海南土壤中Q235鋼的雜散電流腐蝕

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(1. 海南電力技術研究院，海口 570100； 2. 中國科學院金屬研究所，沈陽 110016；3. 國家金屬腐蝕控制工程技術研究中心，沈陽 110016)

海南土壤中Q235鋼的雜散電流腐蝕

符傳福1,楊丙坤2,楊大寧1,胡家秀2,3,趙健2,3,韓恩厚2,3,柯偉2,3

(1.海南電力技術研究院，海口570100； 2.中國科學院金屬研究所，沈陽110016；3.國家金屬腐蝕控制工程技術研究中心，沈陽110016)

采用掃描電鏡(SEM)、能譜(EDS)和X射線衍射(XRD)等技術觀察和分析了交、直流雜散電流干擾下Q235鋼在海南土壤中的腐蝕形貌和腐蝕產物，并對腐蝕過程的電化學參數進行了測量。結果表明：雜散電流腐蝕具有明顯的電解腐蝕特征，電流流入金屬構件部位成為陰極而受到保護，電流流出金屬構件部位成為陽極而受到腐蝕；交、直流雜散電流腐蝕具有集中腐蝕特征，腐蝕產物呈絮狀,產物層均有明顯裂紋、分層、脫落現象，對基體不具有保護作用；交、直流腐蝕產物組成大致相同，主要為Fe3O4、Fe2O3,伴有少量FeS；雜散電流的存在會加劇Q235鋼腐蝕，在同等外加電流下，交流雜散電流腐蝕的危害程度是直流雜散電流腐蝕的15.9%。

接地材料;土壤腐蝕;雜散電流;腐蝕產物;腐蝕速率

Abstract： Scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS) and X-ray diffraction (XRD) were applied to observe and analyze the corrosion morphology and corrosion products of Q235 steel under the interference of DC/AC stray current in Hainan soil. The electrochemical parameters in corrosion process were also measured. The results show that stray current corrosion had obvious electrolytic corrosion characteristics. The areas of metal components where current flowed into were protected as cathode, on the contrary, the areas of metal components where current flowed out were corroded as anode. DC/AC stray current corrosion showed concentrated corrosion characteristics. The corrosion products were flocculent. The phenomena of delaminating and detachment were obvious in both product layers, so the product layers could not protect substrate. The corrosion products of DC/AC stray current corrosion were similar, which were mainly composed of Fe3O4and Fe2O3, with a small amount of FeS. The existence of stray current aggravated the corrosion of Q235 steel. Under the same external current condition, the damage degree of AC stray current corrosion was 15.9% of that of DC stray current corrosion.

Keywords： grounding material; soil corrosion; stray current; corrosion product; corrosion rate

海南省位于中國南端，地處熱帶北緣，屬熱帶季風氣候。海南是島嶼生態，其土壤的成土母質主要是巖漿巖，主要土壤類型為磚紅壤，占土地總面積的53.42%。磚紅壤是發育在熱帶雨林或季雨林下強富鋁化酸性土壤，風化度很高，土壤粘粒中二氧化硅和氧化鋁比值低于1.5，粘土礦物含有較多的三水鋁礦、高嶺石和赤鐵礦，陽離子交換量很少，鹽基高度不飽和。會文鎮位于海南省文昌市東南部，該地土壤類型為磚紅壤，會文變電站于2000年建成并投入使用，電壓等級110 kV，其主接地網經過15 a運行后發現腐蝕問題，Q235鍍鋅扁鋼表面鍍層消失、銹蝕嚴重，垂直接地極和扁鋼焊接部位腐蝕嚴重，實地測量結果顯示，站內絕大部分區域土壤電位梯度大于5.0 mV/m，最大值甚至達到27.1 mV/m，存在極大雜散電流腐蝕風險[1]。對海南省東、中、西線17個地區，共計33所變電站接地網的土壤腐蝕情況進行現場開挖調研，發現雜散電流問題普遍存在。

