碳钢在土壤介质中的腐蚀测量方法对比分析

1、碳钢在土壤介质中的腐蚀测量方法对比分析寄玉玉1，王佩1，张秀丽2，李志成2，张胜寒1(1.华北电力大学，河北保定071003；2.华北电力科学研究院有限责任公司，北京100045）摘要：碳钢在土壤介质中不可避免的会发生腐蚀，将材质为20#碳钢的试片埋置在土壤实验箱中，分别使用极化电阻法、电阻探针法和失重法测其腐蚀速率，每种测量方法都有其优缺点和适用范围，经数据处理得腐蚀速率约为0.4mm/a，耐蚀等级评定为一般。 关键词：腐蚀检测；极化电阻；电阻探针；失重法中图分类号：TG174.3 Analysis on the Corrosion Measurement Method of Ca

2、rbon Steel in the SoilJi Yu-yu1，Wang Pei1，Zhang Xiu-li2，Li Zhi-cheng2，Zhang Sheng-han1（1.North China Electric Power University, Baoding 071003,China2. North China Electric Power Research Institute, Beijing 100045,China)Abstract: Carbon steel will be corroded inevitably in the soil, buried the 20# st

3、eel specimens in the soil experiment box, using the method of polarization resistance, resistance probe and the weight loss method to measure the corrosion rate respectively, Each measurement method has its advantages and disadvantages and scope of application, get the corrosion rate of about 0.4mm/

4、a, and the corrosion resistant level is classified as general through data processing.Key words: detection of corrosion; polarization resistance; resistance probe; weight loss method0 引言 变电站及发电厂的接地网是电力系统安全可靠运行、保障电气设备和运行人员安全的重要设施1，但接地钢材在土壤介质中很容发生腐蚀，而且各接地网使用寿命差别很大，有的新建几年就严重腐蚀，有的运行二十余年仍较完好2-4，这是由于土壤介质是

5、一个气/液/固三相的复杂体系。钢材在土壤介质中的腐蚀要比在大气和水环境中复杂得多，测量也比较困难5。土壤介质的离子含量、含水率、松软程度等因素都会对测量结果产生影响6，不光土壤介质的性质，工作电极的表面状态也会对腐蚀产生影响，再加上不同地区气候条件的多样性和多变性，使得选择一种合理有效的测量腐蚀方法变得极为重要。对土壤介质中金属的腐蚀状态及其测量方法进行研究有很大意义，准确测定接地网的腐蚀速度，估算其运行寿命，可以为接地网的运行和维护提供理论依据7。1 测量方法介绍目前国内外对接地网的检测主要是通过测量接地电阻、跨步电压等参数来判断腐蚀和发生断裂的位置，变电站接地网测量系统都只侧重于测量接地网

6、系统工作的有效性和安全性，这些都无法对地网的腐蚀程度进行测量和评价。还有一些根据土壤的物理化学性质判断土壤的腐蚀性，推断金属材料在土壤中的腐蚀速度，或者用原位测量技术、加速实验和统计分析的方法确定土壤中金属的腐蚀速度8，这些物理的、化学的或电化学的方法各自都有其优缺点，以下主要介绍了几种常用的腐蚀测量方法。1.1极化电阻法极化电阻测量技术可以用于原位检测9，其原理是向测试体系施加微小扰动后，在腐蚀电位附近，电流的变化和电位的变化呈线性关系，其斜率即为极化阻力RP10：RP=E/I，极化电阻测量迅速，反应灵敏，是一种广泛应用于现场腐蚀检测的测试技术。测量得到极化电阻率RP，再按Stern-Gea

7、ry 方程式估算腐蚀电流Icoor11：Icoor =式中：RP极化电阻；E外加极化电位；I极化电位下的电流密度；a、c分别为腐蚀电极的阳极和阴极塔菲尔斜率；Icorr为腐蚀电流密度；一般地，Stern-Geary 系数（B值）取为25mV。1.2电阻探针法电阻探针可以实时在线监测钢材在介质中的腐蚀状态，其原理是通过密封胶镶嵌于探针尖端的腐蚀试片在环境中发生腐蚀时，金属材料的厚度会减薄，根据R=×L/S=×L/(a×h)：其中:R试片电阻；电阻率；L试片长度；S试片面积；a试片宽度；h厚度；由于固定试片的电阻率、长度L，宽度a为定值，则试片的电阻R与厚度h有如下关

8、系，h=K/R，其中K为常数。故在给探针施加恒定电流时，测其两端的电压值就可得到电阻值，根据电阻的变化就能算出其减薄量，从而进一步可算出腐蚀速度12。1.3 腐蚀失重法失重法是一种比较常用的方法，在均匀腐蚀条件下，常采用重量指标表示腐蚀速度，重量指标是把金属试片因腐蚀造成的重量变化换算成相当于金属试片表面在单位时间的质量变化值。试片因腐蚀使其质量在腐蚀前后不等，其差值为腐蚀前与清除腐蚀产物后的质量之差13。V1=V2=式中：V1失重腐蚀速度，g/(m2·h)；V2年腐蚀速率，mm/a；W0试片腐蚀前重量，g；W1清除腐蚀产物后的试片重量，g；S试片表面积，cm2；t腐蚀时间，h；金属

