学报，1992，12(2)：58-64.9 王晓彤，施围，刘文泉.改进电气几何模型计算输电线路绕击率J.高电压技术，1998，24(1)：85-87.10 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