热镀锌钢在变电站土壤中阴极保护试验研究

热镀锌钢在变电站土壤中阴极保护试验研究

0接地网腐蚀特性由于价格低廉、加工性能好、碳铁粉是供电网络中应用最广泛的材料。随着电动汽车的数量与日俱增，管道网络的组件中的木材数量也显著增加。钢铁材料在土壤环境中的腐蚀问题关系着变电站的运行安全,变电站接地网腐蚀及防护研究已成为学术界的热点课题之一。与其他普通腐蚀介质如水、大气等相比,作为腐蚀介质的土壤是一种复杂的非均质、多相体系,并且由于气象条件、微生物分布、杂散电流及电网特性等诸多因素的影响,使各种接地网材料腐蚀规律的研究工作更加困难。目前,对接地网腐蚀的诊断一般采用开挖检查的方法,对接地装置腐蚀状况进行测量,如发现腐蚀较严重就进行更换。这种方法必须停电,盲目性高、工作量大,并且很难确定接地网的实际腐蚀状态。随着变电站容量的不断扩大,接地短路电流也越来越大,对接地网安全、可靠性的要求也更加严格。近几年,因接地网故障引发的安全事故时有发生,究其原因大都是因接地材料选择不合理,接地网腐蚀破坏引起接地功能失效导致的。特别是我国西北和沿海地区,由于土壤呈弱碱性,含盐量高、腐蚀性强,开展有关接地网腐蚀的试验研究工作,选取最佳的接地方案,对保障接地系统与电力设备的安全可靠运行具有十分重要的意义。1试验条件1.1土壤理化性能试验土壤共有2份,分别为从天津市变电站现场取回的高盐碱土壤1和低盐碱土壤2,其中,土壤1取自滨海新区盐化土,土壤2取自市郊潮土。各土壤的理化性能见表1。试片采用经热镀锌处理的Q235碳钢试片,试片规格为50mm×25mm×2mm,Q235碳钢成分见表2。1.2小圆柱面丝网削加工在2份土壤中均采用镁阳极,将大块的镁阳极切削加工成直径20mm、长50mm的小圆柱体,在小圆柱顶面垂直打孔并攻丝,装上螺丝、螺母用以连接和固定导线。牺牲阳极试样如图1所示。2模拟测试2.1表面改性和表面埋片试验在试验室中模拟现场环境,将试片埋入土壤中30d后取出进行分析,每次共有4种不同配置方式(2种土壤,阴极保护或不保护)。每种配置单设1个容器,模拟现场各埋入4片试片,其中3片试片用于电化学分析,另1片试片用于表面分析。试验配置详情见表3。试验开始时,向置备好的干燥土壤中加入定量除盐水,搅拌均匀,使土壤1中水的质量分数为19.87%,土壤2为17.78%。埋片时,先在容器底部填埋约2cm厚的土壤,适度夯实,以土壤之间没有明显间隙、同时水不能从土壤中挤压出来为准;之后,将2片试片并排水平放置在同一高度位置上,试片与试片之间的距离以及试片与容器边缘的距离不小于1cm。然后添加2cm厚的泥土,再夯实,继续按上述方法埋剩下2片试片;继续添加土壤,每添加2cm土壤,夯实1次,直到上面2片试片到土壤表面距离为8cm。不同容器中,试片所处位置,试片与试片、试片与容器边缘,土壤总高度等均相等,以保证各组试验中土壤的孔隙率基本相同。2.2电化学分析及试样制备埋好试片后,称量整个容器的质量并记录,此后每隔24h称量1次质量,并根据质量减轻情况补充水分,维持土壤中水质量分数恒定。30d后,试片取出,各试片表面形貌分别见图2—图6。进行电化学分析时,采用普通三电极体系,将试片制作成1cm2的工作电极,在背面焊上导线,并用环氧树脂封装非工作面,用甘汞电极作为参比电极,铂电极作为辅助电极,NaCl体积分数为3%的溶液作为电解液。把装置连接好后,先让体系稳定1800s,待开路电位稳定后,再开始动电位极化曲线扫描,扫描范围为-300~+300mV(vs.OCP),扫描速率为0.05mV/s。2.3试验片表面分析采用外观比较、SEM图比较和EDS比较3种方法对试片表面进行分析。2.3.1镀层的腐蚀试验过程中,发现埋在低盐碱土壤中的热镀锌钢,其表面的镀锌层在10d以后略有破损,表面凹凸不平,但基本还保持试片原有的形貌;30d后镀层被侵蚀的迹象更加明显。