9、密度。2 测量结果及分析2.1极化电阻法工作电极的材质为20#碳钢，用环氧树脂封装后碳钢试样暴露面积为1cm2，用砂纸打磨后，将工作电极埋置在土壤实验箱30cm深处3天，电极稳定之后进行测量。实验采用同种材料三电极体系。为了确保实验数据的可靠性，在同样的实验条件下将Parstat2263电化学工作站的测量结果与CMB-2510A腐蚀测量系统的测量结果进行了对比。图3为用Parstat2263电化学工作站PowerSuite软件的PowerCorr子软件测得的碳钢电极极化曲线，测试时扫描速率为1.0mv/s，扫描区间为-0.01V0.01V，扫描时间为60s。前几个点的漂移可能是由于施加电压时介

10、质电阻的变化引起的。用New Line Fit进行拟合，可得到工作电极在土壤里的极化电阻率为2265 ·cm2。图3 Parstat2263电化学工作站测得的碳钢电极的线性极化曲线相同试验条件下，使用CMB-2510A腐蚀速度测量仪，测得的介质电阻和工作电极极化电阻率总和Rp+Rs为2259 ·cm2，与Parstat2263误差很小，同时还能测得土壤介质电阻Rs为1324.7·cm2，所以CMB-2510A腐蚀速度测量仪的实验数据更准确可靠的，其优点是扣除了介质电阻Rs带来的误差。再根据公式计算腐蚀速率14-15：M=其中，M年腐蚀速率mm/a；K常数0.003

11、27；A金属原子量；Icorr腐蚀电流密度；n失电子数；D金属密度所以，由极化电阻法测得的年腐蚀速率为：0.312mm/a。2.2 电阻探针法电阻探针的腐蚀试片材质为20#碳钢，采集数据时间间隔为10min/次。测试时自补偿精密电阻探针数据采集器将采集到的信号经通讯转换器传入计算机，腐蚀在线监测软件可以直接显示测得的试片腐蚀损耗（nm级），根据测定的时间长短就可以计算出腐蚀速率nm/min，最后折算成mm/a。图2 电阻探针测得的20#碳钢腐蚀损耗由图2可以看出在16个小时内，20#碳钢在土壤介质中是一个均匀腐蚀的过程，电阻探针腐蚀试片的损耗厚度由57803nm增至58548nm，由此得腐蚀速

12、率为46.5nm/h，年腐蚀速率为0.407 mm/a。2.3腐蚀失重法将三块20#碳钢试片用P800砂纸打磨后进行干燥处理，测量尺寸并称重后，埋置在土壤试验箱中15天，取出后用5%的盐酸和0.4%柠檬酸缓蚀剂常温下清洗十分钟，干燥后称重，实验数据如表1：表1 腐蚀失重法实验数据试片编号长(cm)宽(cm)厚(cm)孔径(cm)表面积(m2)前重(g)后重(g)失重(g)时间(h)腐蚀速率(mm/a)13.9761.2960.2000.4220.0011838.15418.04970.1044 3600.4105 23.9921.2980.2000.4160.0011918.18768.082

13、10.1055 3600.4117 33.9841.2960.2020.4200.0011888.20818.1034 0.1047 3600.4096对三个平行样取平均值得腐蚀速率为：0.411mm/a试片表面局部被黑色和红棕色的腐蚀产物覆盖，腐蚀失重法测量的只是某一时间内金属的平均腐蚀速度，掩盖了因环境介质的变化、操作程序的改变，金属表面状态的变化及其他因素的影响所导致的腐蚀速度的各种变化。由于试验周期较短，腐蚀产物的清除以及称量的误差等都会对试验结果的精确性产生影响。表2 金属材料均匀腐蚀的分级标准耐蚀性评定耐蚀性等级腐蚀速率mm/年耐蚀10.1一般(可采用)2不耐蚀(不可采用)31.0

14、根据实验结果及表2 可以评定：在试验箱土壤箱中，20#碳钢的耐蚀性等级为2级，耐蚀性一般。3 小结：表3 三种测量方法对比电化学法电阻探针法失重法腐蚀类型瞬时腐蚀累积腐蚀平均腐蚀仪器2263电化学工作站、CMB-2510A腐蚀速度测量仪自补偿精密电阻探针电子天平、千分尺测量周期1分钟16小时15天腐蚀速率测量结果0.312mm/a0.407 mm/a0.411 mm/a缺点只能用于电解质环境。估算的B值误差较大。以金属损失为基础，灵敏度低，需要金属损失一定量后才响应。试验周期长，当腐蚀速度较低或腐蚀时间短的时候，失重数据是不太可靠的。优点响应速度快，灵敏度高，分辨率高，在电解质环境测量值更准确

15、。可用于原位检测。可用于非电解质腐蚀环境，抗干扰性强。测量准确，经济投入最少。4 结束语(1)失重法简单有效，但测试周期很长。电阻探针试片是镶嵌固定的，所以只能用于模拟接地网腐蚀，不能用于原位检测。电化学方法对测试的各个环节要求都比较高，实际中要对接地网进行腐蚀评价时，应按需求选择合理高效的测试方法。(2) 失重法、电阻探针法和极化电阻测量这三种方法都可以有效测定金属在土壤介质中的腐蚀速率，测试得到的腐蚀速率为0.4mm/a左右，在实验土壤中的耐蚀等级一般。测量结果可以为接地网环境的腐蚀状况评价提供可靠依据，准确的判断设备的腐蚀情况和存在隐患，以便制定出恰当的防腐蚀措施。5参考文献1 赵丙军，

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