雜散電流是一種非靜態現象[2]，美國腐蝕工程師協會(NACE)將雜散電流定義為不沿原設計路線流通，而由其他路徑流通的電流。雜散電流腐蝕是電化學腐蝕的一種[3]，對于埋地金屬構件有明顯腐蝕效果的是交流雜散電流和直流雜散電流[4]。雜散電流腐蝕具有局部集中特點[5]，在短期內就可能形成穿孔事故。針對土壤中金屬構件的雜散電流腐蝕，國內外學者已經做了大量研究[6-13]。BERTOLINI等[3]研究發現Cl-的存在能加重雜散電流對金屬的腐蝕；姜子濤等[9]研究了交流電對Q235鋼腐蝕電位的影響；張攀峰等[6]研究發現，直流干擾引起的雜散電流腐蝕程度遠大于交流干擾引起的；杜晨陽等[10-11]研究了交流干擾引起的雜散電流對陰極保護效果的影響。在長距離輸送管道、海洋船舶工程、軌道交通等領域，雜散電流腐蝕已成為研究熱點，但對于變電站接地材料雜散電流腐蝕的研究相對較少。此外，以往研究所用腐蝕介質多為配制的土壤溶液[14-15]或用硅藻土模擬土壤，與實際土壤存在一定的差距[16-17]。

本工作通過電化學參數變化、腐蝕產物形貌和組成，對海南土壤中直流、交流干擾下Q235接地扁鋼的雜散電流腐蝕行為進行了研究，得出雜散電流腐蝕特點，為海南變電站接地網雜散電流腐蝕防護工作提供參考，對接地網安全、穩定運行具有重要指導意義。

1 試驗

試驗土壤取自海南省會文110 kV變電站，取樣深度0.7 m。會文站位于海南省文昌市東南部，靠近海岸線，土壤類型屬磚紅壤。土壤經自然干燥后，研磨并過20目篩(孔徑830 μm)，篩下土壤于105 ℃下烘干6 h備用。根據試驗要求，用去離子水將上述土樣配制成含水率15.80%的土壤介質。試驗鋼選用最為普遍的接地材料Q235鋼，主要化學成分(質量分數)為： 0.14% C，1.41% Si，0.44% Mn，0.015% P，0.031% S，余量Fe,將Q235鋼切割成尺寸為20 mm×20 mm×3 mm的試片。試驗前，在試片右上角鉆一直徑2 mm的孔，試片經砂紙逐級打磨(至800號)后用蒸餾水沖洗，再用丙酮、無水乙醇清洗，吹風機吹干，最后用濾紙包好，放入干燥器內24 h后，用精度0.1 mg分析天平稱量。將干燥后試片用絕緣防水膠帶密封，試片正中平整處破壞密封膠帶，露出金屬基體，暴露面積為1 cm2。

圖1是自制土壤試驗箱示意圖。交、直流恒流源分別采用沈陽君印科技JY3000精密交流電流源和北京億良科技YL4012精密直流電流源，用于交、直流雜散電流的加載，試驗加載干擾電流均為8 mA。將試片與鍍鉑鈦電極埋入土壤試驗箱中，回路串聯一精密低電阻(R=1 Ω)，用精密微伏電壓測試儀測量電阻兩端電壓，通過伏安法測試回路電流大小。用飽和甘汞電極(SCE)作參比測量試片電位。為保證試驗過程中土壤含水量的恒定，定期稱量試驗箱質量，適時補充水分。試驗周期為240 h。整個試驗過程中，土壤試驗箱處于密封狀態。

圖1 土壤試驗箱示意圖Fig. 1 Schematic diagram of soil test chamber

試驗結束后，取出試片，去除表面附著土壤，用ESEM XL30 FEG環境掃描電鏡(ESEM)對腐蝕產物形貌進行觀察，利用電鏡自帶的能譜儀(EDS)以及X射線衍射儀(XRD)分析腐蝕產物成分。用精度0.1 mg的分析天平對除銹、干燥后試樣進行稱量，并根據失重法計算腐蝕速率，結果取兩組試樣平均值。

