不銹鋼復(fù)合材料耐酸性土壤腐蝕接地裝置的研究

不銹鋼復(fù)合材料耐酸性土壤腐蝕接地裝置的研究

0酸性土壤及合金材料的選擇電力線路的塔塔橋接地安裝的正常運行是電網(wǎng)安全運行的重要保障。輸電線路桿塔是通過接地裝置和土壤相連接,而土壤是一個復(fù)雜的腐蝕系統(tǒng)。土壤腐蝕影響因素有透氣性、含水量、溫度、電阻率、溶解離子的種類和數(shù)量、pH值、有機質(zhì)以及微生物等。接地裝置的好壞直接影響輸電線路的防雷效果,若其腐蝕程度嚴(yán)重時甚至?xí)斐山拥鼐W(wǎng)局部斷裂,構(gòu)成事故,威脅電網(wǎng)的安全運行。從20世紀(jì)50年代開始,我國就重視土壤腐蝕問題,但是研究工作主要集中在中、堿性土壤,對酸性土壤研究較少。目前,《國網(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施》指出:“在中性或酸性土壤地區(qū),接地裝置選用熱鍍鋅鋼為宜;在強堿性土壤地區(qū)或者接地網(wǎng)土壤和地下水條件會引起鋼質(zhì)材料嚴(yán)重腐蝕的中性土壤地區(qū),宜采用銅質(zhì)、銅覆鋼或者其他具有防腐性能材質(zhì)的接地網(wǎng)”。而實際運行經(jīng)驗表明,熱鍍鋅鋼材易造成點蝕,點蝕速度比年平均腐蝕值高幾倍,據(jù)統(tǒng)計,正常使用壽命為7~12a。鍍銅鋼材由于銅層較薄,也不能解決點蝕問題,并且一旦表面鍍層在施工及運輸過程中受到損傷,易加速腐蝕,最終造成鍍銅鋼斷裂。采用鍍銅鋼(銅覆鋼)、銅材在一定程度上可解決鍍鋅鋼材腐蝕問題,但會帶來一系列問題:(1)銅對中性、堿性介質(zhì)有較好防腐性能,而對酸性介質(zhì)防腐性較差。在一般土壤中其使用壽命約30a,而在酸性土壤中<5a。(2)對鄰近鋼材存在陽極腐蝕問題。(3)我國水資源和土壤中銅含量都有嚴(yán)格限制,盲目大量使用鍍銅鋼(銅覆鋼)、銅材將會對水、土壤造成嚴(yán)重污染。(4)鍍銅鋼(銅覆鋼)、銅材接地裝置的使用不符合中國的國情。在實際運行中常常存在著塔材的偷盜現(xiàn)象。純不銹鋼材由于其使用性能和加工性能的局限以及價格因素的限制,導(dǎo)致其較少被用作接地材料。防腐涂層的涂覆材料本身及老化產(chǎn)物以及現(xiàn)場涂覆的施工缺陷,可能給設(shè)備安全運行帶來不利的影響。合金材料價格昂貴,其電氣和機械性能還需進一步研究。為此本文提出了不銹鋼復(fù)合材料防腐蝕技術(shù),開發(fā)適用于酸性土壤的耐腐蝕接地裝置,以保證電網(wǎng)安全運行。1設(shè)備和測試配置1.1不銹鋼復(fù)合材料的加工工藝不銹鋼復(fù)合材料是由優(yōu)質(zhì)超低碳素鋼和特制專用不銹鋼管2部分組成,專用不銹鋼管主要由以下組分組成:C質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.05%,Si(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤1.00%),Mn(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤2.00%),P(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.035%),S(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.03%),Ni(9%≤質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤14%),Cr(16%≤質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤18%),Mo(1.5%≤質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤2.5%),以及其他微量元素和雜質(zhì)。