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8種新型接地材料的加速腐蝕性能大比拼

2021-07-19 13:55:42 作者：田鵬輝，譚波，等來源：腐蝕與防護分享至：

接地是保證電力系統可靠運行的基礎，接地技術中接地裝置的防腐蝕問題一直是研究的重點。接地材料的腐蝕會降低其使用壽命，影響電力系統的安全運行，甚至引發安全事故。由于我國銅材資源相對匱乏，目前普遍采用熱鍍鋅鋼材作為接地材料，相較于銅材，熱鍍鋅鋼材的耐蝕性較差。與歐美國家對比，我國每年因腐蝕造成的直接或間接經濟損失更大，故有必要研發新型接地材料。

目前，我國電力系統中使用較多的接地材料有高硅鉻鐵、鋅包鋼、不銹鋼、碳鋼、銅、銅包鋼、碳納米改性材料、石墨烯復合材料等，這些材料在不同酸堿性土壤中的腐蝕行為大不相同。接地材料在土壤中普遍存在電偶腐蝕，即在介質中有兩種或多種金屬相接觸，因不同金屬間存在電位差而形成電偶電池。電池陰極為電位較高的金屬，其腐蝕過程因陰極反應而被抑制，陽極為電位較低的金屬，其腐蝕過程因陽極反應而被加速。

很多因素會對電偶腐蝕產生影響，為此三峽大學電氣與新能源學院和中國電力科學研究院有限公司武漢分院的科研人員針對我國目前使用較多的8種新型接地材料，開展溶液加速腐蝕試驗和電偶加速腐蝕試驗，分析它們在不同酸堿性環境中的腐蝕速率，以期了解新型接地材料的腐蝕特性，并為實際接地工程的選材和防腐蝕技術提供參考依據。

NO.1

新型接地材料試樣

選取的8種新型接地材料分別為碳鋼、不銹鋼、鋅包鋼、銅、銅包鋼、高硅鉻鐵、石墨烯復合材料、碳納米改性材料。其中，石墨烯復合材料和碳納米改性材料的外部鍍層分別為石墨烯和碳納米管，內部均為鋼。

用于溶液加速腐蝕試驗的試樣為Φ16mm×5cm的圓柱體；用于電偶加速腐蝕試驗的試樣為Φ16mm×10mm的圓柱體。試樣經切割后用AB膠密封材料底面待用。

NO.2

溶液加速腐蝕試驗

為研究8種接地材料在不同加速腐蝕時間后的溶液加速腐蝕特性，分別以質量分數為15%的NaCl溶液、NaOH溶液和HCl溶液為腐蝕溶液，試驗溫度為室溫，將每種材料的3個試樣放入同一溶液中，分別加速腐蝕240，360，480h后取出試樣，將其置于15%檸檬酸三銨溶液中，并在高低溫試驗箱中加熱至80℃持續2h后，去除疏松的腐蝕產物、清洗、干燥、稱量后，利用失重法，采用下式計算幾種接地材料的腐蝕速率：

vsol =（24·Δmsol）/（Δtsol·A）（1）

式中：vsol為溶液加速腐蝕速率，g/（dm2·d）；Δmsol為溶液加速腐蝕質量損失，g；Δtsol為溶液加速腐蝕時間，h；A為試樣的暴露面積，dm2。

為研究8種接地材料在酸性環境中冷熱循環條件下的溶液加速腐蝕特性，將試驗溫度設置為冷熱循環（早上9點打開高低溫試驗箱加熱至60℃，晚上9點關閉高低溫試驗箱），腐蝕時間為480h，腐蝕溶液為15%HCl溶液。

01 腐蝕時間的影響

在15%HCl溶液中：

高硅鉻鐵、不銹鋼、碳納米改性材料和石墨烯復合材料的綜合耐久性排名靠前。其中，不銹鋼、高硅鉻鐵和碳納米改性材料腐蝕480h的腐蝕速率分別為碳鋼的1/7600?1/950和1/79，腐蝕速率較低，非常適用于酸性土壤環境。不銹鋼的溶液加速腐蝕速率隨著腐蝕時間的延長而降低，可以判斷不銹鋼接地材料在酸性環境中的使用年限較長，銅包鋼、碳鋼、鋅包鋼的腐蝕速率較快，耐蝕性較差。

