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接地網的腐蝕分析與防腐技術
發(fā)布時間：2020-07-02 瀏覽次數：5283次
接地網的腐蝕分析與防腐技術
李素芳 、陳宗璋 、彭敏放 、俞東江
【摘要】分析了接地體在土壤中的腐蝕機理、影響因素及常用降阻劑對腐蝕的影響。簡要介紹了兩種預測土壤腐蝕速率的方法和接地網防腐技術。
【關鍵詞】接地體；土壤；腐蝕；降阻劑
【中圖分類號】TG172．4
【文獻標識碼】A
【文章編號】1008-6218(2003)02-0009—04
接地網是電網安全運行的重要裝置，據廣東、廣西、湖北、天津、江蘇、安徽、四川等地調查，一般接地網10年腐爛，快的3～4年已腐爛，使電網的安全運行受到潛在的威脅。因此，研究并了解接地電網的腐蝕規(guī)律對保證電力生產的安全經濟運行意義重大。
本文圍繞接地電網的腐蝕原理、影響因素、預測方法以及相應的防腐措施進行交流，希望有助于接地網的維護和改造。
1 接地網在土壤中的腐蝕機理
目前接地網大多采用扁鋼、角鋼或鋼管，因而接地網的腐蝕實際上就是金屬鐵在土壤中的腐蝕。金屬在土壤中的腐蝕按機理的不同分為下列幾種：
1.1 化學腐蝕
化學腐蝕屬于自然腐蝕的范疇，是接地體和周圍環(huán)境里接觸到的介質直接進行化學反應而引起的一種自發(fā)腐蝕，如鐵氧化生成氧化鐵2Fe+ =2FeO 或 4Fe+3 =2 。
1.2 電化學腐蝕
土壤是由固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種物質構成的復雜混合物。土壤膠體帶有電荷，并吸附一定數量的陰離子，當土壤中存在少量水分時，土壤水即成為一種電解質溶液，土壤中的部分氧氣溶解在水中，與接地體構成一個氧化還原電池：
陽極(接地網)：Fe-2e= ，
陰極： +2 +4e=4 (中堿性土壤)，
2 +2e= (酸性土壤)，
陽極(接地體)逐漸失去電子，變成鐵銹，從而引起了接地網的腐蝕。
位于電氣化鐵路附近的接地體還存在著由雜散電流引起的電化學腐蝕，電流流出端為陽極，被腐蝕。
1.3 微生物腐蝕
如果土壤中嚴重缺氧，接地網就難以進行上述電化學腐蝕，但土壤中存在各種細菌，如硫酸鹽還原菌(SRB)、鐵細菌等，這些細菌依靠腐蝕反應所釋放的能量進行繁殖，其中引起鐵腐蝕的主要是前者，其腐蝕反應為： 4Fe+ +2 0=FeS+3Fe ，腐蝕的結果是使接地體的局部被損壞，造成孔腐蝕。
這三種腐蝕中電化學腐蝕最嚴重。
2 土壤是影響接地網腐蝕的主要因素
接地網在土壤中腐蝕的影響因素很多，如土壤的類型、含水量、容量、電阻率、總空隙度、空氣容量氧化還原電位、各種陰陽離子、總鹽含量、pH值、有機質含量等，下面分析土壤對接地體腐蝕的影響。
2．1 土壤的透氣性
顆粒大的沙土持水性差，較為松散，透氣性好氧氣濃度高，氧氣通過土壤顆粒間較大的空隙直接擴散到接地網的表面，接地體的自然電位較正；而顆粒較小的黏土由于表面積大、分布性好，黏土中的空隙小，氧氣的含量較低，氧氣在其中擴散也較慢，金屬的自然電位較負。因此在一般條件下，沙土中的接地體腐蝕的陰極極化反應較黏土中充分，自然腐蝕速度比黏土中的大。
由此可知，土壤的不均勻性將引起接地體的宏觀腐蝕，如接地體穿越不同松緊的土壤時，土壤緊的區(qū)域缺氧，形成陽極，接地體較土壤松的區(qū)域腐蝕嚴重；另外埋深不同，也引起接地體的宏電池腐蝕，埋深處含氧量少為陽極，比埋淺處腐蝕嚴重。
對于接地體，腐蝕微電池和宏電池同時存在，但宏電池引起的腐蝕危害性更大。
2．2 土壤的電阻率
