劉 欣,何一鵬,田 旭,賈蕗路,裴 鋒,劉光明,張 宇,徐碧川

(1.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院,南昌 330096; 2.南昌航空大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,南昌 330063)

特高壓直流輸電技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)低損耗遠距離輸電[1],進入21世紀后特高壓直流輸電工程的建設(shè)在我國快速發(fā)展。隨著特高壓直流輸電系統(tǒng)的輸電容量不斷提高,線路運行的穩(wěn)定性和相關(guān)設(shè)備的服役安全性要求也逐漸提高[2-3]。目前,我國特高壓直流輸電系統(tǒng)的接地材料通常選擇較廉價的碳鋼[4]。然而,土壤環(huán)境復(fù)雜,輸電過程中可能有直流雜散電流通過接地網(wǎng)流入地下,線路的接地極可能面臨腐蝕問題。尤其是變電站附近接地網(wǎng)入地電流較大,這些雜散電流會對接地極及其附近的埋地金屬造成嚴重腐蝕。海南省變電站接地網(wǎng)腐蝕情況調(diào)研結(jié)果顯示,變電站接地網(wǎng)嚴重腐蝕占比40%,重度腐蝕占比9%[5]。接地網(wǎng)的腐蝕位置隱秘,監(jiān)測難度大。為了避免接地網(wǎng)腐蝕斷裂引起的電力系統(tǒng)故障,對接地系統(tǒng)的腐蝕情況進行長期監(jiān)測具有重要意義。

目前,電力和石油行業(yè)對直流干擾強度的判別標準主要是:當(dāng)直流接地極泄漏的電流密度高于1 μA/cm2,或接地極入地電流引起的接地材料腐蝕電位較自然電位的正向偏移電壓大于100 mV時應(yīng)采取保護措施。影響接地網(wǎng)腐蝕速率的直接因素是接地網(wǎng)各部位的直流電流密度大小[6]。一般來說,直接電流的測量需考慮腐蝕電化學(xué)檢測中傳感器的限流和雜散電流的干擾問題[7],直接測量電流密度變化趨勢難度較大。目前,研究較多的是采用接地材料的對地電位偏移量來間接評價其腐蝕趨勢,但由于入地電流不穩(wěn)定,且接地網(wǎng)對地電位變化響應(yīng)延遲,單次的電位檢測難以有效地反饋入地電流的分布情況。

紅壤的腐蝕性較強,目前關(guān)于紅壤環(huán)境中直流干擾下金屬腐蝕行為的研究報道很少。筆者研究了在紅壤環(huán)境中雜散電流干擾下Q235鋼的腐蝕行為,并對該鋼在不同電流密度干擾下的電位進行連續(xù)監(jiān)測,結(jié)合腐蝕產(chǎn)物分析,簡要探討了直流干擾下Q235鋼的腐蝕機理,并擬合了Q235鋼的對地電位偏移量與腐蝕速率的關(guān)系。

1 試 驗

試驗材料為Q235鋼,主要成分(質(zhì)量分數(shù),%)為:C 0.14,Mn 0.30,Si 0.30,S 0.05,P 0.045,Fe 余量。將其制成1型標準腐蝕掛片,尺寸為50 mm×25 mm×2 mm,用砂紙逐級(至1000號)打磨試樣后用去離子水洗滌,再用無水乙醇沖洗表面,吹干待用。試驗前用精度為10-4g的天平稱量試樣質(zhì)量。用絕緣防水膠帶密封試樣,裸露面積為20 cm2。

試驗所用土壤是取自江西南昌某變電站附近山地的紅壤,根據(jù)中國土壤腐蝕試驗網(wǎng)站標準,掘土深度為0.7 m,無碎石和草木。土壤自然干燥研磨后過20目(0.850 mm)網(wǎng)篩,再放入烘箱中110 ℃干燥6 h,最后按比例使用去離子水配成含水率為20%的試驗用土。土壤離子濃度見表1,其pH為4.97,呈酸性。采用溫納法在取土處測得土壤電阻率為296.4 Ω·m。

