最新接地装置的腐蚀及防护

1、第七章接地装置的腐蚀及防护 接地装置的腐蚀主要是属于自然环境下的腐蚀；按腐蚀机理分主要属于化学腐蚀和电化学腐蚀7.1 接地装置的腐蚀机理分析 一、化学腐蚀 化学腐蚀是指金属表面与非电解质直接发生纯化学作用而引起的破坏。其反应过程的特点是金属表面的原子与非电解质中的氧化剂直接发生氧化还原反应，形成腐蚀产物。 腐蚀过程中电子的传递是在金属与氧化剂之间直接进行的，因而没有电流产生。 纯化学腐蚀的情况不多。主要为金属在无水的有机液体和气体中的腐蚀以及在干燥气体中的腐蚀，对接地装置来说主要是接地线在空气中的腐蚀。 二、电化学腐蚀 电化学腐蚀是指金属表面与离子导电的介质(电解质)发生电化学反应而引起的破坏

2、。任何以电化学机理进行的腐蚀反应至少包含有一个阳极反应和一个阴极反应并以流过金属内部的电子流和介质中的离子流形成回路。阳极反应是氢化过程，即金属离子从金属转移到介质中并放出电子；阴极反应为还原过程，即介质中的氧化剂组分吸收来自阳极的电子过程。例如，碳钢在酸性溶液中腐蚀时，在阳极区铁被氧化为fe离子，所放出的电子由阳极(fe)流至钢中的阴极()上被h离子吸收而还原成氢气，即由于在被腐蚀的金属表面存在着在空间或时间上分开的阳极区和阴极区，腐蚀反应过程中电子的传递可通过金属从阳极区流向阴极区，其结果必有电流产生。 由上述电化学腐蚀机理可知，金属的电化学腐蚀实质上是短路的电偶电池作用的结果，这种原电池

3、称为腐蚀电池。 电化学腐蚀是最普遍、最常见的腐蚀。金属在大气、海水、土壤和各种电解质溶液中的腐蚀都属于此类。 三、腐蚀电池的电极过程 1，阳极过程 腐蚀电池中负极性的金属为阳极 因此，阳极过程就是阳极金属发生电化学溶解或阳极化的过程。即金属表面晶格中的金属阳离子，在极化水分子作用下进入溶即金属表面晶格中的金属阳离子，在极化水分子作用下进入溶液，变成水化阳离子，而电子在阴、阳极间电位差的作用下移液，变成水化阳离子，而电子在阴、阳极间电位差的作用下移向阴极将进一步促进上述阳极反应的进行。向阴极将进一步促进上述阳极反应的进行。 2阴极过程 腐蚀电池的阴极过程指电解质溶液中的氧化剂与金属阳极溶解后释放

4、出来，并转移到阴极区的电子相结合的反应过程。溶液中能在阴极区吸收电子而发生还原反应的氧化物质在腐蚀学上称为阴极去极化剂，如果溶液中没有这些去极化剂存在，即使金属表面上存在着众多的微电池，也不可能发生电化学腐蚀。因此发生电化学腐蚀的基本条件是腐蚀电池和去极化剂同时存在，或者说，阴极过程和阳极过程必须同时进行。 此反应是负极的金属在酸性介质中腐蚀时常见的阴极去极化反应。zn、al、fe等金属的电极电位低于氢的电极电位，因此这些金属在酸性介质中的腐蚀将伴随着氢气的析出，叫做析氢腐蚀析氢腐蚀，腐蚀速度受阴极过程控制，且与析氢电位的大小有关。阴极过程为氧的还原反应的腐蚀，叫氧还原腐蚀氧还原腐蚀，也叫吸氧

