碳鋼在土壤介質(zhì)中的腐蝕測(cè)量方法對(duì)比分析

1、碳鋼在土壤介質(zhì)中的腐蝕測(cè)量方法對(duì)比分析寄玉玉1，王佩1，張秀麗2，李志成2，張勝寒1(1.華北電力大學(xué)，河北保定071003；2.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京100045）摘要：碳鋼在土壤介質(zhì)中不可避免的會(huì)發(fā)生腐蝕，將材質(zhì)為20#碳鋼的試片埋置在土壤實(shí)驗(yàn)箱中，分別使用極化電阻法、電阻探針?lè)ê褪е胤y(cè)其腐蝕速率，每種測(cè)量方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得腐蝕速率約為0.4mm/a，耐蝕等級(jí)評(píng)定為一般。 關(guān)鍵詞：腐蝕檢測(cè)；極化電阻；電阻探針；失重法中圖分類(lèi)號(hào)：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 變電站及發(fā)電廠的接地網(wǎng)是電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行、保障電氣設(shè)備和運(yùn)行人員安全的重要設(shè)施1，但接地鋼材在土壤介質(zhì)中很容發(fā)生腐蝕，而且各接地網(wǎng)使用壽命差別很大，有的新建幾年就嚴(yán)重腐蝕，有的運(yùn)行二十余年仍較完好2-4，這是由于土壤介質(zhì)是

5、一個(gè)氣/液/固三相的復(fù)雜體系。鋼材在土壤介質(zhì)中的腐蝕要比在大氣和水環(huán)境中復(fù)雜得多，測(cè)量也比較困難5。土壤介質(zhì)的離子含量、含水率、松軟程度等因素都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響6，不光土壤介質(zhì)的性質(zhì)，工作電極的表面狀態(tài)也會(huì)對(duì)腐蝕產(chǎn)生影響，再加上不同地區(qū)氣候條件的多樣性和多變性，使得選擇一種合理有效的測(cè)量腐蝕方法變得極為重要。對(duì)土壤介質(zhì)中金屬的腐蝕狀態(tài)及其測(cè)量方法進(jìn)行研究有很大意義，準(zhǔn)確測(cè)定接地網(wǎng)的腐蝕速度，估算其運(yùn)行壽命，可以為接地網(wǎng)的運(yùn)行和維護(hù)提供理論依據(jù)7。1 測(cè)量方法介紹目前國(guó)內(nèi)外對(duì)接地網(wǎng)的檢測(cè)主要是通過(guò)測(cè)量接地電阻、跨步電壓等參數(shù)來(lái)判斷腐蝕和發(fā)生斷裂的位置，變電站接地網(wǎng)測(cè)量系統(tǒng)都只側(cè)重于測(cè)量接地網(wǎng)

6、系統(tǒng)工作的有效性和安全性，這些都無(wú)法對(duì)地網(wǎng)的腐蝕程度進(jìn)行測(cè)量和評(píng)價(jià)。還有一些根據(jù)土壤的物理化學(xué)性質(zhì)判斷土壤的腐蝕性，推斷金屬材料在土壤中的腐蝕速度，或者用原位測(cè)量技術(shù)、加速實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析的方法確定土壤中金屬的腐蝕速度8，這些物理的、化學(xué)的或電化學(xué)的方法各自都有其優(yōu)缺點(diǎn)，以下主要介紹了幾種常用的腐蝕測(cè)量方法。1.1極化電阻法極化電阻測(cè)量技術(shù)可以用于原位檢測(cè)9，其原理是向測(cè)試體系施加微小擾動(dòng)后，在腐蝕電位附近，電流的變化和電位的變化呈線性關(guān)系，其斜率即為極化阻力RP10：RP=E/I，極化電阻測(cè)量迅速，反應(yīng)靈敏，是一種廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)腐蝕檢測(cè)的測(cè)試技術(shù)。測(cè)量得到極化電阻率RP，再按Stern-Gea

7、ry 方程式估算腐蝕電流Icoor11：Icoor =式中：RP極化電阻；E外加極化電位；I極化電位下的電流密度；a、c分別為腐蝕電極的陽(yáng)極和陰極塔菲爾斜率；Icorr為腐蝕電流密度；一般地，Stern-Geary 系數(shù)（B值）取為25mV。1.2電阻探針?lè)娮杼结樋梢詫?shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)鋼材在介質(zhì)中的腐蝕狀態(tài)，其原理是通過(guò)密封膠鑲嵌于探針尖端的腐蝕試片在環(huán)境中發(fā)生腐蝕時(shí)，金屬材料的厚度會(huì)減薄，根據(jù)R=×L/S=×L/(a×h)：其中:R試片電阻；電阻率；L試片長(zhǎng)度；S試片面積；a試片寬度；h厚度；由于固定試片的電阻率、長(zhǎng)度L，寬度a為定值，則試片的電阻R與厚度h有如下關(guān)

