馬云瑞,商 正,寇曉適,張玉楠,董曼玲,王曉地,張宇鵬,李予全,謝 偉,姚德貴,朱金陽

(1.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院,鄭州 450052;2.北京科技大學(xué)國家材料服役安全科學(xué)中心,北京 100083)

在輸變電系統(tǒng)防的雷接地系統(tǒng)中,接地電極材料的穩(wěn)定性、導(dǎo)電性和耐蝕性是影響接地系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的鍍鋅鋼、鍍銅鋼、不銹鋼等接地材料由于長年處于潮濕土壤介質(zhì)中,面臨著嚴(yán)峻的腐蝕問題。近年來,為了解決傳統(tǒng)金屬接地材料易腐蝕的問題,以石墨復(fù)合材料為代表的新型非金屬接地材料逐漸在國內(nèi)重大工程項(xiàng)目中得到推廣使用。2018年,國家電網(wǎng)公司科技部印發(fā)《國家電網(wǎng)有限公司新技術(shù)推廣應(yīng)用計劃》通知之后,河南電網(wǎng)逐步推廣應(yīng)用石墨基柔性接地降阻技術(shù),涉及桿塔3 000多基。其中2018年底之前投運(yùn)桿塔332基,2019年597基,2020年2 432基,上升趨勢明顯。

但是,在現(xiàn)場應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)這種新型石墨基柔性材料金屬引下線部分的腐蝕問題與以前相比異常嚴(yán)重。以青豫直流線路工程為例,該線路工程河南段于2018年11月7日開工建設(shè),2019年8月即發(fā)現(xiàn)石墨基柔性接地裝置的鍍鋅圓鋼引下線存在明顯銹蝕,這給特高壓工程的安全運(yùn)行帶來了嚴(yán)重的潛在威脅。初步分析表明,鍍鋅鋼金屬引下線與柔性石墨網(wǎng)之間的異質(zhì)接觸電偶腐蝕問題是造成金屬引下線銹蝕嚴(yán)重的關(guān)鍵。因此,急需研究新型石墨基柔性防雷接地網(wǎng)與引下線間的電偶腐蝕規(guī)律及其防治關(guān)鍵技術(shù)。進(jìn)一步明確石墨接地網(wǎng)帶來的電偶腐蝕風(fēng)險規(guī)律及機(jī)理,對于新型石墨基柔性材料在電力系統(tǒng)接地網(wǎng)中的進(jìn)一步推廣應(yīng)用、充分發(fā)揮它的性能優(yōu)勢、提高電力系統(tǒng)的防雷保護(hù)水平,具有非常重要的意義。

電偶腐蝕具有存在廣泛、危害嚴(yán)重和影響因素復(fù)雜等特點(diǎn),主要受偶對材料特性、偶對幾何因素及環(huán)境因素的影響[1-4]。在材料特性方面,主要表現(xiàn)為偶對電位差及極化特性的差異,兩種材料的自腐蝕電位相差越大,其中電位偏負(fù)的材料作為陽極容易被腐蝕,而電位偏正的材料作為陰極則易受到保護(hù)[5],根據(jù)饒斌斌等[6]及田鵬輝等[7]的研究結(jié)果:石墨復(fù)合接地材料不受土壤條件的限制,其防腐蝕特性優(yōu)于現(xiàn)行的鋼、銅等金屬接地材料,在與鍍鋅鋼形成的電偶對中處于陰極。在偶對幾何因素方面,面積比對電偶腐蝕行為具有較大影響。溫度[8]、氧含量[9]、介質(zhì)導(dǎo)電性及流動狀態(tài)作為環(huán)境因素都對電偶腐蝕有復(fù)雜影響;由于本研究模擬土壤電偶腐蝕行為,試驗(yàn)中重點(diǎn)關(guān)注介質(zhì)導(dǎo)電性及含氧量。通常,氧是電偶腐蝕的主要去極化劑,氧含量不同,對腐蝕的影響也大不相同:對不同種類的金屬,氧在腐蝕過程中的作用是不同的,如在海水介質(zhì)中,對碳鋼、低合金鋼和鑄鐵等不發(fā)生鈍化的金屬,增加氧含量,會加速陰極去極化過程,加速金屬腐蝕加;而對于鋁和不銹鋼等易鈍化金屬,增加氧含量有利于鈍化膜的形成和修補(bǔ),增強(qiáng)其穩(wěn)定性,減小點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕的傾向性。而介質(zhì)的電導(dǎo)率會影響局部腐蝕電流通過介質(zhì)產(chǎn)生的電位降,如果電導(dǎo)率高,兩極間溶液的電阻小,溶液的歐姆降可以忽略,電流的有效距離可達(dá)幾十厘米,電偶電流可分散到離接觸點(diǎn)較遠(yuǎn)的陽極表面,陽極所受的腐蝕較“均勻”;如果介質(zhì)的電導(dǎo)率低,兩極間引起的歐姆降大,腐蝕便會集中在離接觸點(diǎn)較近的陽極表面上,這相當(dāng)于把陽極的有效面積“縮小”了,陽極表面的某些局部位置溶解速度增大。楊勇進(jìn)等[10]測試了不同材料組成的電偶對的電偶電流,結(jié)果表明具有不同電位的材料接觸時極易發(fā)生電偶腐蝕,必須采取有效的防護(hù)措施。