表1 南昌紅壤的主要離子濃度

自制的土壤腐蝕試驗裝置由PVC土壤試驗箱、直流干擾回路和電位測試回路組成。采用上海乾鋒電子SB118型精密直流電流源,連接Q235鋼試樣(工作電極)和石墨電極(輔助電極)構(gòu)成直流干擾回路,距試樣1 cm處放置飽和甘汞電極(SCE)作參比電極,在參比電極與工作電極之間串聯(lián)一個電位監(jiān)控儀,連續(xù)監(jiān)測陽極(試樣)對地電位變化。

連接回路后靜置1 h,通過測試電位判斷開路電位穩(wěn)定(自腐蝕電位在-0.67 V附近),再調(diào)節(jié)精密直流電源對回路通入不同大小的直流電流(0～20 mA),使初始的陽極對地電位偏移量分別達到+100,+200,+500,+1 000 mV(不同電位偏移量對應(yīng)施加的電流密度分別為0.063,0.183,0.508,1.201 mA/cm2)。試驗過程中保持土壤溫度和濕度穩(wěn)定,記錄陽極對地電位的變化數(shù)據(jù),直至電位趨于穩(wěn)定。

直流干擾測試完成后取出試樣,采用MA2000型金相顯微鏡和掃描電鏡(SEM)觀察試樣表面的腐蝕形貌,采用能譜儀(EDS)和X射線衍射儀(XRD)對腐蝕產(chǎn)物進行成分和物相分析。將試樣置于除銹液(由200 mL蒸餾水、200 mL濃鹽酸和2 g六甲基四胺配制而成)中超聲清洗30 s,除去表面腐蝕產(chǎn)物,取出試樣后用無水乙醇清洗,吹干。Q235鋼試樣在不同電流密度下的平均腐蝕速率v1用式(1)進行計算。

(1)

式中:m0為試樣的初始質(zhì)量,g;m1為試驗后試樣的質(zhì)量,g;A為試樣裸露面積,cm2;t為腐蝕時間,h;ρ為Q235鋼的密度,g/cm3。

2 結(jié)果與討論

2.1 恒電流干擾下陽極對地電位的變化規(guī)律

由圖1可見:通入干擾電流后試樣的電位正向偏移,試樣表面有電流流出,試樣作為陽極溶解;隨著干擾電流密度的增大,陽極對地電位偏移量增大,工作電極的電位波動增大;但從變化趨勢來看,在陽極對地電位正向偏移100～1 000 mV范圍內(nèi),陽極對地電位隨時間的變化均呈現(xiàn)初始階段快速下降,隨后緩慢上升,最后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。以圖1(d)為例,電位隨時間的變化明顯呈現(xiàn)3個階段:(1) 開始施加直流干擾初期,土壤電阻率高,離子擴散緩慢,電化學(xué)反應(yīng)來不及響應(yīng),陽極對地電位最高,隨著擴散的進行,開始發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),陽極對地電位開始下降;(2) 反應(yīng)進行一段時間后,電流的熱效應(yīng)會導(dǎo)致試樣表面土壤水分蒸發(fā),試樣表面的腐蝕產(chǎn)物逐漸累積,導(dǎo)致介質(zhì)阻抗增大[8],恒電流條件下,試樣對地電位隨之上升;(3) 隨著Q235鋼表面的腐蝕產(chǎn)物逐漸累積,體積差增大,在應(yīng)力作用下腐蝕產(chǎn)物中產(chǎn)生許多裂紋[9],同時試樣周圍土壤中的水分形成濃度梯度,從而使離子發(fā)生擴散。