2 結果與討論

2.1 電化學參數

直流、交流雜散電流干擾下，Q235鋼電位、電流隨時間變化如圖2和圖3所示。

由圖2可見：在直流雜散電流干擾下，電流流入試片，該處受到陰極保護，電位更負，低于臨界腐蝕電位[18](圖中虛線處)；電流流出試片，該處金屬陽極溶解，電位高于臨界腐蝕電位，腐蝕加劇[19]。電流先增大后急劇減小至某一值之后，小幅波動，可劃分為三個階段。(1) 腐蝕開始發生時，試片表面氧含量較高，且試片表面干凈，與相鄰土壤介質接觸良好，腐蝕速率隨時間呈增大趨勢。(2) 一定時間后，試片表面相鄰土壤介質中氧含量下降，土壤含水量較高，氧擴散較慢，腐蝕速率減小。同時由于腐蝕產物在試片表面產生、積累，試片表面與土壤介質的接觸面積逐漸減小，腐蝕速率隨之下降。因此，該階段腐蝕速率呈快速下降趨勢，初期由氧擴散主導，腐蝕產物積累到一定程度后成為主導，二者共同作用。(3) 試驗后期，腐蝕速率基本維持穩定，不再變化。這是因為Q235鋼在生成腐蝕產物時產生的體積差會形成應力，使銹層產生裂紋，銹層中的孔洞和裂紋會成為氧、水等腐蝕介質的通道，對腐蝕起促進作用[20]。這與銹層的阻隔對腐蝕起到的抑制作用正好相反，二者共同作用，最終達到一種穩定狀態。

(a) 電位-時間曲線

(b) 電流-時間曲線圖2 直流雜散電流干擾下Q235鋼電位、電流隨時間的變化曲線Fig. 2 Variations of potential and current with time for Q235 steel under DC stray current interference: (a) potential vs time； (b) current vs time

(a) 電位-時間曲線

(b) 電流-時間曲線圖3 交流雜散電流干擾下Q235鋼電位、電流隨時間的變化曲線Fig. 3 Variations of potential and current with time for Q235 steel under AC stray current interference: (a) potential vs time； (b) current vs time

由圖3可見：在交流雜散電流干擾下，試片間的電流方向隨頻率周期性變化，隨試驗的進行，電位先急劇下降后逐漸穩定在某一值，試片間的電流呈波動狀態，但幅度不大，基本穩定。在一定頻率的交流雜散電流干擾下，試片表面與緊鄰土壤介質處的雙電層進行快速充放電，一定程度上起到了緩存電流的作用，所以電流呈小幅波動狀態。

對比可知：在直流、交流雜散電流干擾下，Q235鋼呈現不同的電化學腐蝕規律，今后對二者應分別加以研究，不能一以概之。

2.2 腐蝕產物形貌和成分

2.2.1 腐蝕產物形貌

由圖4可以看出：在無雜散電流干擾下，試片腐蝕以均勻腐蝕為主，腐蝕產物以片狀分布，且片間有發展連接長大趨勢；在直流雜散電流干擾下，近正極端電流從土壤流入試片，試片表面未見明顯腐蝕產物，近負極端電流從試片流入土壤，腐蝕產物總體呈疏松多孔狀，腐蝕產物層較厚，且有明顯裂紋、分層，局部腐蝕產物已經脫落，試片表面有較深的坑痕；在交流雜散電流干擾下，腐蝕產物層有明顯裂紋、分層現象，局部已經脫落，試片表面有淺坑。

由圖5可以看出：在無雜散電流干擾下，腐蝕產物呈鱗片狀，與基體結合不牢固，分層嚴重，極易脫落；在直流雜散電流干擾下，近負極端電流從試片流入土壤，腐蝕產物呈絮狀，疏松多孔；在交流雜散電流干擾下，腐蝕產物也呈絮狀，產物層比直流雜散電流干擾下的薄，疏松易脫落。

(a) 直流，流入

(b) 直流，流出

(c) 交流

(d) 無雜散電流圖4 不同雜散電流腐蝕后Q235鋼表面腐蝕形貌(低倍)Fig. 4 Corrosion morphology of the surface of Q235 steel (low magnification):(a) DC current, flow into; (b) DC current, flow out; (c) AC current; (d) no stray current

(a) 直流，流入

(b) 直流，流出

(c) 交流

(d) 無雜散電流圖5 不同雜散電流腐蝕后Q235鋼表面腐蝕形貌(高倍)Fig. 5 Corrosion morphology of the surface of Q235 steel (high magnification): (a) DC current, flow into; (b) DC current, flow out; (c) AC current; (d) no stray current