5、腐蚀。这是最普遍的一种电化学腐蚀。大多数金属在大气、土壤、海水和中性盐溶液中的腐蚀主要靠氧的阴极还原反应，其腐蚀速度通常受氧扩散控制。在含氧的酸性介质中腐蚀时有可能同时发生卜述h 离子和o2的两种还原反应。 总之，要发生电化学腐蚀，不但需要有作为阳极发生溶解的金属，而且必须有腐蚀剂作为阴极去极化剂来维持阴极过程的不断进行。对于一个具体的腐蚀体系来说，究竟哪种物质为阴极去极化剂，不但要看介质中有哪些可发生阴极还原的物质而且还要看它们在阴极的放电电位。还原反应的电位越高，越优先在阴极进行。 由于腐蚀过程中阳极区释放出的电子进入邻近的阴极区，如果阴极还原反应不能及时把这些电子吸收，则电子在阴极积累，

6、使阴极区的电位偏离丁平衡电位，向负方向变化，这就叫阴极极化。可见，阴极过程受到阻滞同样可妨碍金属的腐蚀。7.2接地装置的腐蚀环境 一、大气腐蚀 大气腐蚀指的是暴露在空气中金属的腐蚀它概括了范围很宽广的一些条件 大气腐蚀基本上属于电化学性腐蚀范围， 它是一种液膜下的电化学腐蚀，和浸在电解质溶液内的腐蚀有所不同。由于金属表面上存在着一层饱和了氧的电解液薄膜，使大气腐蚀以优先的氧去极化过程进行腐蚀。 另一方面在薄层电解液下很容易造成阳极钝化的适当条件固体腐蚀产物也常以层状沉积在金属表面，因而带来一定的保护性。从腐蚀条件看，大气的主要成分是水和氧，而大气中的水气是决定大气腐蚀速度和历程的主要因素。因此

7、，根据腐蚀金属表面的潮湿程度可把大气腐蚀分为“干的”、“潮的”和“湿的”三种类型。 二、土壤腐蚀 土壤腐蚀是一种电化学腐蚀，土壤中含水分、盐类和氧。 大多数土壤是中性的，也有些土壤是碱性的砂质粘土和盐碱土，ph值在7595。也有的土壤是酸性腐殖土和沼泽土，ph值在36。土壤中含有固体颗粒砂子、灰泥渣和植物腐烂后的腐殖土。 土壤是无机和有机胶质混合颗粒的集合，是由土粒、水、空气所组成，是一复杂的多相结构。土壤颗粒间形成大量毛细管微孔或孔隙，孔隙中充满空气和水，常形成胶体体系，是一种离子导体。 溶解有盐类和其他物质的土壤水，则是电解质溶液 土壤的导电性与土壤的干湿程度及含盐量有关。 土壤的性质和结

8、构是不均匀的、多变的，土壤的固体部分对埋设在土壤中的接地体的金属表面来说，是固定不动的，而土壤中的气、液则可作相对有限运动。 土壤的这些物理化学性质，尤其是电化学特性直接影响着土壤的腐蚀过程的特点。土壤组成和性质的复杂多变性使不同的土境腐蚀性相差很大1土壤腐蚀的电极过程及控制因素 土壤腐蚀与在电解液中腐蚀一样，是一种电化学腐蚀。大多数金属在土壤中的腐蚀是属于氧的去极化腐蚀，只有在强酸性土壤中才发生氢去极化腐蚀。 土壤腐蚀的条件极为复杂、使腐蚀过程的控制因素差别也较大，大致有如下几种控制特征：对于大多数土壤来说，当腐蚀决定于腐蚀微电池或距离不太长的宏观腐蚀电池时，腐蚀主要为阴极过程控制。与全浸在

9、静止电解液中中的情况相似。在疏松、干燥的土壤中随着氧渗透率的增加腐蚀则转变为阳极控制*此时腐蚀过程的控制特征近于潮的大气腐蚀。对于由长距离宏观电池作用下的土壤腐蚀，如水平接地体经过透气性不同的土壤形成氧浓度差腐蚀电池时，土壤的电阻成为主要的腐蚀控制因素，或阴极一电阻混合控制。 2土壤腐蚀的类型 (1）微电池和宏观电池引起的土壤腐蚀。 对于比较短小的金属构件来说，可以认为周围土壤结构、水分、盐分、含氧量等是均匀的，这时发生和金属组织不均匀性有关的。 (2)杂散电流引起的土壤腐蚀 所谓杂散电流，是指由原定的正常电路漏失而流入他处的电流。主要来源是应用直流大功率电气装置，直流电气列车、有轨电车、电焊