本工作以河南面臨的桿塔接地引下線腐蝕問題為需求背景,通過模擬河南典型土壤介質(zhì)環(huán)境,通過電化學(xué)測試和數(shù)值仿真模擬分析,系統(tǒng)研究了典型金屬引下線(鍍鋅鋼)與柔性石墨網(wǎng)之間的電偶腐蝕規(guī)律及機(jī)理,明確了不同關(guān)鍵環(huán)境因素(土壤電阻率、含氧量)對鍍鋅鋼-石墨網(wǎng)電偶腐蝕行為的影響規(guī)律,并結(jié)合試驗(yàn)研究與數(shù)值結(jié)果分析,對石墨基柔性接地裝置中的引下線腐蝕問題提出相應(yīng)的緩解和應(yīng)對措施及建議。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

以工程實(shí)際應(yīng)用的鍍鋅圓鋼和柔性石墨網(wǎng)作為試驗(yàn)對象,其中,鍍鋅圓鋼以Q235鋼為基體,表面鍍鋅層厚度超過55 μm。柔性石墨網(wǎng)電阻率р≤3×10-5Ω·m。

1.2 試驗(yàn)方法

對非偶接的鍍鋅鋼和柔性石墨網(wǎng)進(jìn)行電化學(xué)測試:試驗(yàn)設(shè)備為Gamry Reference 600型電化學(xué)工作站,采用傳統(tǒng)三電極體系,以非偶接的鍍鋅鋼/石墨網(wǎng)作為工作電極,見圖1,鉑片為輔助電極,飽和甘汞電極(SCE)為參比電極。極化曲線的掃描范圍相對于開路電位-350～+400 mV,掃描速率0.2 mV/s。試驗(yàn)溶液為3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaCl溶液,向溶液中通入氮-氧混合氣體(其中氧的體積分?jǐn)?shù)為10%),溶液電導(dǎo)率100 μS/cm,試驗(yàn)溫度為室溫。

(a) 鍍鋅鋼電極

“鍍鋅鋼+石墨網(wǎng)”電偶對的電化學(xué)測試過程如下:以鍍鋅鋼作為1號工作電極,石墨網(wǎng)作為2號工作電極,SCE為參比電極,試驗(yàn)溫度為室溫。采用電化學(xué)工作站進(jìn)行電偶電位和電偶電流的連續(xù)測試,參照GB/T 15748—2013《船用金屬材料電偶腐蝕試驗(yàn)方法》,兩電極之間距離3～5 mm,當(dāng)電偶電流和電偶電位達(dá)到穩(wěn)定后結(jié)束測試。測試在室溫下進(jìn)行,研究面積比對電偶對電化學(xué)行為的影響時,室溫,電導(dǎo)率200 μS/cm,氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%,鍍鋅鋼與石墨網(wǎng)面積比分別為1∶3,1∶5和1∶7;研究氧含量對電偶對電化學(xué)行為的影響時,電導(dǎo)率100 μS/cm,鍍鋅鋼與石墨網(wǎng)面積比1∶5,氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、10%,15%;研究電導(dǎo)率對電偶對電化學(xué)行為的影響時,氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%,鍍鋅鋼與石墨網(wǎng)面積比1∶5,電導(dǎo)率分別為100,200,300,1 000 μS/cm。

2 結(jié)果與討論

2.1 非偶接鍍鋅鋼和石墨網(wǎng)的電化學(xué)行為

對非偶接的鍍鋅鋼和石墨網(wǎng)進(jìn)行電化學(xué)測試前,穩(wěn)定自腐蝕電位(OCP),時間為1 200 s。OCP穩(wěn)定后,進(jìn)行線性極化(LPR)測試和動電位Tafel極化曲線測試。氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%,電導(dǎo)率100 μS/cm,室溫常壓條件下測試。圖2為非偶接鍍鋅鋼、石墨網(wǎng)試樣的動電位極化曲線,采用Gamry電化學(xué)工作站內(nèi)置軟件對極化曲線進(jìn)行擬合,結(jié)果表明鍍鋅鋼試樣和柔性石墨試樣的自腐蝕電流密度分別為2.8×10-5A/cm2和1.2×10-6A/cm2。按照公式(1),通過自腐蝕電流密度計算材料腐蝕速率。

