熱鍍鋅鋼在變電站土壤中陰極保護(hù)試驗(yàn)研究

熱鍍鋅鋼在變電站土壤中陰極保護(hù)試驗(yàn)研究

0接地網(wǎng)腐蝕特性由于價(jià)格低廉、加工性能好、碳鐵粉是供電網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最廣泛的材料。隨著電動(dòng)汽車的數(shù)量與日俱增，管道網(wǎng)絡(luò)的組件中的木材數(shù)量也顯著增加。鋼鐵材料在土壤環(huán)境中的腐蝕問題關(guān)系著變電站的運(yùn)行安全,變電站接地網(wǎng)腐蝕及防護(hù)研究已成為學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)課題之一。與其他普通腐蝕介質(zhì)如水、大氣等相比,作為腐蝕介質(zhì)的土壤是一種復(fù)雜的非均質(zhì)、多相體系,并且由于氣象條件、微生物分布、雜散電流及電網(wǎng)特性等諸多因素的影響,使各種接地網(wǎng)材料腐蝕規(guī)律的研究工作更加困難。目前,對接地網(wǎng)腐蝕的診斷一般采用開挖檢查的方法,對接地裝置腐蝕狀況進(jìn)行測量,如發(fā)現(xiàn)腐蝕較嚴(yán)重就進(jìn)行更換。這種方法必須停電,盲目性高、工作量大,并且很難確定接地網(wǎng)的實(shí)際腐蝕狀態(tài)。隨著變電站容量的不斷擴(kuò)大,接地短路電流也越來越大,對接地網(wǎng)安全、可靠性的要求也更加嚴(yán)格。近幾年,因接地網(wǎng)故障引發(fā)的安全事故時(shí)有發(fā)生,究其原因大都是因接地材料選擇不合理,接地網(wǎng)腐蝕破壞引起接地功能失效導(dǎo)致的。特別是我國西北和沿海地區(qū),由于土壤呈弱堿性,含鹽量高、腐蝕性強(qiáng),開展有關(guān)接地網(wǎng)腐蝕的試驗(yàn)研究工作,選取最佳的接地方案,對保障接地系統(tǒng)與電力設(shè)備的安全可靠運(yùn)行具有十分重要的意義。1試驗(yàn)條件1.1土壤理化性能試驗(yàn)土壤共有2份,分別為從天津市變電站現(xiàn)場取回的高鹽堿土壤1和低鹽堿土壤2,其中,土壤1取自濱海新區(qū)鹽化土,土壤2取自市郊潮土。各土壤的理化性能見表1。試片采用經(jīng)熱鍍鋅處理的Q235碳鋼試片,試片規(guī)格為50mm×25mm×2mm,Q235碳鋼成分見表2。1.2小圓柱面絲網(wǎng)削加工在2份土壤中均采用鎂陽極,將大塊的鎂陽極切削加工成直徑20mm、長50mm的小圓柱體,在小圓柱頂面垂直打孔并攻絲,裝上螺絲、螺母用以連接和固定導(dǎo)線。犧牲陽極試樣如圖1所示。2模擬測試2.1表面改性和表面埋片試驗(yàn)在試驗(yàn)室中模擬現(xiàn)場環(huán)境,將試片埋入土壤中30d后取出進(jìn)行分析,每次共有4種不同配置方式(2種土壤,陰極保護(hù)或不保護(hù))。每種配置單設(shè)1個(gè)容器,模擬現(xiàn)場各埋入4片試片,其中3片試片用于電化學(xué)分析,另1片試片用于表面分析。試驗(yàn)配置詳情見表3。試驗(yàn)開始時(shí),向置備好的干燥土壤中加入定量除鹽水,攪拌均勻,使土壤1中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.87%,土壤2為17.78%。