圖1 在不同電流密度的直流電流干擾下陽極對地電位隨時間的變化曲線

2.2 腐蝕產(chǎn)物形貌和成分

由圖2可見:Q235鋼試樣在土壤中受直流干擾后,試樣表面發(fā)生了較明顯的腐蝕,并生成了大量棕紅色腐蝕產(chǎn)物,腐蝕程度隨陽極對地電位的提高而加重;當(dāng)偏移電位達到200 mV時,觀察到腐蝕產(chǎn)物分層,表面的腐蝕產(chǎn)物較疏松,棕紅色腐蝕產(chǎn)物脫落后裸露出黑色的內(nèi)層腐蝕產(chǎn)物,且其與基體黏附較緊。

由圖3可見,在1 000 mV陽極對地電位偏移量下,Q235鋼表面腐蝕產(chǎn)物物相主要為Fe2O3、Fe3O4和FeOOH。

圖3 1 000 mV陽極對地電位偏移量下Q235鋼試樣腐蝕24 h后表面腐蝕產(chǎn)物的XRD譜

由圖4(a)可見:在直流電流干擾下Q235鋼試樣表面局部腐蝕嚴重,腐蝕產(chǎn)物分布較集中,表層腐蝕產(chǎn)物較疏松,其間可見明顯裂紋,且有部分腐蝕產(chǎn)物從試樣表面剝落,難以對基體起到有效的保護作用[10]。土壤中雜散電流腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕,其本質(zhì)是作為陽極的金屬在雜散電流作用下加速氧化失去電子,金屬溶解成為離子態(tài)。Q235鋼在土壤中作為陽極發(fā)生如(2)所示的電化學(xué)反應(yīng),生成Fe2+;同時,陰極發(fā)生如(3)所示的去極化反應(yīng),生成的OH-與Fe2+反應(yīng)生成Fe(OH)2,見式(3)。

圖4 1 000 mV陽極對地電位偏移量下Q235鋼試樣腐蝕24 h后的表面微觀形貌

Fe(OH)2在土壤中會被氧化成Fe(OH)3,并進一步分解成Fe2O3,如式(4)～(5)所示。因此,圖4所示試樣表面的腐蝕產(chǎn)物呈紅棕色。

(2)

(3)

(4)

2Fe(OH)2+O2+H2O2Fe(OH)3

(5)

Fe2+在土壤中被氧化成紅褐色的Fe(OH)2,即疏松的表層腐蝕產(chǎn)物,Fe(OH)2不穩(wěn)定,易被氧化成其他鐵的氧化物。

由圖4(b)可見,清除表面腐蝕產(chǎn)物后,試樣表面留下較大和較深的蝕坑,局部腐蝕較嚴重。這應(yīng)該與通入直流電流后的土壤環(huán)境有關(guān)。本試驗中土壤的含水率為20%,未達到飽和狀態(tài),即使在試驗條件下土壤的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)也容易出現(xiàn)小范圍的不均勻性。從小范圍來看,土壤中有土壤顆粒、氣孔、水分組成的各種微結(jié)構(gòu),且結(jié)構(gòu)致密度存在差異。因此,土壤的各種物理、化學(xué)性質(zhì),尤其是與腐蝕有關(guān)的電化學(xué)性質(zhì),不僅會隨著土壤的組成及含水量的不同而變化,還會隨著土壤的結(jié)構(gòu)及其致密度的不同而有所差異。與土壤接觸較緊密的金屬表面由于土壤的毛細現(xiàn)象容易形成液膜,此處易發(fā)生電化學(xué)腐蝕,且由于電流集中,局部腐蝕加速,因此試樣表面形成了明顯的蝕坑;而與土壤接觸不緊密的金屬表面則不易發(fā)生腐蝕。

2.3 干擾電流和電位與腐蝕速率的相關(guān)性

接地網(wǎng)在直流雜散電流作用下的腐蝕速率主要與接地網(wǎng)各個部位的腐蝕電流密度有關(guān),通過測量電流密度評估腐蝕速率是目前最直接的方法。應(yīng)用法拉第定律,通過公式(6)可計算出對應(yīng)的理論腐蝕速率v2。

(6)