圖2 非偶接鍍鋅鋼、石墨網(wǎng)試樣的動電位極化曲線

(1)

式中:vcorr為平均腐蝕速率,mm/a;Jcorr為自腐蝕電流密度,A/cm2;A為金屬原子量,56;n為得失電子數(shù),2;D為金屬材料密度,7.86 g/cm3。

計算結(jié)果表明,在上述模擬土壤環(huán)境中,鍍鋅鋼在無偶接情況下的理論腐蝕速率約為0.33 mm/a。

從腐蝕熱力學(xué)角度分析,相比于柔性石墨試樣,鍍鋅鋼試樣的自腐蝕電位更負(fù)。根據(jù)異金屬共軛體系理論,當(dāng)兩種異金屬接觸時,電位更負(fù)的一極即鍍鋅鋼為電偶腐蝕陽極,腐蝕加速。

2.2 偶接鍍鋅鋼、石墨網(wǎng)試樣的電化學(xué)性能

2.2.1 鍍鋅鋼/石墨網(wǎng)面積比的影響

保持腐蝕介質(zhì)電導(dǎo)率200 μS/cm,氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%,改變鍍鋅鋼/石墨網(wǎng)面積比分別為1∶3，1∶5，1∶7,對不同鍍鋅鋼/石墨網(wǎng)面積比條件下偶接試樣的電偶電位和電偶電流密度進(jìn)行連續(xù)測試,結(jié)果見圖3。

(a) 電偶電流密度-時間曲線

由圖4可見:隨著鍍鋅鋼/石墨網(wǎng)面積比的降低,電偶試樣的電偶腐蝕速率逐漸升高,且增長倍數(shù)與面積比增大倍數(shù)基本一致,這說明面積比與鍍鋅鋼的電偶腐蝕速率成正比,且加速倍率的增長與面積比的增長基本呈線性相關(guān)。由于鍍鋅鋼的自腐蝕電位較低,在電偶對中為陽極,所以電偶試樣的腐蝕主要也是鍍鋅鋼的腐蝕。

圖4 不同面積比條件下電偶試樣的電偶腐蝕速率

2.2.2 陰極去極化劑(含氧量)的影響

保持腐蝕介質(zhì)電導(dǎo)率100 μS/cm,鍍鋅鋼/石墨網(wǎng)面積比1∶5不變,改變含氧量分別為5%、10%、15%,監(jiān)測了電偶試樣在不同氧含量試驗(yàn)環(huán)境中的電偶電位和電偶電流密度,結(jié)果見圖5。

由圖5可見:兩種材料偶接后的電偶電位位于兩種材料自腐蝕電位的中間值,且隨著含氧量升高,電偶電位逐漸偏負(fù),趨向于鍍鋅鋼的自腐蝕電位;電偶電流密度逐漸增大。由圖6可見:隨著含氧量的升高,電偶試樣(鍍鋅鋼)的電偶腐蝕速率逐漸升高,腐蝕速率基本與氧含量呈線性正相關(guān)。

(a) 電偶電流密度-時間曲線

圖6 不同含氧量條件下,電偶試樣的電偶腐蝕速率

2.2.3 土壤電阻率的影響

保持鍍鋅鋼/石墨網(wǎng)面積比1∶5,含氧量15%不變,改變模擬液電導(dǎo)率,分別為100,200,300,1 000 μS/cm,監(jiān)測了電偶試樣在不同土壤電阻率條件下的電偶電位和電偶電流密度,結(jié)果見圖7。

由圖7可見:隨著介質(zhì)電導(dǎo)率的升高,電偶電位逐漸偏負(fù),電偶電流密度逐漸增大,且1 000 μS/cm條件下的結(jié)果與其他條件下的相比,存在明顯差異。

(a) 電偶電流密度-時間曲線

由圖8可見:隨著電導(dǎo)率的增大,電偶試樣(鍍鋅鋼)的電偶腐蝕速率總體呈升高趨勢,且在1 000 μS/cm條件下約為4.41 mm/a。

圖8 不同電導(dǎo)率比條件下,電偶試樣的電偶腐蝕速率

2.3 電偶腐蝕評級與防護(hù)措施

為了進(jìn)一步量化和定性評價偶接后電偶效應(yīng)對腐蝕的加速效應(yīng),以無偶接下鍍鋅鋼的腐蝕速率為基準(zhǔn),采用公式(2)獲得電偶腐蝕加速效應(yīng)系數(shù)。