通過觀察腐蝕產物表面形貌可知，在雜散電流干擾下，Q235鋼表面腐蝕產物總體呈疏松狀，有明顯分層現象，易脫落，對基體無保護作用，因此，在持續雜散電流干擾下，Q235鋼的腐蝕只會愈發嚴重。

2.2.2 腐蝕產物成分

試驗結束后，試片表面腐蝕產物呈黑綠色，一段時間后被氧化變為紅褐色。用EDS、XRD分析腐蝕產物成分，結果表明：在直流和交流雜散電流干擾下，Q235鋼表面的腐蝕產物組成大致相同，主要為Fe3O4、Fe2O3[21]，伴有少量FeS。雜散電流腐蝕機理同電解原理是一致的，電流流入金屬構件的部位成為陰極而受到保護，而電流流出金屬構件的部位成為陽極受到腐蝕。陽極附近發生的化學反應為

(3)

當Fe被電解成離子態從陽極進入土壤后，和土壤中的OH-反應生成Fe(OH)2，然后再進一步被氧化成Fe(OH)3。Fe(OH)3即為紅褐色的稀松組織，脫水后會變成鐵的氧化物。

2.3 腐蝕速率

由表1可以看出：直流雜散電流流入金屬構件處，金屬相當于被陰極保護，幾乎不發生腐蝕。直流雜散電流流出金屬構件處，金屬發生強烈陽極溶解反應，腐蝕嚴重，腐蝕速率高達16.710 mm/a。雜散電流腐蝕具有強度高、范圍廣、危害大等特點，且腐蝕強度與雜散電流強度呈正比，理論上1 A的電流通過金屬表面1 a可以溶解9.1 kg鋼鐵。當腐蝕速率為16.710 mm/a時，按照該理論換算得出：在此試驗周期內通過試片的直流雜散電流強度平均值為1.42 mA。這與圖2(b)的測量結果基本一致。在交流雜散電流干擾下，電流的方向隨頻率進行交替變化，金屬試片表面無明確的進出點，兩個試片均受到腐蝕，腐蝕程度高于無雜散電流干擾下的。

表1 不同雜散電流干擾下Q235鋼在海南土壤中的腐蝕速率Tab. 1 Corrosion rate of Q235 steel in Hainan soil under different interference of stray currents mm/a

試驗結果表明：在同等外加電流下，交流雜散電流腐蝕的危害是直流雜散電流腐蝕的15.9%；在雜散電流干擾下，Q235鋼表面形成疏松，易脫落的腐蝕產物，對基體不具有保護作用，同時其疏松多孔的特征反而會加速土壤中氧氣的擴散，使腐蝕加重。

3 結論

(1) 雜散電流腐蝕具有明顯的電解腐蝕特征，電流流入金屬構件部位成為陰極而受到保護，電流流出的部位成為陽極而受到腐蝕。

(2) 隨反應時間延長，交、直流雜散電流腐蝕電化學參數呈不同的特征，二者電位變化情況基本一致，均為先下降后穩定趨勢，直流雜散電流呈先增后降最后穩定的趨勢，交流雜散電流基本不出現衰減趨勢，在一定范圍波動。

(3) 雜散電流腐蝕具有集中腐蝕特征，直流雜散電流腐蝕產物呈絮狀，交流雜散電流腐蝕產物呈絨狀，產物層均有明顯裂紋、分層、脫落現象，對基體不具有保護作用。交、直流腐蝕產物組成大致相同，主要為Fe3O4、Fe2O3,伴有少量FeS。

(4) 與無雜散電流干擾相比，在雜散電流干擾下，Q235接地扁鋼會加速腐蝕，且在同等外加電流下，交流雜散電流腐蝕的危害是直流雜散電流腐蝕的15.9%。

[1] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. 鋼質管道外腐蝕控制規范：GB/T 21447-2008[S]. 北京：中國標準出版社，2008.

[2] DAROWICKI K,ZAKOWSKI K. A new time-frequency detection method of stray current field interference on metal structures[J]. Corrosion Science,2007,46(5):1061-1070.