式中:I為干擾電流,mA;n為電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)移的電子數(shù);F為法拉第常數(shù),取96 500 C/mol;A為試樣裸露面積,cm2;J為電流密度,mA/cm2。根據(jù)Q235鋼陽極電化學(xué)反應(yīng)式(2),其轉(zhuǎn)移的電子數(shù)n為2。

在不同陽極對地電位偏移量下,對比采用干擾直流密度計算得到的腐蝕速率v2與失重法計算得到的試樣的腐蝕速率v1,如表2所示。結(jié)果顯示,失重法計算得到的腐蝕速率與干擾電流密度計算得到的腐蝕速率誤差為5.8%～13.4%,該誤差可能是由電極表面副反應(yīng)和腐蝕后試樣表面在酸性介質(zhì)中除銹導(dǎo)致的金屬腐蝕引起的。圖5為通過干擾電流密度和失重法計算得到的腐蝕速率的線性擬合結(jié)果。兩種方法得到的腐蝕速率符合如式(7)所示的線性關(guān)系。

表2 采用干擾電流密度和失重法計算得到的腐蝕速率及其誤差

圖5 采用干擾電流密度和失重法計算得到的腐蝕速率的擬合結(jié)果

v1=1.101 1v2-0.048 28

(7)

式中:v1為通過失重法計算得到的腐蝕速率,mm/a;v2為通過電流密度法計算的腐蝕速率,mm/a。擬合的相關(guān)系數(shù)R2為0.999 78,兩者遵循線性關(guān)系,因此通過電流密度計算的腐蝕速率與實際腐蝕速率可以進行互相轉(zhuǎn)換。

實際工況下雜散電流不穩(wěn)定且土壤環(huán)境復(fù)雜,直接測量埋地金屬的雜散電流密度難度很大,但測量接地網(wǎng)的電位偏移量卻很方便,如果能在接地網(wǎng)的電位偏移量與金屬腐蝕速率間建立關(guān)聯(lián),就可以間接獲得金屬的腐蝕速率,該方法有望成為一種高效、便捷且準確的腐蝕速率預(yù)測方法。圖6為Q235鋼的初始電位偏移量和穩(wěn)定電位偏移量與v1的關(guān)系。分別對腐蝕速率與電位作回歸分析,擬合結(jié)果見方程式(8)和(9)。

圖6 Q235鋼初始電位偏移量和穩(wěn)定電位偏移量與v1的關(guān)系

v1=0.061 7EI-1.056 4

(8)

v1=0.061 8ES-0.994 1

(9)

式中:EI為初始電位偏移量,mV;ES為穩(wěn)定電位偏移量,mV。

結(jié)果顯示,初始電位偏移量和穩(wěn)定電位偏移量與通過失重法計算出的腐蝕速率之間均呈現(xiàn)線性關(guān)系,兩種擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99。因此,在試驗條件下的江西紅壤中,通過測量穩(wěn)定對地電位來間接預(yù)測腐蝕速率的方法是可行的,這為實際工程中的腐蝕速率預(yù)測提供了思路。

3 結(jié) 論

(1) 在江西紅壤中對Q235鋼施加不同的直流干擾電流,其對地電位變化趨勢均呈現(xiàn)先下降,再緩慢上升,最后趨于穩(wěn)定的趨勢,該穩(wěn)定值比初始電位稍低。初始陽極對地電位偏移量(即干擾電流密度)越大,腐蝕初期Q235鋼的對地電位下降越明顯。

(2) 在紅壤中對Q235鋼施加不同的直流干擾電流,其腐蝕產(chǎn)物主要為Fe2O3和FeOOH,局部腐蝕較嚴重,表面腐蝕產(chǎn)物疏松且易脫落。

(3) 在試驗所考察的土壤環(huán)境中,初始電位偏移量和穩(wěn)定電位偏移量與失重法獲得的腐蝕速率均呈線性關(guān)系,這表明通過測量穩(wěn)定對地電位來間接預(yù)測腐蝕速率的方法是可行的。