其耐酸性土壤腐蝕性能遠遠優(yōu)于其他金屬材料。該不銹鋼復(fù)合材料是把處理后的優(yōu)質(zhì)超低碳素鋼套入特制專用不銹鋼管,再經(jīng)過表面處理、拉伸、等特殊工藝制作而成。該不銹鋼復(fù)合材料的加工工藝主要包括以下步驟:1)材料的選取:選取碳素鋼和不銹鋼;2)物理去皮:用物理的方法去除碳素鋼表面氧化層;3)預(yù)切:切斷碳素鋼;4)扎頭:用機械方法使碳素鋼局部直徑改變;5)軋制拉伸:使整根碳素鋼改變直徑的一種方法;6)檢驗過程1:按IS09000認(rèn)證要求檢驗;9)精拉:使碳素鋼直徑達到加工要求;10)拋丸:清理碳素鋼表面并增加粗糙度;12)套管:碳素鋼套入不銹鋼管內(nèi);13)軋尖:使不銹鋼和碳素鋼頭部結(jié)合并改變直徑;14)拉伸:使不銹鋼和碳素鋼整體緊密結(jié)合;17)切斷:切斷不銹鋼復(fù)合材料;19)包裝;除了以上所述加工工藝外,該不銹鋼復(fù)合材料接地裝置加工時,其接地體通過極尖密封,一字形連接頭、T字形連接頭等接頭處均采取液壓壓接,連接板之間、連接管之間均采用氣體保護焊焊接,使得連接處平整均勻、連接可靠、接觸性能和密封性能好,可減緩腐蝕;并且加工工藝完全采用物理方法,杜絕采用化學(xué)工藝,對大氣、水、土壤不會產(chǎn)生二次污染,符合國家資源節(jié)約、環(huán)境友好型的要求,有較好的應(yīng)用前景。1.2接地體結(jié)構(gòu)型式接地裝置是由接地體、連接頭、接地線連接板、極尖等部件組成,這里主要介紹極尖和T字形連接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計。1)極尖。極尖是用于水平接地體或垂直接地體端面的密封,其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1,尺寸及誤差見表1,φ表示接地體的直徑。2)T字形連接頭。結(jié)構(gòu)示意圖見圖2,加工后的尺寸及誤差見表2。采用不銹鋼復(fù)合材料制作接地體,采用專用不銹鋼制作連接頭、接地線連接板等連接件,將其組裝成典型接地裝置,2種典型結(jié)構(gòu)型式如圖3所示。其中,閉合環(huán)形接地裝置主要適用于土壤電阻率≤100?·m的地區(qū),閉合環(huán)形兼放射形適用于土壤電阻率為100~500?·m的地區(qū),土壤電阻率>500?·m的地區(qū)可按設(shè)計要求決定敷設(shè)型式和長度。1.3不銹鋼復(fù)合材料接地體腐蝕試驗對不銹鋼復(fù)合材料接地體進行了以下試驗研究:1)電氣和熱穩(wěn)定性能試驗研究。根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),進行了不銹鋼復(fù)合材料接地體的導(dǎo)電率和熔斷溫度的測量。2)機械性能試驗研究。(1)包覆層可塑性試驗:選取長度≥1000mm試品3件,從試品一端300mm處彎曲90°(彎曲半徑不小于直徑的3倍),再從試品另一端300mm處反向彎曲90°(彎曲半徑不小于直徑的3倍)。(2)包覆層與芯棒結(jié)合力試驗:選取型號為φ10.60接地體3件作為試品,將試品在離頭或尾部1000mm處截取,取試品長度為300mm。從試品一端75mm處去除包覆層,試品另一端75mm處掏空芯棒(包覆層與芯棒的結(jié)合面長度為150±1.5mm),置于拉力試驗機上測試其拉力值。