10、机、电解和电镀槽、电化学保护装置等。 地下埋没的金属构筑物、管道、接地体、电缆等都容易因这种杂散电流引起腐蚀。一部分电流从路轨漏到地下，进人地下管道某处，再从管道的另一处流出，回到路轨。电流离开管线进入大地处成为腐蚀电池的阳极区，该区金属遭到腐蚀破坏。腐蚀破坏程度与杂散电流的强度成正比，电流强度愈大，腐蚀就愈严重。工频杂散电流、主要来源于交流电气化铁道和高压输电线路等；这种土壤杂散电流腐蚀破坏作用较小如频率为50hz的交流电，其作用约为直流电的1(3)土壤中微生物引起的腐蚀。 在缺氧的土壤中，如密实、潮湿的粘土处，金属腐蚀过程似乎难以进行，但这种土壤条件却有利于一些微生物的生长。 这些细菌有可

11、能引起土壤物理化学性质的不均匀件，从而造成氧浓差电池腐蚀，细菌在生命活动中产生硫化氢、二氧化碳和酸腐蚀金属。3土壤腐蚀的影响因素及防止措施 影响土壤腐蚀的因素很多，有土壤的孔隙度(透气性)、含水量、导电性、酸碱度、含盐量和微生物等，这些因素相互联系着n现分析几种主要的影响因素。 (1）孔隙度 孔隙度大有利于水分和氧的渗透。透气件好的可加速腐蚀过程，但透气性太大可阻碍金属的阳极溶解易生成具有保护能力的腐蚀产物层。 (2)含水量 土壤的水分可以多种方式存在，有些紧密粘附在固体颗粒的周围，有些在微孔中流动或与土壤组分结合在一起。当土壤中可溶性盐溶解在其中时，就组成了电解液。水分的多少对土壤腐蚀影响很

12、大，含水量很低时腐蚀速度不大，随着含水量的增加，土壤中盐分的溶解量增大，因而加快腐蚀速度。当可溶性盐全部溶解时，腐蚀速度可达最 大值。若水分过多时，因土壤胶粘膨胀堵塞了土壤的孔隙，氧的扩散渗透受阻腐蚀反而减小。 (3)含盐量。土壤中一般含有硫酸盐、硝酸盐和氯化钠等无机盐类。通常土壤中含盐量约为801500ppm，这些盐类大多是可溶性的，so4 (4)土壤的导电性 土壤的导电性受土质、含水量及含盐量等影响、孔隙度大的土壤(如砂土)，水分易渗透流失；而孔隙度小的土壤(如粘土)，水分不易流失。含水量大，可溶性盐类溶解很多，导电性好，腐蚀性强。尤其是对长距离宏观电池腐蚀来说，影响更为显著。一般的低洼地

13、和盐碱地因导电性好所以有很强的腐蚀性。 (5)其他因素 土壤的酸度、温度、杂散电流和微物生等因素对土壤腐蚀都有影响防止土壤腐蚀可采用的措施： (1)覆盖层保护，较广泛采用的是石油沥青和煤焦油沥青的覆盖层，一般用填料加固等；这适应于管道的保护，对接地体不宜采用，但可用于接地引下线的保护，对接地线刷沥青漆进行保护，可防止接地线入地处出腐蚀电位差而引起的腐蚀。 (2)耐蚀金属材料和金属镀层，采用某些合金钢和有色金属，或采用锌镀层来防止土壤腐蚀。 (3)处理土壤，如用石灰处理酸性土壤，或在地下构件周围填充石灰石碎块，移入浸蚀性小的土壤，加强排水，以改善土壤环境，降低腐蚀性。 (4)在接地体四周施加高效

