多介質模擬環境電網金屬材料加速腐蝕試驗

郭軍科，郭錦龍，盧立秋

（1.天津電力科學研究院，天津 300384；2.山西電力科學研究院，山西 太原 030001）

0 引言

“腐蝕”這個術語源于拉丁文，意思是腐爛、被侵蝕掉。腐蝕的定義是通常金屬在液體和氣體的作用下發生化學、電化學變化和物理溶解作用而遭到破壞的現象［1］。

電力設施和設備如架空輸電線路（包含輸電線、鐵塔、導地線、接地裝置及基礎、線路金具等）、地埋高壓電力電纜，變電站內主要電網設備（變壓器、互感器、六氟化硫氣體絕緣開關設備、接地網等），除少量局部性材料外，其他電網材料基本都是由銅、鐵、鋁、鋅、錫、鉛等各種金屬部件構成，當金屬材料暴露在惡劣污染大氣、高鹽類土壤和化工環境水源中時，就會因為腐蝕造成材料的損壞和設備的停運，降低供電可靠性，造成巨大的經濟損失和社會影響。

1 電網金屬材料腐蝕因素

電網金屬材料腐蝕因素有大氣環境、土壤、水溶液等幾個方面。

1.1 在大氣環境下腐蝕

大氣腐蝕是金屬處于表面薄層電解液下的腐蝕過程，金屬表面含飽和溶解氧的電解液膜的存在，使大氣腐蝕的電化學過程中氧去極化過程變得易于進行［2］。

大氣環境條件下金屬腐蝕的速率，不僅隨著溫度、濕度以及干濕交替情況等條件而變化，而且大氣腐蝕過程的特征被大氣中的主要雜質成分因素所控制［3］。一般大氣環境時，在CO2、O2、H2O共同作用下發生均勻腐蝕，腐蝕形態以電化學腐蝕為主；在處于含有大量SO2、SO3、H2S、NO2、NH3、Cl2、HCl等氣體的化工性大氣環境條件下，腐蝕形態以化學腐蝕為主，產生均勻腐蝕；在粉塵性、海洋性環境下時，腐蝕形態以點蝕、孔蝕和應力腐蝕為主。

1.2 土壤和水溶液及土壤—水混合溶液下的腐蝕

電化學腐蝕基本理論對土壤腐蝕是適用的，但是，土壤顯示出組成和性質復雜多變的特征，不同土壤的腐蝕性相差很大。與腐蝕有關的土壤性質主要是孔隙度（透氣性）、含水量、電阻率、酸堿度及含鹽量和鹽離子類別，土壤的雜散電流和土壤中的微生物對材料的腐蝕影響也很顯著。這些影響因素又是相互聯系的［4］。

在受到酸、堿、鹽等極其重要的化工原料污染區域的金屬，腐蝕以劇烈的化學反應形式進行。

近海區土壤中，由于氯離子對土壤腐蝕有促進作用，所以在海邊潮汐區或接近鹽場的土壤，金屬材料腐蝕更為嚴重。

2 多介質加速模擬腐蝕試驗

金屬材料在自然大氣環境和土壤環境條件下，腐蝕速率很低，試驗周期很長。以最常見的腐蝕掛片法為例，蝕片由于均勻腐蝕或點蝕而發生明顯的外觀變化，在大氣環境或水體系中至少需要保持1個月以上，土壤地埋蝕片發生明顯的外觀變化更需要1 a以上時間；而且，由于腐蝕速率低，腐蝕產物量偏低，試片表層改變不明顯，同時，環境條件的難重復性、檢測環境的單一性等原因使得檢測結論的代表性偏差明顯。

2.1 電網材料人工加速腐蝕的目的和意義

在常規的自然環境條件下要獲得具有代表性的典型數據，水環境掛片周期為3～6個月，大氣環境掛片為6個月～1 a，而土壤地埋蝕片周期在5～10 a，這樣的長時間要求對于考核和驗收某種產品、評價材料的耐蝕性能是很不可取的。無論是腐蝕掛片的重量法測定，大氣組分的容量法測定，還是采用恒電流、恒電位、極化曲線等電化學手段來判斷金屬材料的腐蝕趨勢和腐蝕速率，少量的試驗次數也很難保證試驗檢測結果和腐蝕數據的置信度。

