電化學法測試金屬材料的耐腐蝕性研究

趙文卓

摘要： 電化學腐蝕比其他類型的腐蝕破壞更為常見，對金屬是極其危險的。本文用電化學測試方法方法在實驗室進行了金屬材料耐蝕性能篩選試驗，并在變電站現場進行了小型埋置試驗。用電化學測試的方法以變電站的接地網為例對金屬材料的耐腐蝕性進行了深入研究研究。

關鍵詞： 電化學腐蝕金屬材料電化學測試

電化學腐蝕比其他類型的腐蝕破壞更為常見，對金屬是極其危險的。它可能發生在氣體環境中，這時濕氣凝結在金屬表面上(大氣腐蝕)；可能發生在土壤中(上墳腐蝕)和溶液中(液體腐蝕)。電化學腐蝕是受電化學反應動力學支配的。其速度可根據法拉第定律測定。電化學腐蝕的一個特殊情況是電腐蝕，即由外電流引起的腐蝕。除去不溶性陽極的破壞以外，電腐蝕還包括有導電液體波過的管道的腐蝕和電解槽壁及地下金屬結構在由探露電線來的直流電影響下的溶解(漫沈腐蝕)。這種漫流可能在金屬結構的兩個部分之間建立電位若，其一部分內某外電源接受電流(別極區域)，另一部分則起陽極作用(陽極區域)，即被破壞的陽極部分，因此電流流入周圍的離子導電介質。按照伴隨電化學腐蝕的破壞方式，腐蝕分為影響金屬全部表面的一股腐蝕和局限于金屬表面一定部分的局部腐蝕。在后一種情況下腐蝕可能導致斑點(破蝕)或凹坑(小扎)。此腐蝕可能涉及合金中一種單獨金屆成分的晶粘(揮發性腐蝕)，可能穿透所有晶粒因而形成一些狹窄的縫隙(橫品腐蝕)或者可能集中在晶粗邊界上進行(粒間腐蝕成品間腐蝕)。新化學腐蝕的速度和特征主要決定于金屬的本性及其環境。按照在一種特殊介質中的腐蝕速度，金屬可分為穩定金屬和不穩定金屬。根據一個給定介質腐蝕金屬的速度，可以確定它是腐蝕性的或非腐蝕性的介質。目前已經提出了各種不同的常規標度來估計金屬的耐腐蝕性和介質的腐蝕性。

電化學腐蝕與化學腐蝕的區別在于電化學腐蝕是金屬表面與離子導電的介質發生電化學作用而產生的腐蝕。其腐蝕歷程包括兩個相對獨立且又同時進行的氧化和還原過程，故反應過程中伴隨有電流流過。

化學腐蝕是金屬表面與非電解質溶液直接發生純化學作用而引起的腐蝕。其反應歷程的特點是：在一定條件下，非電解質中的氧化劑直接與金屬表面的原子作用而形成腐蝕產物。在腐蝕過程中，電子的傳遞在金屬與氧化劑之間直接進行，沒有電流產生。

下面我們以變電站的接地網為例來用電化學法測試法研究金屬材料的耐腐蝕性。在我國，由于資源、經濟等原因，變電站接地網所用的材質主要為普通碳鋼。接地網腐蝕通常呈現局部腐蝕形態，發生腐蝕后接地網碳鋼材料變脆、起層、松散，甚至發生斷裂。無論在鹽堿性土壤中還是在一般性土壤中，接地網的碳鋼試片腐蝕都是非常嚴重的，其表面有許多局部腐蝕坑，試片邊緣也不完整。

腐蝕是接地體事故擴大的一個主要原因。因為對于運行多年的接地網而言，腐蝕性土壤環境中的電化學腐蝕及電網設備等運行中的泄流造成的腐蝕使得接地體截面減小，甚至斷裂，造成接地性能不良，不能滿足熱穩定性的要求，所以電路電流將會燒壞接地網，使得變電站內出現高電位差，造成其他主設備的毀壞事故，還會危及人身安全。由于接地網埋設在地下，一旦腐蝕嚴重到使接地網的接地電阻不合格，甚至局部斷裂時，對接地網的翻修改造是相當費勁和困難的，費用也是巨大的，因此防止接地網腐蝕，保證接地性能的穩定性，延長接地網的使用壽命，是電力系統安全經濟生產所迫切需要解決的課題。

對于接地網防腐蝕的研究，目前國內主要有兩條路線。一是研制耐蝕性能優良而且經濟性好的導電材料以取代目前普遍使用的碳鋼；二是采用電化學保護技術以減緩正在服役的接地網的腐蝕速度，延長使用壽命。