埋片時(shí),先在容器底部填埋約2cm厚的土壤,適度夯實(shí),以土壤之間沒有明顯間隙、同時(shí)水不能從土壤中擠壓出來為準(zhǔn);之后,將2片試片并排水平放置在同一高度位置上,試片與試片之間的距離以及試片與容器邊緣的距離不小于1cm。然后添加2cm厚的泥土,再夯實(shí),繼續(xù)按上述方法埋剩下2片試片;繼續(xù)添加土壤,每添加2cm土壤,夯實(shí)1次,直到上面2片試片到土壤表面距離為8cm。不同容器中,試片所處位置,試片與試片、試片與容器邊緣,土壤總高度等均相等,以保證各組試驗(yàn)中土壤的孔隙率基本相同。2.2電化學(xué)分析及試樣制備埋好試片后,稱量整個(gè)容器的質(zhì)量并記錄,此后每隔24h稱量1次質(zhì)量,并根據(jù)質(zhì)量減輕情況補(bǔ)充水分,維持土壤中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)恒定。30d后,試片取出,各試片表面形貌分別見圖2—圖6。進(jìn)行電化學(xué)分析時(shí),采用普通三電極體系,將試片制作成1cm2的工作電極,在背面焊上導(dǎo)線,并用環(huán)氧樹脂封裝非工作面,用甘汞電極作為參比電極,鉑電極作為輔助電極,NaCl體積分?jǐn)?shù)為3%的溶液作為電解液。把裝置連接好后,先讓體系穩(wěn)定1800s,待開路電位穩(wěn)定后,再開始動(dòng)電位極化曲線掃描,掃描范圍為-300~+300mV(vs.OCP),掃描速率為0.05mV/s。2.3試驗(yàn)片表面分析采用外觀比較、SEM圖比較和EDS比較3種方法對試片表面進(jìn)行分析。2.3.1鍍層的腐蝕試驗(yàn)過程中,發(fā)現(xiàn)埋在低鹽堿土壤中的熱鍍鋅鋼,其表面的鍍鋅層在10d以后略有破損,表面凹凸不平,但基本還保持試片原有的形貌;30d后鍍層被侵蝕的跡象更加明顯。在高鹽堿環(huán)境下,熱鍍鋅鋼表面的鍍鋅層在10d后已有明顯破損,露出下面的碳鋼基體;30d后,鍍鋅層基本潰爛,幾乎找不到完整的鍍層,碳鋼基體大面積暴露在外,并受到腐蝕。2.3.2腐蝕產(chǎn)物的排列和體系通過SEM的高倍率放大,可直接看到試片表面形貌,觀察腐蝕產(chǎn)物堆積的形態(tài)。各試片SEM圖分別見圖7—圖11。熱鍍鋅鋼試片埋入2種土壤后,不論實(shí)施陰極保護(hù)與否,都會(huì)受到不同程度的腐蝕。利用放大2000倍后的SEM圖片進(jìn)行比較分析,發(fā)現(xiàn)埋地后的試片表面覆蓋有腐蝕產(chǎn)物,這些腐蝕產(chǎn)物在試片表面堆積,根據(jù)不同試驗(yàn)時(shí)間和試驗(yàn)條件,其堆積形態(tài)不同,總體上這些腐蝕產(chǎn)物均表現(xiàn)出不同程度的疏松,但都沒有形成致密的保護(hù)膜。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)10d后的試片表面腐蝕產(chǎn)物排列更加雜亂,而30d后的試片表面反而相對平整一些,說明隨著反應(yīng)時(shí)間的延長,金屬表面的腐蝕不一定會(huì)越來越劇烈。這是由于一開始反應(yīng)時(shí),金屬表面的腐蝕產(chǎn)物不多,少量的腐蝕產(chǎn)物之間沒有重疊和擠壓,所以排列較疏松;反應(yīng)進(jìn)行一段時(shí)間后,隨著腐蝕產(chǎn)物的堆積,產(chǎn)物之間的縫隙逐漸被填充,腐蝕產(chǎn)物相互擠壓,在一定程度上表現(xiàn)為比較平整。這種平整是相對的,表面腐蝕產(chǎn)物之間還是存在孔隙,并不是致密的保護(hù)層。