8种新型接地材料的加速腐蚀性能大比拼

2021-07-19 13:55:42 作者：田鹏辉，谭波，等来源：腐蚀与防护分享至：

接地是保证电力系统可靠运行的基础，接地技术中接地装置的防腐蚀问题一直是研究的重点。接地材料的腐蚀会降低其使用寿命，影响电力系统的安全运行，甚至引发安全事故。由于我国铜材资源相对匮乏，目前普遍采用热镀锌钢材作为接地材料，相较于铜材，热镀锌钢材的耐蚀性较差。与欧美国家对比，我国每年因腐蚀造成的直接或间接经济损失更大，故有必要研发新型接地材料。

目前，我国电力系统中使用较多的接地材料有高硅铬铁、锌包钢、不锈钢、碳钢、铜、铜包钢、碳纳米改性材料、石墨烯复合材料等，这些材料在不同酸碱性土壤中的腐蚀行为大不相同。接地材料在土壤中普遍存在电偶腐蚀，即在介质中有两种或多种金属相接触，因不同金属间存在电位差而形成电偶电池。电池阴极为电位较高的金属，其腐蚀过程因阴极反应而被抑制，阳极为电位较低的金属，其腐蚀过程因阳极反应而被加速。

很多因素会对电偶腐蚀产生影响，为此三峡大学电气与新能源学院和中国电力科学研究院有限公司武汉分院的科研人员针对我国目前使用较多的8种新型接地材料，开展溶液加速腐蚀试验和电偶加速腐蚀试验，分析它们在不同酸碱性环境中的腐蚀速率，以期了解新型接地材料的腐蚀特性，并为实际接地工程的选材和防腐蚀技术提供参考依据。

NO.1

新型接地材料试样

选取的8种新型接地材料分别为碳钢、不锈钢、锌包钢、铜、铜包钢、高硅铬铁、石墨烯复合材料、碳纳米改性材料。其中，石墨烯复合材料和碳纳米改性材料的外部镀层分别为石墨烯和碳纳米管，内部均为钢。

用于溶液加速腐蚀试验的试样为Φ16mm×5cm的圆柱体；用于电偶加速腐蚀试验的试样为Φ16mm×10mm的圆柱体。试样经切割后用AB胶密封材料底面待用。

NO.2

溶液加速腐蚀试验

为研究8种接地材料在不同加速腐蚀时间后的溶液加速腐蚀特性，分别以质量分数为15%的NaCl溶液、NaOH溶液和HCl溶液为腐蚀溶液，试验温度为室温，将每种材料的3个试样放入同一溶液中，分别加速腐蚀240，360，480h后取出试样，将其置于15%柠檬酸三铵溶液中，并在高低温试验箱中加热至80℃持续2h后，去除疏松的腐蚀产物、清洗、干燥、称量后，利用失重法，采用下式计算几种接地材料的腐蚀速率：

vsol =（24·Δmsol）/（Δtsol·A）（1）

式中：vsol为溶液加速腐蚀速率，g/（dm2·d）；Δmsol为溶液加速腐蚀质量损失，g；Δtsol为溶液加速腐蚀时间，h；A为试样的暴露面积，dm2。

为研究8种接地材料在酸性环境中冷热循环条件下的溶液加速腐蚀特性，将试验温度设置为冷热循环（早上9点打开高低温试验箱加热至60℃，晚上9点关闭高低温试验箱），腐蚀时间为480h，腐蚀溶液为15%HCl溶液。

01 腐蚀时间的影响

在15%HCl溶液中：

高硅铬铁、不锈钢、碳纳米改性材料和石墨烯复合材料的综合耐久性排名靠前。其中，不锈钢、高硅铬铁和碳纳米改性材料腐蚀480h的腐蚀速率分别为碳钢的1/7600?1/950和1/79，腐蚀速率较低，非常适用于酸性土壤环境。不锈钢的溶液加速腐蚀速率随着腐蚀时间的延长而降低，可以判断不锈钢接地材料在酸性环境中的使用年限较长，铜包钢、碳钢、锌包钢的腐蚀速率较快，耐蚀性较差。

在15%NaOH溶液中：

不锈钢、高硅铬铁和石墨烯复合材料的耐蚀性较好。然而，当腐蚀时间由360h延长至480h时，高硅铬铁腐蚀速率的排名由第1名骤降到第7名，可以判断高硅铬铁接地材料在碱性环境中的时使用年限较短。当腐蚀时间为240~480h时，不锈钢的腐蚀速率一直较低，非常适用于碱性环境；石墨烯复合材料的腐蚀速率随着腐蚀时间的延长而减小，说明其用作碱性环境中接地材料的使用年限较长。此外，铜包钢、碳钢、锌包钢的综合腐蚀速率最快，在碱性环境中的耐蚀性较差。

在15%NaCl溶液中：

高硅铬铁、不锈钢和石墨烯复合材料的综合耐蚀性排名最优。当腐蚀时间为240~480h时，高硅铬铁的腐蚀速率较低，适用于中性环境。此外，锌包钢、铜、铜包钢的综合腐蚀速率较快，在中性环境中的耐蚀性较差。

02 温度变化的影响

图1 在室温和冷热循环条件下酸性溶液中不同接地材料的溶液加速腐蚀速率

如图1所示，当试验温度从室温改变为冷热循环后，不锈钢的腐蚀速率增大了3500倍，碳纳米改性材料的腐蚀速率增大了140倍，这表明不锈钢和碳纳米改性材料的腐蚀速率受温度变化的影响很大。因此，这两种材料在昼夜温差较大的酸性环境中的耐蚀性并不好。相比于其他7种材料，锌包钢的腐蚀速率最大，耐蚀性最差；高硅铬铁的腐蚀速率最小，耐蚀性最好。

NO.3

电偶加速腐蚀试验

电解质溶液分别为5%NaCl溶液、5%NaOH溶液和5%HCl溶液，试样经无水乙醇清洗后干燥、AB胶密封底面、称量。每种材料取3个试样，将其分别放在3种电解质溶液中，固定阴、阳极面积比为2∶1，阴、阳极距离为10cm，试验温度为室温，腐蚀时间为480h。

黄铜与接地材料试样偶接形成电偶对，接地材料作为电偶对的阳极，黄铜作为电偶对的阴极。试验结束后取出接地材料试样，去除疏松的腐蚀产物，经除锈、清洗、干燥、称量后按下式计算各种接地材料的腐蚀速率：

vgal =（24·Δmgal）/（Δtgal·A）（2）

式中：vgal为电偶加速腐蚀速率，g/（dm2·d）；Δmgal为电偶加速腐蚀质量损失，g；Δtgal为电偶加速腐蚀时间，h。

图2 不同酸碱性溶液中不同接地材料的电偶加速腐蚀速率

由图2可以看出，除高硅铬铁外，其余接地材料在酸性环境中的电偶加速腐蚀速率都较大，大部分接地材料在碱性环境中的电偶加速腐蚀速率都较小。在酸性环境中，不锈钢、高硅铬铁和碳纳米改性材料的电偶加速腐蚀速率较小，其中高硅铬铁的最小，为0.0042g/（dm2·d），表明其在酸性环境中的耐电偶腐蚀性能最好。在碱性环境中，不锈钢、高硅铬铁和石墨烯复合材料的电偶加速腐蚀速率较小，其中石墨烯复合材料的最小，为0.0045g/（dm2·d）。因此，石墨烯复合材料在碱性环境中的耐电偶腐蚀性能最好。在中性环境中，不锈钢的电偶加速腐蚀速率最小，为0.0082g/（dm2·d），其在中性环境中的耐电偶腐蚀性能最好。