(2)

式中:vcorr偶接后為偶接石墨網(wǎng)的鍍鋅鋼的腐蝕速率;vcorr偶接前單獨(dú)鍍鋅鋼的腐蝕速率。

同時,參照HB 5374—1987《不同金屬電偶腐蝕電流測定方法》,根據(jù)電偶腐蝕的平均電流密度大小,將電偶腐蝕敏感性分為5個等級:A級,電偶電流密度Jg≤0.3 μA/cm2;B級,0.3

按式(1)計算得到無偶接鍍鋅鋼在室溫,電導(dǎo)率100 μS/cm,氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%環(huán)境中的腐蝕速率為0.33 mm/a,由表1可見:隨著石墨網(wǎng)的相對面積逐漸增大,電偶加速效應(yīng)逐漸增強(qiáng)。參照上述等級劃分,在不同面積比條件下的鍍鋅鋼在偶接石墨網(wǎng)工況下的電偶腐蝕電流密度均超過10.0 μA/cm2,即電偶腐蝕敏感性等級達(dá)到最高級E級,存在極高的腐蝕風(fēng)險,在實(shí)際使用中應(yīng)限制上述兩種材質(zhì)的組合使用。

表1 不同面積比條件下電偶腐蝕加速效應(yīng)系數(shù)與電偶腐蝕風(fēng)險等級評價結(jié)果

由表2可見:隨著環(huán)境中含氧量升高,電偶加速效應(yīng)逐漸增強(qiáng);參照電偶腐蝕敏感性等級劃分,在不同含氧量條件下的鍍鋅鋼在偶接石墨網(wǎng)工況下的電偶腐蝕電流密度均超過10.0 μA/cm2,即電偶腐蝕敏感性等級達(dá)到最高級E級,具有較高的腐蝕風(fēng)險。

表2 不同含氧量條件下的電偶腐蝕加速效應(yīng)系數(shù)與電偶腐蝕風(fēng)險等級評價結(jié)果

由表3可見:隨電導(dǎo)率升高,電偶加速效應(yīng)逐漸增大。參照電偶腐蝕敏感性等級劃分,在不同電導(dǎo)率條件下,鍍鋅鋼在偶接石墨網(wǎng)工況下的電偶腐蝕電流密度均超過10.0 μA/cm2,電偶腐蝕敏感性等級達(dá)到最高級E級,具有較高的腐蝕風(fēng)險。

表3 不同電導(dǎo)率條件下的電偶腐蝕加速效應(yīng)系數(shù)與電偶腐蝕風(fēng)險等級評價結(jié)果

針對電偶腐蝕敏感性達(dá)到E級的電偶對材料,應(yīng)避免兩種材料直接使用,或者采用防護(hù)手段減緩其腐蝕進(jìn)程,例如物理隔絕,外加陰極保護(hù)等。其中,物理隔絕可用密封料或塑料薄膜對偶對試樣(主要針對鍍鋅鋼)進(jìn)行完全覆蓋,隔離外界環(huán)境[11]。關(guān)于外加陰極保護(hù),外加電流與另接金屬對防雷接地系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)意義不大[12-13],可以考慮從各方面提升鍍鋅層的完整性,例如增厚鍍鋅層,在鍍鋅鋼的運(yùn)輸及安裝過程中增加物理防護(hù)措施避免表面缺陷的產(chǎn)生[14]。

3 結(jié)論

(1)從腐蝕熱力學(xué)角度分析,在新型柔性石墨網(wǎng)接地裝置中,相比柔性石墨電極,鍍鋅鋼的自腐蝕電位更負(fù),為電偶腐蝕陽極,腐蝕進(jìn)程被加速。

(2)隨著鍍鋅鋼/石墨網(wǎng)面積比的降低、土壤含氧量、電導(dǎo)率的升高,鍍鋅鋼的電偶腐蝕速率逐漸升高,在含氧量15%和電導(dǎo)率1 000 μS/cm條件下,相比無偶接下的腐蝕，其電偶腐蝕加速倍率分別達(dá)到13.36和5.18,電偶加速效應(yīng)明顯。

(3)在本研究所有測試條件下,鍍鋅鋼-石墨網(wǎng)間的電偶腐蝕敏感性等級均達(dá)到最高級E級,說明上述兩種材料間有很強(qiáng)的電偶效應(yīng),在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡量避免這兩種材質(zhì)組合使用。如果無法避免上述兩種材料的耦合,或者在現(xiàn)有已安裝石墨接地網(wǎng)裝置中,應(yīng)采用物理阻隔、外加陰極保護(hù)等防護(hù)手段。