電化學(xué)法測試金屬材料的耐腐蝕性研究

趙文卓

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

關(guān)鍵詞： 電化學(xué)腐蝕金屬材料電化學(xué)測試

電化學(xué)腐蝕比其他類型的腐蝕破壞更為常見，對金屬是極其危險(xiǎn)的。它可能發(fā)生在氣體環(huán)境中，這時(shí)濕氣凝結(jié)在金屬表面上(大氣腐蝕)；可能發(fā)生在土壤中(上墳腐蝕)和溶液中(液體腐蝕)。電化學(xué)腐蝕是受電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)支配的。其速度可根據(jù)法拉第定律測定。電化學(xué)腐蝕的一個(gè)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(dǎo)電液體波過的管道的腐蝕和電解槽壁及地下金屬結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的兩個(gè)部分之間建立電位若，其一部分內(nèi)某外電源接受電流(別極區(qū)域)，另一部分則起陽極作用(陽極區(qū)域)，即被破壞的陽極部分，因此電流流入周圍的離子導(dǎo)電介質(zhì)。按照伴隨電化學(xué)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(dǎo)致斑點(diǎn)(破蝕)或凹坑(小扎)。此腐蝕可能涉及合金中一種單獨(dú)金屆成分的晶粘(揮發(fā)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(jìn)行(粒間腐蝕成品間腐蝕)。新化學(xué)腐蝕的速度和特征主要決定于金屬的本性及其環(huán)境。按照在一種特殊介質(zhì)中的腐蝕速度，金屬可分為穩(wěn)定金屬和不穩(wěn)定金屬。根據(jù)一個(gè)給定介質(zhì)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(zhì)。目前已經(jīng)提出了各種不同的常規(guī)標(biāo)度來估計(jì)金屬的耐腐蝕性和介質(zhì)的腐蝕性。

電化學(xué)腐蝕與化學(xué)腐蝕的區(qū)別在于電化學(xué)腐蝕是金屬表面與離子導(dǎo)電的介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)作用而產(chǎn)生的腐蝕。其腐蝕歷程包括兩個(gè)相對獨(dú)立且又同時(shí)進(jìn)行的氧化和還原過程，故反應(yīng)過程中伴隨有電流流過。

化學(xué)腐蝕是金屬表面與非電解質(zhì)溶液直接發(fā)生純化學(xué)作用而引起的腐蝕。其反應(yīng)歷程的特點(diǎn)是：在一定條件下，非電解質(zhì)中的氧化劑直接與金屬表面的原子作用而形成腐蝕產(chǎn)物。在腐蝕過程中，電子的傳遞在金屬與氧化劑之間直接進(jìn)行，沒有電流產(chǎn)生。

下面我們以變電站的接地網(wǎng)為例來用電化學(xué)法測試法研究金屬材料的耐腐蝕性。在我國，由于資源、經(jīng)濟(jì)等原因，變電站接地網(wǎng)所用的材質(zhì)主要為普通碳鋼。接地網(wǎng)腐蝕通常呈現(xiàn)局部腐蝕形態(tài)，發(fā)生腐蝕后接地網(wǎng)碳鋼材料變脆、起層、松散，甚至發(fā)生斷裂。無論在鹽堿性土壤中還是在一般性土壤中，接地網(wǎng)的碳鋼試片腐蝕都是非常嚴(yán)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(kuò)大的一個(gè)主要原因。因?yàn)閷τ谶\(yùn)行多年的接地網(wǎng)而言，腐蝕性土壤環(huán)境中的電化學(xué)腐蝕及電網(wǎng)設(shè)備等運(yùn)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(wěn)定性的要求，所以電路電流將會燒壞接地網(wǎng)，使得變電站內(nèi)出現(xiàn)高電位差，造成其他主設(shè)備的毀壞事故，還會危及人身安全。由于接地網(wǎng)埋設(shè)在地下，一旦腐蝕嚴(yán)重到使接地網(wǎng)的接地電阻不合格，甚至局部斷裂時(shí)，對接地網(wǎng)的翻修改造是相當(dāng)費(fèi)勁和困難的，費(fèi)用也是巨大的，因此防止接地網(wǎng)腐蝕，保證接地性能的穩(wěn)定性，延長接地網(wǎng)的使用壽命，是電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)所迫切需要解決的課題。