8、系，h=K/R，其中K為常數(shù)。故在給探針施加恒定電流時(shí)，測(cè)其兩端的電壓值就可得到電阻值，根據(jù)電阻的變化就能算出其減薄量，從而進(jìn)一步可算出腐蝕速度12。1.3 腐蝕失重法失重法是一種比較常用的方法，在均勻腐蝕條件下，常采用重量指標(biāo)表示腐蝕速度，重量指標(biāo)是把金屬試片因腐蝕造成的重量變化換算成相當(dāng)于金屬試片表面在單位時(shí)間的質(zhì)量變化值。試片因腐蝕使其質(zhì)量在腐蝕前后不等，其差值為腐蝕前與清除腐蝕產(chǎn)物后的質(zhì)量之差13。V1=V2=式中：V1失重腐蝕速度，g/(m2·h)；V2年腐蝕速率，mm/a；W0試片腐蝕前重量，g；W1清除腐蝕產(chǎn)物后的試片重量，g；S試片表面積，cm2；t腐蝕時(shí)間，h；金屬

9、密度。2 測(cè)量結(jié)果及分析2.1極化電阻法工作電極的材質(zhì)為20#碳鋼，用環(huán)氧樹(shù)脂封裝后碳鋼試樣暴露面積為1cm2，用砂紙打磨后，將工作電極埋置在土壤實(shí)驗(yàn)箱30cm深處3天，電極穩(wěn)定之后進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)采用同種材料三電極體系。為了確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下將Parstat2263電化學(xué)工作站的測(cè)量結(jié)果與CMB-2510A腐蝕測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。圖3為用Parstat2263電化學(xué)工作站PowerSuite軟件的PowerCorr子軟件測(cè)得的碳鋼電極極化曲線，測(cè)試時(shí)掃描速率為1.0mv/s，掃描區(qū)間為-0.01V0.01V，掃描時(shí)間為60s。前幾個(gè)點(diǎn)的漂移可能是由于施加電壓時(shí)介

10、質(zhì)電阻的變化引起的。用New Line Fit進(jìn)行擬合，可得到工作電極在土壤里的極化電阻率為2265 ·cm2。圖3 Parstat2263電化學(xué)工作站測(cè)得的碳鋼電極的線性極化曲線相同試驗(yàn)條件下，使用CMB-2510A腐蝕速度測(cè)量?jī)x，測(cè)得的介質(zhì)電阻和工作電極極化電阻率總和Rp+Rs為2259 ·cm2，與Parstat2263誤差很小，同時(shí)還能測(cè)得土壤介質(zhì)電阻Rs為1324.7·cm2，所以CMB-2510A腐蝕速度測(cè)量?jī)x的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確可靠的，其優(yōu)點(diǎn)是扣除了介質(zhì)電阻Rs帶來(lái)的誤差。再根據(jù)公式計(jì)算腐蝕速率14-15：M=其中，M年腐蝕速率mm/a；K常數(shù)0.003

11、27；A金屬原子量；Icorr腐蝕電流密度；n失電子數(shù)；D金屬密度所以，由極化電阻法測(cè)得的年腐蝕速率為：0.312mm/a。2.2 電阻探針?lè)娮杼结樀母g試片材質(zhì)為20#碳鋼，采集數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為10min/次。測(cè)試時(shí)自補(bǔ)償精密電阻探針數(shù)據(jù)采集器將采集到的信號(hào)經(jīng)通訊轉(zhuǎn)換器傳入計(jì)算機(jī)，腐蝕在線監(jiān)測(cè)軟件可以直接顯示測(cè)得的試片腐蝕損耗（nm級(jí)），根據(jù)測(cè)定的時(shí)間長(zhǎng)短就可以計(jì)算出腐蝕速率nm/min，最后折算成mm/a。圖2 電阻探針測(cè)得的20#碳鋼腐蝕損耗由圖2可以看出在16個(gè)小時(shí)內(nèi)，20#碳鋼在土壤介質(zhì)中是一個(gè)均勻腐蝕的過(guò)程，電阻探針腐蝕試片的損耗厚度由57803nm增至58548nm，由此得腐蝕速