2.3.3陰極保護(hù)對熱鍍鋅鋼表面的腐蝕影響通過EDS可分析出試片表面物質(zhì)的元素組成,為判斷腐蝕情況提供進(jìn)一步的支持。試驗(yàn)前、后試片中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(W)和原子數(shù)量分?jǐn)?shù)(A)的EDS結(jié)果見表4。EDS顯示各試片表面氧元素豐度普遍升高,說明各試片表面都生成了腐蝕產(chǎn)物。采用熱鍍鋅工藝的Q235碳鋼被鍍鋅層覆蓋,在本次試驗(yàn)中,其表面始終只能檢測出少量的Fe,即在試驗(yàn)周期內(nèi),鍍鋅層依然存在,土壤環(huán)境對試片的腐蝕依然主要是對Zn的腐蝕。實(shí)施犧牲陽極陰極保護(hù)可在一定程度上緩解金屬的腐蝕。EDS分析中,氧元素含量越大,說明試片表層氧化物越多,即腐蝕越嚴(yán)重。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),在低鹽堿土壤中,實(shí)施陰極保護(hù)的熱鍍鋅鋼表面更平整,腐蝕產(chǎn)物更少,表明受到的腐蝕較輕;在高鹽堿土壤中,所有試片表面的腐蝕程度相近,實(shí)施陰極保護(hù)對腐蝕的影響不明顯。另外,不同組的試驗(yàn)結(jié)果差異也并不明顯,可能是受到土壤的不均勻性和多相性影響,以及試驗(yàn)周期不夠長,所以不同組的差異性還沒有完全體現(xiàn)出來。2.4電分析2.4.1極化曲線的繪制對取出的試片進(jìn)行動(dòng)電位掃描,掃描范圍為-300~+300mV(vs.OCP),掃描速率為0.05mV/s,根據(jù)掃描數(shù)據(jù)繪制極化曲線。得到極化曲線后,在極化曲線的強(qiáng)極化區(qū)采用線性擬合,計(jì)算出不同條件下試片在NaCl體積分?jǐn)?shù)為3%溶液中的自然腐蝕電位及腐蝕電流密度,結(jié)果見表5—表7。2.4.2陰極保護(hù)對熱鍍鋅鋼腐蝕的影響腐蝕電流密度跟試片的表面狀況有關(guān),試片埋入土壤后隨著時(shí)間的推移,試片表面的腐蝕產(chǎn)物會(huì)逐漸累積。由于試片表面的腐蝕產(chǎn)物并不致密,這些在試片表面產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物會(huì)影響腐蝕電流密度的測量結(jié)果,試片在土壤中受到的腐蝕越嚴(yán)重,其腐蝕電流密度越大。從表5—表7可以看出,采用犧牲陽極陰極保護(hù)后,腐蝕電流密度均有不同程度的減小,說明采用陰極保護(hù)可以減緩試片的腐蝕。熱鍍鋅鋼的腐蝕分為以下三個(gè)階段。(1)第一階段:當(dāng)碳鋼表面的鍍鋅層完整時(shí),碳鋼與土壤隔絕,只有碳鋼表面的鍍鋅層被腐蝕;(2)第二階段:當(dāng)鍍鋅層腐蝕到一定程度,出現(xiàn)微孔或裂縫,導(dǎo)致碳鋼體和土壤之間發(fā)生傳質(zhì),碳鋼開始有腐蝕的趨勢,此時(shí),鋅以犧牲陽極的形式繼續(xù)防止損壞處的碳鋼被腐蝕,同時(shí)鋅自身由于提供了保護(hù)電流而加速腐蝕;(3)第三階段:當(dāng)鍍鋅層消耗殆盡后,裸露的碳鋼基體開始被腐蝕。3陰極保護(hù)對熱鍍鋅鋼的影響為防止接地網(wǎng)發(fā)生較嚴(yán)重的腐蝕,影響使用壽命和可靠性,熱鍍鋅和實(shí)施陰極保護(hù)是兩種常用的防腐蝕方法。試驗(yàn)結(jié)果表明,熱鍍鋅鋼材質(zhì)在沒實(shí)施陰極保護(hù)時(shí),在高鹽堿土壤中