土壤的電阻率是表征土壤多種性質的綜合指標，它與土壤的含水量、pH值、各種無機離子的種類和數量等有關。對腐蝕的影響可分為下列二種情況：在中性和堿性土壤中，一般土壤電阻率越低，金屬腐蝕速度越大。因為各種土壤的含鹽量有相對穩(wěn)定的范圍，土壤電阻率隨含水量的增大而減少，在一個相當大的范圍內，土壤含水量增大，氧的溶解量和擴散速率增大，金屬離子化速度增大，金屬在土壤中的腐蝕速度增大，當含水量太大(中性：大于65％WHC，堿性：大于25％WHC)，水填充了土壤的空隙，使氧擴散困難，金屬的腐蝕反而減慢；但如果土壤中含鹽量太高(如海濱地區(qū))，反而影響氧在此電解質中的溶解和擴散，腐蝕速度隨電阻率的減少而增大。在酸性土壤中，無論含鹽量大還是小，接地網的腐蝕速率都隨土壤電阻率的增大而增大。
2．3 土壤的酸堿性
大部分土壤提取液的pH值為6～7.5，呈中性，也有pH值為7.5～9.5的鹽堿土及pH值為3～6的酸性土。一般認為，pH值低的土壤的腐蝕性較大，但當土壤中含有大量的有機酸時，雖然pH值接近中性，但其腐蝕性很強。因此衡量土壤的腐蝕性不能只看pH值，最好同時測量土壤的總酸度，并綜合金屬的腐蝕電位。有人發(fā)現圈：在酸性和中性土壤中，腐蝕電位介于0～400 mV腐蝕輕微，在高鹽堿性土壤中，腐蝕電位介于-200～600mV之間腐蝕嚴重。憑土壤的酸堿性來評判接地網的腐蝕速率。
2．4 土壤的含鹽量
土壤中含有各種鹽，在土壤水中電解為陰、陽離子，大部分的離子并不直接參與電化學反應，這部分鹽稱局外電解質或支持電解質，它們主要影響電阻率的大小，對金屬的腐蝕起間接的電遷移促進作用。但土壤中的氯離子( )和硫酸根離子( )卻能引起接地體金屬的嚴重孔蝕，它們首先吸附在金屬的某些點上，然后對金屬膜發(fā)生破壞，在膜受到破壞的地方，成為電偶的陽極，而其余未被破壞的地方則成為陰極，于是就形成了鈍化～活化電池，由于陽極面積比陰極面積小，陽極電流密度大，很快就被腐蝕成為小孔，同時，腐蝕電流流向小孔周圍的陰極，又使這一部分受到陰極保護，繼續(xù)維持在鈍態(tài)。溶液中的氯離子隨著電流的流通向小孔里面遷移，這樣使得小孔內形成了金屬氯化物的濃溶液，同時氯化物水解，小孔內的酸度增加，使小孔進一步腐蝕。實驗發(fā)現閉，碳鋼在堿性土壤中的腐蝕失重率與氯離子和硫酸根離子之和近似成正比關系。
目前我們使用的很多化學降阻劑為了減少接地體的接地電阻，加入了大量的氯化鈉等鹽，這無疑增大了接地電網的腐蝕。
2．5 土壤中的細菌
土壤中接地體的腐蝕大部分是由于氧極化引起的，但當土壤中不含氧時，有時也存在腐蝕現象，這就是厭氧性細菌引起的腐蝕。這種細菌本身并不對金屬直接作用，而是維持生命活動的結果：一方面為電化學腐蝕創(chuàng)造條件，另一方面又對電化學腐蝕產生影響。它們在中性土壤中很容易繁殖，附著在金屬的表面，形成孔蝕。
影響接地電網的腐蝕因素還有很多，包括：低溫的變化，周圍植被和污染的情況，地理環(huán)境和土壤的性質等。所以研究接地電網的腐蝕情況需綜合分析。
3 降阻劑對接地網的腐蝕影響
發(fā)電廠、變電所及高壓輸電線路接地裝置都要求接地電阻符合規(guī)定的阻值，由于在高土壤電阻地區(qū)，接地電阻無法滿足要求，通常采用降阻劑來進行降阻。施工時，先挖開接地坑，將接地體放在坑中央，然后灌人降阻劑，待降阻劑凝固后回填土，這樣，接地體被降阻劑包裹，因降阻劑的電阻率比土壤降低了2個數量級以上，使接地體的接地電阻大大下降，達到了降阻和散流的作用。目前的降阻劑有兩種，即化學降阻劑和物理降阻劑。國內目前使用較多的是化學降阻劑。化學降阻劑主要是以堿性金屬構成的電解質為導電物，其導電機理類似于土壤即只有水參與時，電解質才能電離出帶電的離子而成為導電主體。但實踐發(fā)現，使用某些降阻劑后，腐蝕的現象反而更嚴重，如：四川某接地工程用了某種化學降阻劑后運行不久遭雷擊，造成了大面積停電；1993年川東油汽站也發(fā)生了類似的事故；1997年燕化公司牛口峪原油儲運站35 kV變電站采用某長效化學降阻劑，也發(fā)現接地極埋入僅2年的時間已嚴重腐蝕，究其原因，分析認為：