14、膨润土降阻防腐剂进行保护，可有效地保护钢接地体免遭腐蚀 (5)阴极保护，在上述保护方法的同时，可附加阴极保护措施，如适当加覆盖层和阴极保护的电能消耗。一般情况下当把钢铁阴极的电位维持在o85v(相对于硫酸铜电极)可以达到完全保护。在有硫酸盐还原菌存在时，电位要维持得更负些，如o95v(相对硫酸铜电极)，以抑制细菌生长，阴极保护也适用于保护地下铁皮电缆其保护电位约为一07v7.3防止接地体腐蚀的主要措施 一、接地装置的选址和施工 (1）接地装置的铺设地点要远离强腐蚀性的场所和 重污染的场所，还要尽量避开透气性较强的风化石和沙石地带，因为在这些场所不但降阻困难，而且还因为氧的渗透性强，而容易造成接

15、地体的腐蚀。如果避不开应想办法改良焙地体四周的土壤，如换土或施加降阻防腐剂。 (2)接地体在选择其截面时不但要考虑其热稳定的要求，还要将寿命考虑在整个寿命周期内，经过腐蚀后还能满足截面的要求，其材质应选用耐腐蚀的材料，如采用镀锌钢材。 (3)接地体的深度要足够，因为把接地体埋设到一定的深度不但使接地电阻得到改善而且下层土壤比上层土壤的含氧量小，从而减小腐蚀速度 用细土回填并夯实是为了减少氧气的渗透而减缓接地休的腐蚀，同时也可增加接地体与周围土壤的接触而降低接触电阻二、选用缓蚀剂 缓蚀剂是一些少量加入腐蚀介质中就能显著减缓或阻止金属腐蚀的物质 缓蚀剂主要是加入在降阻剂中使用，因为降阻剂的介质足稳

16、定的，加入缓蚀剂后性能稳定而不能直接加入接地体所处的土壤中，因为那样会随水土流失而流失，不能起到稳定的缓蚀作用高效膨润土降阻防腐剂就是通过加入若干种缓蚀剂，有效的保护了钢接地体，对腐蚀起到了很好的防护效果。三、电化学保护 接地装置所发生的腐蚀基本属于电化学腐蚀，因而在防腐保护措施中可采用电化学保护 电化学保护就是使金属构件极化到免蚀区或钝化区而得到保护。 电化学保护分为阴极保护和阳极保护。 1阴极保护 阴极保护是使金属构件作为阴极，通过阴极极化来消除该金属表面的电化学不均匀性，达到保护目的。阴极保护是一种经济而有效的防护措施。一些要求在海水和土壤中使用的接地体，采用阴极保护，可有效提高其抗腐蚀

17、能力。阴极保护可通过两种方法实现： 一是牺牲阳极法；二是外加电流法牺牲阳极法：牺牲阳极法： 牺牲阳极法是在被保护的金属上连接电位更负的金属或合牺牲阳极法是在被保护的金属上连接电位更负的金属或合金作为牺牲阳极，靠它不断溶解所产生的电流对被保护的金属进行阴极极化，金作为牺牲阳极，靠它不断溶解所产生的电流对被保护的金属进行阴极极化，达到保护的目的。达到保护的目的。 （利用不同金属间电位差或不同电解质中的金属自由电子和氧离子交换产生的直流电流来保护接地板或地下金属物。即将被保护的接地极或地下金属物作为阴极，利用镁合金、铝合金、锌合金等金属做阳极，将阳极与阴极连接起来。如上所述，作为阳极的保护物将不断消

18、蚀，因此也称为牺牲阳极法。） 电池是由于不同金属材料做的接地极在潮湿土壤这一电解质成分中所形成。在电解液中的阳极和阴极之间，由于电池的电势差影响，通过两极的连接，产生直流电流。在阳极范围内，这电流离开电极表面流向电解液，分解阳极的金属，流进阴极区域内电极的金属表面，而造成阳极材料的腐蚀。电解电流消耗阴极电极的重量，其金属消失的速度（腐蚀率），主要与电池的电压及两个电极的表面积有关。这种电池作用，对于接地极并不严重，因为接地极的寿命也有3040年，只要选用适当的材质并定期更换就可以了。牺牲阳极材料必须能与被保护金属之间形成足够大的电位差(一般o25v左右)，所以牺牲阳极材料的主要要求是牺牲阳极材