對于接地網(wǎng)防腐蝕的研究，目前國內(nèi)主要有兩條路線。一是研制耐蝕性能優(yōu)良而且經(jīng)濟(jì)性好的導(dǎo)電材料以取代目前普遍使用的碳鋼；二是采用電化學(xué)保護(hù)技術(shù)以減緩正在服役的接地網(wǎng)的腐蝕速度，延長使用壽命。

由于接地網(wǎng)土壤腐蝕是一個(gè)緩慢過程，因此為了能快速優(yōu)選出所需的材料，在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行了電化學(xué)測試，試驗(yàn)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(wǎng)要承受雷電流及電網(wǎng)不平衡電流的泄流作用，因此在對材料進(jìn)行篩選時(shí)必須了解材料的耐電解電流腐蝕的性能，在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行了材料的電解試驗(yàn)。試驗(yàn)所用土壤介質(zhì)的理化性質(zhì)分析結(jié)果，其自腐蝕電位-688mV。根據(jù)德國DIN 50929土壤腐蝕性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)該土壤為腐蝕性土壤。試驗(yàn)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(yàn)還使用了普通碳鋼及鍍鋅鋼。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室初步試驗(yàn)的結(jié)果，在變電站現(xiàn)場土壤中埋置了一定數(shù)量的材料試片，以了解材料在變電站土壤現(xiàn)場中的耐蝕性能。

在實(shí)驗(yàn)過程中了進(jìn)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(yàn)的結(jié)果可以看出，在這些土壤介質(zhì)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(yàn)結(jié)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(gè)數(shù)量級。材料CL4、CL5的耐蝕性能與普通碳鋼差不多，甚至有時(shí)還不如普通碳鋼。從電解測試試驗(yàn)結(jié)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(jié)束后觀察材料表面可以看出，鍍鋅鋼表面的鍍層出現(xiàn)了局部剝離現(xiàn)象，而其他材料表面均沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

為了更好地研究金屬材料的耐腐蝕性，還進(jìn)行了現(xiàn)場埋置試驗(yàn)。不同材料制作的試片在變電站現(xiàn)場土壤中埋置500天后挖出，經(jīng)過表面處理后測定材料的腐蝕速率，結(jié)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(dāng)與接地網(wǎng)連接時(shí)其腐蝕速率高于接地網(wǎng)不連接時(shí)的腐蝕速率，原因是與接地網(wǎng)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(wǎng)泄流時(shí)的電流電解腐蝕。在變電站土壤現(xiàn)場埋置試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，與接地網(wǎng)連接的鍍鋅鋼材料在不到1年時(shí)間其表面鍍鋅層就已經(jīng)被電解腐蝕掉，未與接地網(wǎng)連接的鍍鋅鋼材料其表面鍍鋅層卻完好。從現(xiàn)場埋置材料試片測定的腐蝕速率結(jié)果也可以看出，鍍鋅鋼用作接地網(wǎng)材料時(shí)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(wǎng)使用壽命意義不大。

由此我們可以得出以下結(jié)論。

（1）在土壤腐蝕性較嚴(yán)重的地區(qū)，為了延長接地網(wǎng)使用壽命，在設(shè)計(jì)時(shí)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(zhì)中鋅優(yōu)先被腐蝕掉從而保護(hù)了普通碳鋼，達(dá)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(xiàn)場埋置試驗(yàn)的結(jié)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(wǎng)的使用壽命實(shí)際作用不大。

（2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)室電化學(xué)測試的結(jié)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(jīng)試驗(yàn)測試表明，材料CL1和CL2的耐蝕性能較普通碳鋼要強(qiáng)得多，這對于延長變電站接地網(wǎng)的使用壽命，確保接地網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重大意義。同時(shí)考慮材料的經(jīng)濟(jì)性及來源等因素，推薦用非銅質(zhì)材料CL2替代普通碳鋼用于接地網(wǎng)防腐蝕。

參考文獻(xiàn)：

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