(1)降阻劑中 等陰離子的影響： 能破壞金屬的鈍化膜，造成點腐蝕。
(2)降阻劑中的含鹽量為25％～64％，比土壤中的含鹽量(2％～5％)大得多，影響了氧的溶解和擴散，金屬的腐蝕速率隨電阻率的減小而增大。
(3)某些降阻劑呈酸性，陰極反應除了氧的去極化外，還伴隨著氫的去極化使陰極電流增大，加大了金屬的腐蝕。
以上缺陷為化學降阻劑本身的組成和性質決定，要改善，只有從改良降阻劑本身的配方著手，或采用物理降阻劑。因為物理降阻劑中主要成分為石墨碳粉末和凝膠體，所用陰陽離子份量少，pH值也呈中性，可以克服化學降阻劑的上述缺陷。但從研究碳鋼在電導性煤層中的腐蝕行為來看，在中性環(huán)境中，電導性煤中的碳和鋼之間會發(fā)生電偶腐蝕，腐蝕過程是腐蝕坑的形成和擴展，控制腐蝕速度的是電子的交換而不是氧的遷移和還原極化的過程，氧化產物為 、 和 ?？梢酝葡?，接地極在物理降阻劑中也存在腐蝕的可能性，只是其腐蝕速度較化學降阻劑慢而已。物理降阻劑作為一種新的產品，目前還缺乏這方面的相關報道。
無論是物理降阻劑或化學降阻劑，若存在如下的施工不當，都會引起接地極的宏電池腐蝕：a．因為降阻劑在施工過程中要分次加水調試均勻，待粘稠時再澆灌入坑。若分批次的降阻劑加水調試不同或同批次的加水攪拌不勻，使包裹在接地體周圍的凝膠體密度不一致，造成接地極的氧濃度差宏電池腐蝕；b．在施工過程，土壤疏松導致降阻劑沉降不勻，或沒等降阻劑完全凝固就回填土壤，造成降阻劑凝膠體出現裂縫或厚薄不一，也會在裂縫處出現腐蝕。為了降阻效果可靠，應注意施工方法，確保施工質量。
4 接地網腐蝕的預測分析方法
電力設施投入的費用很高，在進行工程設計和施工之前預測電網在土壤中的腐蝕速率，及時采取相應的防蝕措施非常重要。而土壤是一個非均質、多相、多孔的復雜體系，要準確地得到接地體在土壤中的腐蝕速率需經過大量的、長期的埋片實驗，這無疑從時間上和精度上都難以達到。目前有研究者利用金屬在短期的有代表性的數據，建立相應的數學模型，較好的預測了幾年甚至更長時間的接地體金屬腐蝕狀況，這些預測分析方法有人工神經網絡法、灰色動態(tài)模型法以及其他的模式識別法等。
人工神經網絡法是利用神經網絡及反向傳播模型，通過神經網絡的學習特征和高度的非線性特征，以土壤的理化性質、腐蝕時間以及金屬在土壤中一定的腐蝕數據作為網絡訓練樣本，從而預測一定時間的金屬腐蝕速率。神經網絡模型一般為三層，即輸入層、中間隱層和輸出層組成，其中影響土壤腐蝕的重要理化因素作為網絡輸入，土壤的平均腐蝕速度或最大點蝕深度作為網絡輸出，再將輸入、輸出樣本的幾組數據以同一方式在0～1之間歸一化，按照設定的網絡，采取BP算法對網絡進行訓練，利用訓練好的網絡，根據已知土壤的理化性質，預測金屬在土壤中的腐蝕速率和最大點蝕深度值。因為影響土壤腐蝕的因素很多，需盡量選用一些重要的影響因素，盡量減少預測誤差。
不同的土壤，影響因素也不相同，重要的影響因素的選取可采取灰關聯(lián)分析?；谊P聯(lián)分析法是灰色預測中一種數據處理的方法，通過收集土壤的理化性質 和一定時間內的平均腐蝕速率或局部點蝕深度 ，通過均值化處理，得到各子因素(影響因素) 和母因素(平均腐蝕速率或局部點蝕深度) 序列，計算出各因素的關聯(lián)系數 ，最后計算出灰關聯(lián)度 ， 越大表示影響腐蝕的程度越深。腐蝕因素的準確選定為神經網絡預測腐蝕速率奠定了基礎。