19、料的主要要求是：有足够低的电位电容量要大，即消耗单位质量金属所提供的电量要多，单位面积输出电流大；自腐蚀很小，电流效率要高；长期使用时保持阳极活性，不易钝化，能维持稳定的电位和输出电流；阳极溶解均匀，腐蚀产物疏松易脱落，不粘附于阳极表面或形成高电阻硬壳；价格便宜，来源充分，制造工艺简单，无公害等。如镁合金阳极如镁合金阳极 等外加电流法阴极保护系统 利用石墨等作阳极，被保护的接地极或地下金属物作阴极，两者之间加以直流电源，电源的正极接在阳极上，负极接在被保护的接地极或地下金属物上。直流电源可采用降压变压器和整流器。 主要由三部分组成：直流电源、辅助阳极和参比电极。 外加电流法的辅助阳极是用来把电

20、流输送到阴极(即被保护的金属)这与牺牲阳极法所用的阳极材料截然小同。外加电流法的辅助阳极材料应具有导电性好、耐蚀性好、寿命长、排流量大，即一定电位下单位面积通过的电流大，而阳极化小，有一定的机械强度、易加工、来源方使、价格便定等特点。 常用的辅助阳极材料有钢、石墨、高硅铁、磁性氧化铁、铅银(2)合金、镀铂的钛等。 牺牲阳极不需外接电源，且无需维修，阳极消耗也很小，由于电池作用产生的电流小，只用于对电流量需要不太大的地方。 如果电源容易解决，而且工程规模较大，则以采用外加电源法为宜。 一般只在沿海地区和土质、土壤腐蚀性较强的规模大的工程才采用阴极保护法。工程中常用的人工接地极有：角钢接地极、钢管

21、接地极、圆钢接地极、带形接地极、铜板接地极等。用l50mm5mm，长2500mm的镀锌角钢制作如图16 所示，头部做成尖角的目的是使接地极容易打八地中。打接地极时，为了避免将接地极顶部打裂，可制作如图17 所示的保护帽，套在接地极顶部施工，施工完毕后将帽去掉。 角钢接地极和接地线的连接如图18 所示，有三种方式，接地极和接地线之间采用焊接，为了保证连接强度，应四周焊。焊后应除去焊渣并在焊接处涂上水柏油。接地线在离接地极尾部大于50mm处和接地极连接。此距离不能过大，过大不利于接地板打入地中；也不能过短，过短会使打接地极时焊缝裂开损坏。一组接地极中，若有数根接地极时，接地极之间的距离应相距5m。

22、其目的是为了减少相邻接地级间的屏蔽效应而导致降低流散的作用。一般规定接地极之间的距离为接地极的长度两倍，即不少于5m，当地位受限制时，可适当减少，但至少等于接地极的长度1.5倍。接地线埋在地下部分，应呈“s”形，防止接地线受到地面上重物压力时断裂损伤。一般用壁厚3.5mm、直径为40mm的镀锌钢管制作，钢管长2500mm，头部120mm长的一段，锯成四块锯齿形，尖端向内打合焊接成尖端，如图19 所示。钢管接地极和接地线的连接亦有三种方式，如图20 所示、钢管接地极机械强度高，不必套保护帽，直接用铁锤打入地下。一般在圆钢外面套上铜管，使接地极的流散电阻降低。与这种接地极配套的接地线是铜绞线。这种

23、铜绞线表面经过处理，抗氧化、抗腐蚀能力加强。铜绞线和外套铜管的圆钢接地极之间的连接，应采取爆炸法。通常把需连接点放入一钢制模具内，在连接点周围放上铜末和火药，点燃导火线，使火药燃烧爆炸把铜末熔解从而使接地极和接地线连成一体。圆钢接地极亦可用镀锌扁钢或圆钢连接后引出地面。圆钢接地极和接地线的连接如图21所示。 在工程中也常采用带形接地极。接地极用10mm圆钢或25mm4mm扁钢沿建筑物一周埋设成环状。这类接地极和接地线的连接要求见图22 。搭接倍数：圆钢为6倍直径，扁钢为2倍宽度。 带形接地极的使用场合有两种：一是表层土壤电阻率很低，不用打垂直接地极，只要将镀锌扁钢埋设在土壤中就可；另一种是土质