[3] BERTOLINI L,CARSANA M,PEDEFERRI P. Corrosion behaviour of steel in concrete in the presence of stray current[J]. Corrosion Science,2007,49(3):1056-1068.

[4] 宋吟蔚,王新華,何仁洋,等. 埋地鋼質管道雜散電流腐蝕研究現狀[J]. 腐蝕與防護,2009,30(8):515-518.

[5] BARLO T J,ZDUNEK A D. Stray current corrosion in electrified rail systems-final report[R]. [S.l.]:[s.n.],1995.

[6] 張攀峰,於孝春. 受直流雜散電流影響埋地管線的AN-SYS模擬[J]. 腐蝕與防護,2011,32(2):146-149.

[7] ATTIA M S,RAGAB A R,ELRAGHY S. Failure analysis of buried piping and cold drain vessel[J]. Engineering Failure Analysis,2011,18(3):933-943.

[8] FU A Q,CHENG Y F. Effects of alternating current on corrosion of a coated pipeline steel in a chloride containing carbonate/bicarbonate solution[J]. Corrosion Science,2010,52(2):612-619.

[9] 姜子濤,杜艷霞,董亮,等. 交流電對Q235鋼腐蝕電位的影響規律研究[J]. 金屬學報,2011,47(8):997-1002.

[10] 杜晨陽,曹備,吳蔭順. 交流電干擾下-850 mV(SCE)陰極保護電位準則的適用性研究[J]. 腐蝕與防護,2009,30(9):655-659.

[11] 李自力,丁清苗,張迎芳,等. 用電化學方法建立交流干擾下X70鋼的最佳陰極保護電位[J]. 腐蝕與防護,2010,31(6):436-439.

[12] 李福軍,路民旭,陳月勛. 大慶油田電泵井套管雜散電流腐蝕測試分析[J]. 材料保護,2008,41(10):66-67.

[13] 張玉星,杜艷霞,路民旭. 動態直流雜散電流干擾下埋地管道的腐蝕行為[J]. 腐蝕與防護,2013,9(9):771-774.

[14] 閆愛軍,陳沂,馮拉俊. 幾種接地網材料在土壤中的腐蝕特性研究[J]. 腐蝕科學與防護技術,2010,22(3):197-199.

[15] WU Y H,LIU T M,LUO S X,et al. Corrosion characteristics of Q235 steel in simulated Yingtan soil solutions[J]. Materials Science & Engineering Technology,2010,41(3):142-146.

[16] COLE I S,MARNEY D. The science of pipe corrosion: a review of the literature on the corrosion of ferrous metals in soils[J]. Corrosion Science,2012,56(3):5-16.

[17] 李健,蘇航,柴鋒,等. pH值對Q235鋼在模擬酸性土壤中腐蝕行為的影響[J]. 工程科學學報,2015,37(4):473-479.

[18] Control of external corrosion on underground or submerged metallic piping system:RP0169-2002[S]. Houston:NACE International.

[19] 許建國. 淺談雜散電流腐蝕機理及防護措施[J]. 鐵道機車車輛,2005,25(3):61-64.

[20] 杜翠薇,王勝榮,劉智勇,等. Q235 鋼與X70鋼在新加坡土壤環境中1年腐蝕行為研究[J]. 腐蝕科學與防護技術,2015,27(3):231-236.

[21] 宋軼黎,胡喜艷,席發臣,等. 一種新型銹蝕轉化劑的作用機理研究[J]. 腐蝕科學與防護技術,2015,27(1):13-18.

Stray Current Corrosion of Q235Steel in Hainan Soil

FU Chuanfu1, YANG Bingkun2, YANG Daning1, HU Jiaxiu2,3, ZHAO Jian2,3,HAN Enhou2,3, KE Wei2,3

(1. Hainan Electric Power Technology Research Institute, Haikou 570100, China;2. Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China;3. National Engineering Technical Research Center for Metal Corrosion Control, Shenyang 110016, China)

10.11973/fsyfh-201710004

TG174

A

1005-748X(2017)10-0756-05

2016-01-29

胡家秀(1982-)，助理研究員，金屬腐蝕與防護，13940060952，jxhu@imr.ac.cn