灰色動態(tài)模型預測金屬在土壤中的腐蝕速率是把土壤當作一個灰色系統(tǒng)，通過選擇金屬的失重量或腐蝕速率作為特征數據，建立灰色動態(tài)GM預測模型，其微分方程為: ，其中a、b為待定參數。灰色動態(tài)模型可用時間序列或非時間序列建模，通過編寫計算機程序進行運算，可預測一定時間后的腐蝕速率，其預測值與實測值的相對誤差一般在10％之內。
除了神經網絡和灰色動態(tài)模型預測金屬在土壤中的腐蝕外，還有其他的一些模式識別建模方法。掌握腐蝕預測模型，預測接地體在土壤中的腐蝕速率，及時采取防腐措施，可減少安全事故的發(fā)生，避免不必要的損失。
5 接地網的防腐措施
接地網的腐蝕實際上就是金屬材料在土壤中的腐蝕，其腐蝕損壞離不開金屬材料和環(huán)境(土壤)以及它們之間的界面反應，因此，接地網的防護可從三大方面入手：
5．1 采用耐蝕材料作為接地電極
接地網一般是由棒形和帶形接地體聯(lián)合組成的閉合體，垂直埋設的接地裝置用圓鋼、角鋼、鋼管，水平埋設的用扁鋼、圓鋼等，為減少腐蝕，有時用銅代替鋼，國外曾試用不銹鋼作為接地電極，但都不能很好的改善接地極的腐蝕，而且投資大。近年來，逐漸采用非金屬接地體，防腐效果明顯改善。非金屬接地體材料有許多種，其中人造石墨電極以易加工、價格低而得到推廣使用。人造石墨電極由石油焦和瀝青兩種材料按一定比例燒制而成，導電性好，電阻率一般在 ，化學穩(wěn)定性好，使用壽命長，其腐蝕速率比鋼小30倍。但石墨易脆，安裝時須小心。
5.2 設置非金屬保護層，改善腐蝕環(huán)境
為了降低接地電阻和減少接地體的腐蝕，通常在接地體和土壤之間注入保護層，最常用的是降阻劑。因為化學降阻劑防腐效果不理想，通常采用物理降阻劑，一方面物理降阻劑呈中性，改善了與接地體接觸的介質的酸堿性，又隔離了土壤的鹽等介質，同時降阻劑中起凝聚作用的膠體使接地體周圍的氧含量下降，這些都有利于接地體的防腐；同時它還含有緩蝕劑，無機緩蝕劑使接地體的表面生成一層鈍化膜，有機緩蝕劑吸附在金屬的表面定向排列，把腐蝕介質與金屬表面分隔開，起到保護金屬的作用。
除了采用物理降阻劑外，也可直接用焦炭和石墨粉作為保護層。實踐證明，將鋼電極放入有焦炭粉末層和無焦炭粉末層的同樣土壤內，有焦炭粉末層的腐蝕速率僅為無焦炭粉末層的1／10。
5.3 涂層和電化學保護
這種方法主要是以改善相界面性質，以達到緩蝕與防腐的目的。它包括接地體的表面涂覆和陰極保護。
接地體的保護層分金屬和非金屬兩種，如鐵件上鍍鋅，但鍍鋅層很快被腐蝕掉，所以目前多用非金屬涂層，如聚苯胺導電防腐涂料、環(huán)氧系導電防腐涂料、聚氨酯系導電防腐涂料等。防腐涂料一方面用于鋼接地體與土壤或降阻劑之間作為中介物質，以其物相(涂料的附著力強、黏度大)可以加強兩者間的接觸效果；另一方面對兩者起到隔離作用，更有利于抑制電化學腐蝕。通常情況下涂料用量為接地網材料總量的2％～3％，能使接地體的壽命延長l倍。
接地體的電化學保護主要是采用犧牲陽極法，積極的保護以陰極形式存在的地網，使被保護接地體的任意點的對地電位在-0.85～1.25V (相對于銅／飽和硫酸銅參比電極)之間，犧牲陽極的材料常用Zn-0.5％AI-0．1％Cd，Mg-6％Al～3％Zn-0.2％Mn等。
通常將保護涂層和陰極保護并用，可以達到更好的防護效果。陰極保護電流分布均勻與否是保護質量好壞的關鍵，因此陽極的布局必須滿足保護件各處都達到完全保護的電位。
接地網是電網安全運行的重要裝置，因此要盡量做到設計前了解土壤的性質，預測接地體的腐蝕速率，及時調整防腐措施，并在運行后定期檢測地網的腐蝕狀況，以確保電網的安全運行。
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