人工加速模擬環境試驗與天然環境相比，模擬環境試驗的環境溫度、污染物濃度、環境條件交替變化速度等，可以調整為一般天然環境的幾倍或幾十倍，甚至上百倍，使得腐蝕速度大大提高且腐蝕表征明顯。對材料進行人工加速模擬試驗，得出結果的時間大大縮短，這樣就能采集到比自然環境多得多的試驗數據，便于進行數據分析和數理統計，保證劣化趨勢的準確性和速率的可靠性。因此，人工加速模擬試驗具有重要的三個優勢，一是環境數據的重現性，二是環境介質的多樣性，三是腐蝕速度的可控性。

2.2 多介質人工模擬試驗裝置

目前，常見的腐蝕加速試驗箱一般都是基于鹽霧腐蝕氣體條件下或者在土壤環境下分別進行的單一介質腐蝕加速試驗。人工模擬鹽霧環境試驗是利用一種具有一定容積空間的試驗設備——鹽霧試驗箱，在其容積空間內用人工的方法，造成鹽霧環境來對產品的耐鹽霧腐蝕性能質量進行考核，因為鹽霧腐蝕就是一種常見和最有破壞性的大氣腐蝕。土壤腐蝕模擬加速箱是實驗室內研究土壤腐蝕的一個重要設備。試驗箱通過改變土壤的溫度和含水量來達到腐蝕加速的目的，可以評定不同材料在土壤中的腐蝕行為，也可以評定不同類型土壤腐蝕性的強弱，與相關的電化學測試系統配合可以進行相關的動力學和熱力學參數的測定［5］，從而研究土壤腐蝕的規律和機理。

為了綜合評價土壤、大氣、水溶液、土壤—水體系等復雜綜合環境下電網金屬材料的腐蝕程度和劣化趨勢，克服單一腐蝕加速試驗箱的環境局限性，設計了1種多功能加速腐蝕模擬裝置。

加速腐蝕模擬裝置可以在多介質條件下進行腐蝕加速試驗，模擬的腐蝕環境可以是鹽霧環境，也可以是單一的含硫、含氮氣體環境；可以是單一的液體環境和單一的土壤環境，也可以是氣—液、固—液、氣—固等多介質環境條件下人工模擬進行腐蝕加速試驗。

加速腐蝕模擬裝置長、寬、高尺寸分別為100 cm×75 cm×150 cm，內外膽均采用進口塑料板經高溫模壓焊接成型，試驗箱蓋為全透明有機玻璃板制成，蓋密封采用透明壓克力耐沖擊板，箱體整體密閉，上部有加水、加氣、噴淋噴霧進口閥門，中部有氣體取樣閥門和窺視條，底部帶排污閥門。底部中央有6個可與底座固定及方便拆卸的錐底形玻璃圓筒，圓筒直徑為25 cm，厚度1 cm，高50 cm，為方便拆卸及排污，圓筒底有隔離網及排水閥門。箱體帶恒溫控制系統及溫濕度顯示，溫度范圍為室溫～100℃，測量誤差＜±1℃。裝置外部具有儀表工控系統，帶有（內外部）加水噴霧系統、可連接氣瓶的加氣系統及通風排氣系統。

2.3 試驗對象

試驗試件選用電力系統常見的鑄鐵、碳鋼、銅、鋁、鉛、鋅等金屬材料，掛片尺寸為50 mm×25 mm×2 mm。掛片上有1個便于懸掛的直徑2 mm的圓形小孔，表面積28 cm2，外表用金相砂紙打磨光潔無坑點和紋路。掛片用無水乙醇洗凈、烘干后稱重干燥器內保存。

對于部分小型材料，如帶鍍鋅層的鐵塔條、銅排、鋁線、接地網材料、小塊帶鋼筋混凝土、小型金具及夾件、電纜小段等等，則不需要進行外表面處理，直接置于模擬裝置的不同介質中。