由于接地網土壤腐蝕是一個緩慢過程，因此為了能快速優選出所需的材料，在實驗室里進行了電化學測試，試驗測試方法包括極化曲線、交流阻抗和動電位掃描。由于變電站接地網要承受雷電流及電網不平衡電流的泄流作用，因此在對材料進行篩選時必須了解材料的耐電解電流腐蝕的性能，在實驗室里進行了材料的電解試驗。試驗所用土壤介質的理化性質分析結果，其自腐蝕電位-688mV。根據德國DIN 50929土壤腐蝕性評價標準評價該土壤為腐蝕性土壤。試驗所篩選的材料為2種稀土鋼材（CL4和CL5）及3種常見表面處理的合金鋼（CL1、CL2和CL3）。為了便于對比，試驗還使用了普通碳鋼及鍍鋅鋼。根據實驗室初步試驗的結果，在變電站現場土壤中埋置了一定數量的材料試片，以了解材料在變電站土壤現場中的耐蝕性能。

在實驗過程中了進行極化曲線測試、交流阻抗測試和電解測試。從極化曲線測試試驗的結果可以看出，在這些土壤介質中，材料CL1、CL2的腐蝕速率較其他材料低，其耐蝕性能較好。而從交流阻抗測試試驗結果可以看出，材料CL1、CL2的阻抗值明顯高于其他材料，比普通碳鋼高出2個數量級。材料CL4、CL5的耐蝕性能與普通碳鋼差不多，甚至有時還不如普通碳鋼。從電解測試試驗結果可以看出，鍍鋅鋼耐電流電解腐蝕性能較差，材料CL1和CL2的耐電流電解腐蝕性能較好，其耐蝕性能比普通碳鋼要高得多。電解結束后觀察材料表面可以看出，鍍鋅鋼表面的鍍層出現了局部剝離現象，而其他材料表面均沒有出現這種現象。

為了更好地研究金屬材料的耐腐蝕性，還進行了現場埋置試驗。不同材料制作的試片在變電站現場土壤中埋置500天后挖出，經過表面處理后測定材料的腐蝕速率，結果可見，材料CL1和CL2的腐蝕速率較碳鋼及鍍鋅鋼要小得多。同種材料，當與接地網連接時其腐蝕速率高于接地網不連接時的腐蝕速率，原因是與接地網連接的試片除了要受到土壤自然腐蝕作用外，還要受到變電站接地網泄流時的電流電解腐蝕。在變電站土壤現場埋置試驗過程中發現，與接地網連接的鍍鋅鋼材料在不到1年時間其表面鍍鋅層就已經被電解腐蝕掉，未與接地網連接的鍍鋅鋼材料其表面鍍鋅層卻完好。從現場埋置材料試片測定的腐蝕速率結果也可以看出，鍍鋅鋼用作接地網材料時其耐蝕性能較普通碳鋼沒有多大提高，因此用鍍鋅鋼材料來延長接地網使用壽命意義不大。

由此我們可以得出以下結論。

（1）在土壤腐蝕性較嚴重的地區，為了延長接地網使用壽命，在設計時往往考慮采用鍍鋅鋼。其防腐蝕的原理是鋅的腐蝕電位較普通碳鋼的低，在土壤介質中鋅優先被腐蝕掉從而保護了普通碳鋼，達到延長碳鋼使用壽命的目的。在沒有電流作用下，鍍鋅鋼的使用壽命的確較長，在變電站土壤現場埋置試驗的結論也是如此。但是作為接地材料，由于其要受到接地電流的作用，鍍鋅鋼表面的鍍鋅層很快就會被電解掉，因而鍍鋅鋼對延長接地網的使用壽命實際作用不大。

（2）根據實驗室電化學測試的結果可知，無論是在土壤浸出液中還是在土壤泥漿中，材料CL2的耐蝕性能都較其他材料的耐蝕性能好，是普通碳鋼耐蝕性能的5—7倍。

（3）經試驗測試表明，材料CL1和CL2的耐蝕性能較普通碳鋼要強得多，這對于延長變電站接地網的使用壽命，確保接地網安全經濟運行具有重大意義。同時考慮材料的經濟性及來源等因素，推薦用非銅質材料CL2替代普通碳鋼用于接地網防腐蝕。

參考文獻：

［1］許崇武，胡學文，彭泉光，等．接地網防蝕研究及應用［R］．武漢：武漢水利電力大學，2000．

［2］王光雍，王海江，銀耀德，等．自然環境的腐蝕與防護［M］．北京：化學工業出版社，1997．