24、很差，土壤电阻率很高，如杂质土、卵石及岩石地带，垂直接地极很难打入，只能在这地带开槽、挖坑和换土，铺上水平接地极，这时接地极的电阻时带型接地极的长短和换土情况而定。带形接地极沿建筑物一周埋设成环状，还能起到平衡电位和减少跨步电压的作用。对地下管网较长的建筑物采用这种方式更为有利。因此有的工程，虽然采取垂直接地极，但pe线不随相线路径敷设，而采取地下敷设，使pe线同时起到带形接地极的作用，此时pe线应采用裸铜绞线或镀锌扁钢。采用这种敷设方式时，应考虑到增加单相接地环路阻抗的影响。带形接地极的覆土，必须采取好土，分层夯实，严禁回填杂土，如碎石块、钢渣、有腐蚀性的土壤等。接地极和接地线的连接若用电焊

25、方式，则电焊后应把焊渣掉。在有腐蚀性较强的场所，接地极和接地线若采用钢材则钢材应进行热镀锌处理，施工中焊接后，因为镀锌层遭到破坏，故应在焊接部位涂水柏油。角钢、铜管和圆钢接地极，施工时必须采取用铁锤（一般用5.5kg重铁榔头）打入的方法，不要采取挖坑埋入的方法，因为土壤与接地极接触得越紧，流散电阻就越小，用打入的方法，可使接地极附近的土壤压实，并使接地极与土壤紧密接触，从而达到减少土壤电阻率的效果。对带形接地极和铜板接地极，无法采取打入的办法，只能采取挖沟和挖坑埋入的方式。当接地极埋入后，应敷粘土等细土压实接地极的埋设深度应符合设计规定，当无规定时，接地极顶面埋设深度不宜小于0.6m，因为在地

26、表下0.150.5m处是处于土壤干湿交界的地方，接地导体易腐蚀。接地极的引出线在通过地表下0.6m引至地面外的一段需作防腐处理，以延长使用寿命，防腐方法是采用热镀锌钢材。当接地极埋设在可能有化学腐蚀性的土壤中时，应加大接地极与连接扁钢连接面，各焊接头必须用玻璃布加涂沥青油二度缠包，以加强防腐能力 接地线施工分为地下部分、户外部分和室内部分三种，有不同的施工要求。地下接地线的导体界面应符合热稳定和机械强度的要求，一般采用钢材做接地线。通常地下接地线用40mm4mm镀锌扁钢。当接地极采用钢材时，接地线亦应采用钢材，一般用铜绞线。接地线和接地极的连接，在图18、20、21、22中已作了表达，必须采取

27、四周焊，焊后去除焊渣，并在焊接处涂上水柏油。位于地下的接地线，不管是与接地极连接，还是接地线之间的连接，都必须采取焊接的方法，不准用螺栓连接。焊接时应符合下列规定：扁钢与扁钢之间的连接不准如图28 采用对接焊；应采取搭接焊，如图29 所示，搭接倍数为扁钢宽度的2倍。其中型通常用于接地干线分支处，为保证搭接倍数为扁钢宽度的2倍，其中一根接地线弯成90，随后再搭接。 扁钢接地线在地中应侧放而不宜平放，因侧放时散流电阻较小，埋地钢管的跨接线，若用圆钢，对于交流电流回路，跨接圆钢的直径应不小于10mm，直流电流回路的直径应不小于12mm。圆钢与圆钢搭接时，双面焊时其搭接长度应不小于圆钢直径的6倍，单面焊则搭接长度应不小于圆钢直径的12倍。如图32（a）所示；圆钢与扁钢连接时，搭接长度亦为圆钢直径的6倍，如图 32（b）所示。室外接地线通常敷设在电缆沟内，一般采用25mm4mm镀锌扁钢做接地线。镀锌扁钢的连接，亦采取搭接方法，搭接长度为扁钢宽度的2倍，焊接面不少于3个棱边（一般取二个长边、一个短边）。工作接地极、保护接地极、重复接地极上引出地