2.4 應用范圍

上層鹽霧系統對金屬材料的防護層、零部件、電子器件及工業產品等進行加速鹽霧腐蝕試驗，迅速方便地重現噴涂與未處理過的金屬表面的腐蝕過程。

上層加氣系統對鍍鋅層、銅排、鋁線、多股絞線、小型金具及夾件等進行特定氣體下的化學和電化學腐蝕反應。

底部錐底形玻璃圓筒，可以評定不同材料如地埋電纜、接地網材料、混凝土材料以及其他地埋金屬等，在土壤、水溶液、土壤—水混合體系中的腐蝕行為，也可以評定不同類型土壤、水溶液、土壤—水混合體系的腐蝕性的強弱，與相關的電化學測試系統配合研究。此三種環境條件下，可以通過化學手段人為模擬所需的實驗條件，調節環境pH值、離子總類（硝酸根離子、硫酸根離子、氯離子、鈣鎂離子等）和鹽含量（電阻率）大小。

多介質人工模擬實驗設備主要目的是實現材料在恒溫、恒濕條件下的鹽霧、工業性大氣或土壤、水環境下單一腐蝕試驗；實現材料在干濕交替條件下的鹽霧、或土壤腐蝕試驗；實現材料在溫度交變條件下的鹽霧、工業性大氣或土壤—水混合環境下的綜合環境腐蝕試驗。

2.5 試驗檢測手段

進行空氣采樣，通過吸收萃取，用化學分析方法檢測工業性大氣SO2、SO3、H2S、NO2、NH3等的含量。

對采集土壤進行檢測，分析其中的有害組分含量和揮發可能性，如pH值、硝酸根離子、硫酸根離子、氯離子、鈣鎂離子、碳酸根和重碳酸根離子、總堿度、氨氮含量等。通過物質的添加可以調整土壤成分組成。

對水體進行分析，檢測可能會造成土壤污染的有害組分含量。主要檢測指標有：重金屬離子、硫化物、pH值、硝酸根離子、硫酸根離子、氯離子、鈣鎂離子、碳酸根和重碳酸根離子、總堿度、氨氮含量、化學耗氧量、水中油等。通過物質的添加可以調整水溶液和土壤—水混合體系的成分組成。

通過色譜—質譜聯用儀、能譜儀和等離子體發射光譜等檢測手段，對金屬表面腐蝕產物或腐蝕指示片表層進行原子含量和物質形態分析判斷。

電化學測量手段在試驗檢測和金屬腐蝕速度評價方面同樣應用廣泛。工業性大氣中污染組分通過電化學傳感器儀器設備可測定其濃度；恒電位儀測定金屬材料在沒有外部電流時穩定狀態下的腐蝕電位水時間的變化；水下腐蝕計通過線性極化原理采用多電極探頭測量金屬材料腐蝕速率；土壤電化學測試儀則通過測定土壤中金屬腐蝕電位、土壤氧化還原電位和土壤極化電阻等確定土壤腐蝕速度。

3 結論

多介質加速模擬腐蝕試驗裝置對腐蝕環境的模擬、腐蝕原因的查找、分析判斷腐蝕形態的產生，計算腐蝕發生的速度以及提出防腐蝕手段措施等，提供良好的試驗檢測環境依據。通過對電力設施的腐蝕研究分析，發現并控制引起電力設施腐蝕的因素，有著重要的意義。

［1］ 魏寶明.金屬腐蝕理論及應用［M］.北京：化學工業出版社，2008：1.

［2］ 化學工業部化工機械研究院.腐蝕與防護手冊［M］.北京：化學工業出版社1997：141-142.

［3］ 默增祿，程志云.輸電線路桿塔的腐蝕與防治對策［J］.電力建設，2004（1）：22-23.

［4］ 宋煥東.淺談高壓輸電線路的防腐措施［J］.民營科技，2010（1）：28.

［5］ 王東林，張劍.基礎設施腐蝕研究及防護技術［M］.北京：化學工業出版社，2009：203-204.