3)耐腐蝕性試驗。重量法是定量評定腐蝕的最基本、最常用的方法,簡單且直觀。但在工程實際應(yīng)用中,不銹鋼復(fù)合材料接地體和其他金屬可能形成化學(xué)電池效應(yīng)而導(dǎo)致腐蝕,腐蝕的速率主要取決于:(1)兩金屬的電位差;(2)兩金屬位置接近的比率;(3)電解質(zhì)的電阻率;(4)環(huán)路系統(tǒng)電阻;(5)兩電極間導(dǎo)體、構(gòu)架、管道的雜散電流。因此,除了重量法,還需采用電化學(xué)法(如:腐蝕電位法、電偶電流法和線性極化法等)進行耐腐蝕性試驗研究,具體試驗方法這里不作詳述。2試驗結(jié)果2.1可靠性和可靠性與常用接地材料相比,相應(yīng)參數(shù)比較見表3。由表3可知,與常用接地材料相比,不銹鋼復(fù)合材料接地體的電氣性能和熱穩(wěn)定性能較好。2.2試品的表面改性1)包覆層可塑性試驗。試驗結(jié)果表明,3件試品的兩端折角內(nèi)外均無裂紋。2)包覆層與芯棒結(jié)合力試驗。拉力試驗值的平均值為17kN,滿足拉力試驗要求(≥15kN)。2.3耐腐蝕性2.3.1腐蝕電位的變化圖4為3組平行試驗中不銹鋼、銅及2者偶合后腐蝕電位隨時間的變化圖。由圖4可知:(1)隨著埋藏時間的增加,3種情況下金屬腐蝕電位都呈緩慢增加的趨勢,這主要是由于金屬表面腐蝕產(chǎn)物與試樣周圍土壤顆粒混合粘附于試樣表面,形成一層具有一定保護作用的保護層,從而導(dǎo)致了金屬試樣腐蝕電位的升高;(2)銅的腐蝕電位要低于不銹鋼的腐蝕電位。當(dāng)2者偶合后,銅的腐蝕電位正移,而不銹鋼的腐蝕電位負(fù)移。以上結(jié)果表明,在酸性土壤中,不銹鋼和銅偶合后,銅成為陽極腐蝕加重,而不銹鋼成為陰極腐蝕減弱。2.3.2藏期間偶合電流的穩(wěn)定性驗算3組平行試驗中不銹鋼和銅偶合后2者之間產(chǎn)生的電偶電流隨時間變化見圖5。由圖5可知,當(dāng)接地體埋在土壤下面時進行耐腐蝕性試驗,在其埋藏開始階段,偶合電流迅速達到最大值,之后隨著埋藏時間的延長而逐漸降低并趨于平穩(wěn),最后電偶電流穩(wěn)定在約1.1μA左右。結(jié)合圖2可知,偶合前不銹鋼和銅之間存在明顯的電位差,當(dāng)2者偶合后,在這種電位差的推動下,試樣間會流過偶合電流,銅的腐蝕電位為負(fù)極性,被陽極極化成為偶合后的陽極,而不銹鋼被陰極極化,成為偶合后的陰極,腐蝕性減弱。2.3.3埋地20d后不銹鋼極化電阻不銹鋼和銅極化電阻隨時間變化如圖6所示。由圖6可知,銅和不銹鋼的極化電阻隨埋藏時間的延長基本呈先降低后增大再趨于平穩(wěn)變化的趨勢。在埋地20d以后,不銹鋼的極化電阻大于銅的極化電阻。眾所周知,金屬的極化電阻與金屬腐蝕速率呈負(fù)相關(guān)性,因此,銅的腐蝕速率要遠大于不銹鋼的腐蝕速率,埋藏70d以后,銅的腐蝕速率是不銹鋼腐蝕速率的5倍以上。2.3.4腐蝕速率的變化不銹鋼和銅在自然狀態(tài)下和偶合狀態(tài)下90d腐蝕失重數(shù)據(jù)見表4,如圖7所示。由上述可知,在自然腐蝕狀態(tài)下,銅的腐蝕速率大于不銹鋼的腐蝕速率;與自然腐蝕狀態(tài)相比,在電偶腐蝕狀態(tài)下銅的腐蝕速率顯著增大(偶合銅的腐蝕速率約為自然狀態(tài)下的23倍),而不銹鋼的腐蝕速率略微降低。此外,也對不銹鋼復(fù)合材料接地體和銅材進行了中性、強堿性及鹽漬土壤中腐蝕性試驗研究。研究結(jié)果表明:在中性、強堿性和鹽漬土壤中,銅的腐蝕速率亦遠大于不銹鋼的腐蝕速率。3接地電阻調(diào)查和分析江蘇無錫地區(qū)土壤以弱酸性粉質(zhì)粘土為主,接地體鍍鋅層在這種環(huán)境下只能運行3~5a。