在高盐碱环境下,热镀锌钢表面的镀锌层在10d后已有明显破损,露出下面的碳钢基体;30d后,镀锌层基本溃烂,几乎找不到完整的镀层,碳钢基体大面积暴露在外,并受到腐蚀。2.3.2腐蚀产物的排列和体系通过SEM的高倍率放大,可直接看到试片表面形貌,观察腐蚀产物堆积的形态。各试片SEM图分别见图7—图11。热镀锌钢试片埋入2种土壤后,不论实施阴极保护与否,都会受到不同程度的腐蚀。利用放大2000倍后的SEM图片进行比较分析,发现埋地后的试片表面覆盖有腐蚀产物,这些腐蚀产物在试片表面堆积,根据不同试验时间和试验条件,其堆积形态不同,总体上这些腐蚀产物均表现出不同程度的疏松,但都没有形成致密的保护膜。试验中发现10d后的试片表面腐蚀产物排列更加杂乱,而30d后的试片表面反而相对平整一些,说明随着反应时间的延长,金属表面的腐蚀不一定会越来越剧烈。这是由于一开始反应时,金属表面的腐蚀产物不多,少量的腐蚀产物之间没有重叠和挤压,所以排列较疏松;反应进行一段时间后,随着腐蚀产物的堆积,产物之间的缝隙逐渐被填充,腐蚀产物相互挤压,在一定程度上表现为比较平整。这种平整是相对的,表面腐蚀产物之间还是存在孔隙,并不是致密的保护层。2.3.3阴极保护对热镀锌钢表面的腐蚀影响通过EDS可分析出试片表面物质的元素组成,为判断腐蚀情况提供进一步的支持。试验前、后试片中各元素的质量分数(W)和原子数量分数(A)的EDS结果见表4。EDS显示各试片表面氧元素丰度普遍升高,说明各试片表面都生成了腐蚀产物。采用热镀锌工艺的Q235碳钢被镀锌层覆盖,在本次试验中,其表面始终只能检测出少量的Fe,即在试验周期内,镀锌层依然存在,土壤环境对试片的腐蚀依然主要是对Zn的腐蚀。实施牺牲阳极阴极保护可在一定程度上缓解金属的腐蚀。EDS分析中,氧元素含量越大,说明试片表层氧化物越多,即腐蚀越严重。试验中发现,在低盐碱土壤中,实施阴极保护的热镀锌钢表面更平整,腐蚀产物更少,表明受到的腐蚀较轻;在高盐碱土壤中,所有试片表面的腐蚀程度相近,实施阴极保护对腐蚀的影响不明显。另外,不同组的试验结果差异也并不明显,可能是受到土壤的不均匀性和多相性影响,以及试验周期不够长,所以不同组的差异性还没有完全体现出来。2.4电分析2.4.1极化曲线的绘制对取出的试片进行动电位扫描,扫描范围为-300~+300mV(vs.OCP),扫描速率为0.05mV/s,根据扫描数据绘制极化曲线。得到极化曲线后,在极化曲线的强极化区采用线性拟合,计算出不同条件下试片在NaCl体积分数为3%溶液中的自然腐蚀电位及腐蚀电流密度,结果见表5—表7。2.4.2阴极保护对热镀锌钢腐蚀的影响腐蚀电流密度跟试片的表面状况有关,试片埋入土壤后随着时间的推移,试片表面的腐蚀产物会逐渐累积。由于试片表面的腐蚀产物并不致密,这些在试片表面产生的腐蚀产物会影响腐蚀电流密度的测量结果,试片在土壤中受到的腐蚀越严重,其腐蚀电流密度越大。从表5—表7可以看出,采用牺牲阳极阴极保护后,腐蚀电流密度均有不同程度的减小,说明采用阴极保护可以减缓试片的腐蚀。热镀锌钢的腐蚀分为以下三个阶段。(1)第一阶段:当碳钢表面的镀锌层完整时,碳钢与土壤隔绝,只有碳钢表面的镀锌层被腐蚀;(2)第二阶段:当镀锌层腐蚀到一定程度,出现微孔或裂缝,导致碳钢体和土壤之间发生传质,碳钢开始有腐蚀的趋势,此时,锌以牺牲阳极的形式继续防止损坏处的碳钢被腐蚀,同时锌自身由于提供了保护电流而加速腐蚀;(3)第三阶段:当镀锌层消耗殆尽后,裸露的碳钢基体开始被腐蚀。3阴极保护对热镀锌钢的影响为防止接地网发生较严重的腐蚀,影响使用寿命和可靠性,热镀锌和实施阴极保护是两种常用的防腐蚀方法。试验结果表明,热镀锌钢材质在没实施阴极保护时,在高盐碱土壤中