在15%NaOH溶液中：

不銹鋼、高硅鉻鐵和石墨烯復合材料的耐蝕性較好。然而，當腐蝕時間由360h延長至480h時，高硅鉻鐵腐蝕速率的排名由第1名驟降到第7名，可以判斷高硅鉻鐵接地材料在堿性環境中的時使用年限較短。當腐蝕時間為240~480h時，不銹鋼的腐蝕速率一直較低，非常適用于堿性環境；石墨烯復合材料的腐蝕速率隨著腐蝕時間的延長而減小，說明其用作堿性環境中接地材料的使用年限較長。此外，銅包鋼、碳鋼、鋅包鋼的綜合腐蝕速率最快，在堿性環境中的耐蝕性較差。

在15%NaCl溶液中：

高硅鉻鐵、不銹鋼和石墨烯復合材料的綜合耐蝕性排名最優。當腐蝕時間為240~480h時，高硅鉻鐵的腐蝕速率較低，適用于中性環境。此外，鋅包鋼、銅、銅包鋼的綜合腐蝕速率較快，在中性環境中的耐蝕性較差。

02 溫度變化的影響

圖1 在室溫和冷熱循環條件下酸性溶液中不同接地材料的溶液加速腐蝕速率

如圖1所示，當試驗溫度從室溫改變為冷熱循環后，不銹鋼的腐蝕速率增大了3500倍，碳納米改性材料的腐蝕速率增大了140倍，這表明不銹鋼和碳納米改性材料的腐蝕速率受溫度變化的影響很大。因此，這兩種材料在晝夜溫差較大的酸性環境中的耐蝕性并不好。相比于其他7種材料，鋅包鋼的腐蝕速率最大，耐蝕性最差；高硅鉻鐵的腐蝕速率最小，耐蝕性最好。

NO.3

電偶加速腐蝕試驗

電解質溶液分別為5%NaCl溶液、5%NaOH溶液和5%HCl溶液，試樣經無水乙醇清洗后干燥、AB膠密封底面、稱量。每種材料取3個試樣，將其分別放在3種電解質溶液中，固定陰、陽極面積比為2∶1，陰、陽極距離為10cm，試驗溫度為室溫，腐蝕時間為480h。

黃銅與接地材料試樣偶接形成電偶對，接地材料作為電偶對的陽極，黃銅作為電偶對的陰極。試驗結束后取出接地材料試樣，去除疏松的腐蝕產物，經除銹、清洗、干燥、稱量后按下式計算各種接地材料的腐蝕速率：

vgal =（24·Δmgal）/（Δtgal·A）（2）

式中：vgal為電偶加速腐蝕速率，g/（dm2·d）；Δmgal為電偶加速腐蝕質量損失，g；Δtgal為電偶加速腐蝕時間，h。

圖2 不同酸堿性溶液中不同接地材料的電偶加速腐蝕速率

由圖2可以看出，除高硅鉻鐵外，其余接地材料在酸性環境中的電偶加速腐蝕速率都較大，大部分接地材料在堿性環境中的電偶加速腐蝕速率都較小。在酸性環境中，不銹鋼、高硅鉻鐵和碳納米改性材料的電偶加速腐蝕速率較小，其中高硅鉻鐵的最小，為0.0042g/（dm2·d），表明其在酸性環境中的耐電偶腐蝕性能最好。在堿性環境中，不銹鋼、高硅鉻鐵和石墨烯復合材料的電偶加速腐蝕速率較小，其中石墨烯復合材料的最小，為0.0045g/（dm2·d）。因此，石墨烯復合材料在堿性環境中的耐電偶腐蝕性能最好。在中性環境中，不銹鋼的電偶加速腐蝕速率最小，為0.0082g/（dm2·d），其在中性環境中的耐電偶腐蝕性能最好。