根據(jù)運行經(jīng)驗,運行8~10a后就會發(fā)生接地體接頭腐蝕斷裂,接地電阻增大,線路的雷擊跳閘次數(shù)逐年增加。架空輸電線路面廣量大,每年對接地體接地電阻測量、開挖檢查、修補及更換需要投入大量人力物力,但還是難以降低線路的雷擊跳閘次數(shù)。以公司110kV膠安線為例,該線路從1997年投運,到2000年線路的雷擊跳閘次數(shù)開始上升,經(jīng)工區(qū)運行人員調(diào)查分析,發(fā)現(xiàn)線路桿塔的接地電阻接近10?、甚至>10?,大部分達到設(shè)計值的上限,有的甚至超過運行標(biāo)準(zhǔn)。2007年該運行單位引入本文研制的不銹鋼復(fù)合材料接地裝置技術(shù)進行接地改造,采用該材料加工成閉合環(huán)形接地裝置,其尺寸為6m×8m,接地體直徑為10.59mm,不銹鋼外套厚度為0.6mm。經(jīng)過技術(shù)論證,該不銹鋼復(fù)合材料能適應(yīng)在酸性土壤內(nèi)敷設(shè)輸電線路接地裝置,其使用壽命可以與架空線路的設(shè)計壽命相同。在線路的全壽命周期內(nèi)一次敷設(shè)長期使用,無接地體腐蝕、接地電阻增大的顧慮。實際應(yīng)用表明,自2007年接地改造后,每年接地電阻測量值普遍<5?,遠小于設(shè)計值,每年的雷擊跳閘率降低了65%左右,保障了線路安全穩(wěn)定運行。2012年對110kV膠安線接地裝置開挖抽查,現(xiàn)場實測不銹鋼復(fù)合材料接地體直徑為10.58mm(如圖8所示),則接地體腐蝕速率為0.002mm/a。4分析與討論4.1腐蝕速率相同上述不銹鋼復(fù)合材料接地體的耐腐蝕性試驗研究和周期為6a的實際應(yīng)用案例表明,其腐蝕速率約為0.002mm/a,若每a的腐蝕速率相同,則腐蝕掉1mm需要500a?？紤]到腐蝕的速度是逐年變化的,可估計其壽命>60a,滿足電網(wǎng)設(shè)備全壽命周期管理規(guī)定。4.2檢費、安裝費與熱鍍鋅鋼接地裝置相比,不銹鋼復(fù)合材料接地裝置的參數(shù)和價格見表5,表中比例指單價與目前常用的熱鍍鋅鋼接地裝置單價之比。以安裝上述的1基110kV桿塔的閉合環(huán)形接地裝置為例,進行全壽命周期成本的比較分析。其尺寸為6m×8m,則周長為28m,另加4根(每根2m)引出線分別安裝在桿塔的對角主材上。敷設(shè)場所為普通農(nóng)田,估算安裝費包括:輔助材料費21.5元、土方開挖回墊費600元、接地體敷設(shè)費698.21元、接地電阻測試費153.04元、農(nóng)作物損壞賠償費300元,安裝費合計為1772.75元。采用熱鍍鋅鋼接地裝置需在線路設(shè)計壽命內(nèi)平均改造3.5次,在線路壽命周期內(nèi)該接地裝置費用約為:(10.3×36+1772.75)×3.5元=7502.43元。若采用不銹鋼復(fù)合材料接地裝置,其使用壽命>60a,只需一次性投資,其費用為:30×36+1772.75元=2852.75元,可節(jié)約費用7502.43-2852.75元=4649.68元(該比較為靜態(tài)計算,未計算多次接地裝置改造人力成本和政策處理歷年費用的上漲)。因此,不銹鋼復(fù)合材料接地裝置的全壽命周期成本較低,約為熱鍍鋅鋼接地裝置全壽命周期成本的38.1%。5不銹鋼復(fù)合材料接地裝置在其它領(lǐng)域的應(yīng)用效果1)本文研制了不銹鋼復(fù)合材料耐腐蝕接地裝置,其連接處平整均勻、連接可靠、接觸性和密封性能好,可減緩腐蝕。2)基于電化學(xué)法和失重法腐蝕性試驗研究表明:在強酸性土壤中,銅的腐蝕速率遠大于不銹鋼的腐蝕速率,當(dāng)2