12、率為46.5nm/h，年腐蝕速率為0.407 mm/a。2.3腐蝕失重法將三塊20#碳鋼試片用P800砂紙打磨后進(jìn)行干燥處理，測(cè)量尺寸并稱重后，埋置在土壤試驗(yàn)箱中15天，取出后用5%的鹽酸和0.4%檸檬酸緩蝕劑常溫下清洗十分鐘，干燥后稱重，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1：表1 腐蝕失重法實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)試片編號(hào)長(zhǎng)(cm)寬(cm)厚(cm)孔徑(cm)表面積(m2)前重(g)后重(g)失重(g)時(shí)間(h)腐蝕速率(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對(duì)三個(gè)平行樣取平均值得腐蝕速率為：0.411mm/a試片表面局部被黑色和紅棕色的腐蝕產(chǎn)物覆蓋，腐蝕失重法測(cè)量的只是某一時(shí)間內(nèi)金屬的平均腐蝕速度，掩蓋了因環(huán)境介質(zhì)的變化、操作程序的改變，金屬表面狀態(tài)的變化及其他因素的影響所導(dǎo)致的腐蝕速度的各種變化。由于試驗(yàn)周期較短，腐蝕產(chǎn)物的清除以及稱量的誤差等都會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的精確性產(chǎn)生影響。表2 金屬材料均勻腐蝕的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)耐蝕性評(píng)定耐蝕性等級(jí)腐蝕速率mm/年耐蝕10.1一般(可采用)2不耐蝕(不可采用)31.0

14、根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及表2 可以評(píng)定：在試驗(yàn)箱土壤箱中，20#碳鋼的耐蝕性等級(jí)為2級(jí)，耐蝕性一般。3 小結(jié)：表3 三種測(cè)量方法對(duì)比電化學(xué)法電阻探針?lè)ㄊе胤ǜg類(lèi)型瞬時(shí)腐蝕累積腐蝕平均腐蝕儀器2263電化學(xué)工作站、CMB-2510A腐蝕速度測(cè)量?jī)x自補(bǔ)償精密電阻探針電子天平、千分尺測(cè)量周期1分鐘16小時(shí)15天腐蝕速率測(cè)量結(jié)果0.312mm/a0.407 mm/a0.411 mm/a缺點(diǎn)只能用于電解質(zhì)環(huán)境。估算的B值誤差較大。以金屬損失為基礎(chǔ)，靈敏度低，需要金屬損失一定量后才響應(yīng)。試驗(yàn)周期長(zhǎng)，當(dāng)腐蝕速度較低或腐蝕時(shí)間短的時(shí)候，失重?cái)?shù)據(jù)是不太可靠的。優(yōu)點(diǎn)響應(yīng)速度快，靈敏度高，分辨率高，在電解質(zhì)環(huán)境測(cè)量值更準(zhǔn)確

15、。可用于原位檢測(cè)?？捎糜诜请娊赓|(zhì)腐蝕環(huán)境，抗干擾性強(qiáng)。測(cè)量準(zhǔn)確，經(jīng)濟(jì)投入最少。4 結(jié)束語(yǔ)(1)失重法簡(jiǎn)單有效，但測(cè)試周期很長(zhǎng)。電阻探針試片是鑲嵌固定的，所以只能用于模擬接地網(wǎng)腐蝕，不能用于原位檢測(cè)。電化學(xué)方法對(duì)測(cè)試的各個(gè)環(huán)節(jié)要求都比較高，實(shí)際中要對(duì)接地網(wǎng)進(jìn)行腐蝕評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)按需求選擇合理高效的測(cè)試方法。(2) 失重法、電阻探針?lè)ê蜆O化電阻測(cè)量這三種方法都可以有效測(cè)定金屬在土壤介質(zhì)中的腐蝕速率，測(cè)試得到的腐蝕速率為0.4mm/a左右，在實(shí)驗(yàn)土壤中的耐蝕等級(jí)一般。測(cè)量結(jié)果可以為接地網(wǎng)環(huán)境的腐蝕狀況評(píng)價(jià)提供可靠依據(jù)，準(zhǔn)確的判斷設(shè)備的腐蝕情況和存在隱患，以便制定出恰當(dāng)?shù)姆栏g措施。5參考文獻(xiàn)1 趙丙軍，

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