接地網材料在土壤介質中腐蝕分析

聶新輝 薛慶堂 周仲康

（1. 國家能源集團科學技術研究院有限公司，江蘇 南京 210031；2. 國網安徽省電力公司電力科學研究院，安徽 合肥 230601）

0 引言

在自然環境腐蝕中，土壤腐蝕所占的比重較大，由此而造成的經濟損失也較為嚴重[1]。在電站系統內也存在大量的埋地構件，如接地網、管道等。A3鋼也叫Q235鋼，是目前應用最為廣泛的鋼種之一，是最常見的電站接地網材料。由土壤腐蝕導致接地網的接地性能下降，對電網以及用電設備帶來巨大的直接和潛在損害，因此研究接地網材料在土壤介質中腐蝕行為尤為重要。

土壤是由氣、液、固三相構成的復雜系統，因此土壤腐蝕也極為復雜。在接地網腐蝕研究中，多采用現場埋片法計算腐蝕速率，周期較長，重現性差[2]。本文選取了兩種不同的土壤，采用電化學手段，研究接地網材料在不同土壤介質中的腐蝕 行為。

1 試驗介質

埋地接地網材料腐蝕環境是土壤，除了受接地材料本身影響外，更多的是受土壤理化性質及其他因素的影響。表1是兩組土壤主要成分分析結果。

由表1可以看出，（a）兩組土壤顯示弱堿性；（b）2#土壤中含有較高的陰離子，特別是Cl-含量 較高。

表1 兩組土壤主要離子成分

2 腐蝕機理探討

分析研究極化曲線，是解釋金屬腐蝕的規律、探討金屬腐蝕機理和解決控制腐蝕途徑的基本方法之一。電化學阻抗譜在研究電極界面雙電層結構、電極上的各種吸附行為、金屬表面鈍化膜和電結晶過程等方面較其他技術優越[3,4]，EN是一種原位、無損的金屬腐蝕檢測技術，能靈敏反映材料腐蝕特別是局部腐蝕過程的變化，因此在實驗室腐蝕研究領域和現場腐蝕監測領域均得到了日益廣泛的應用。

將風干的土樣通過20篩孔（1mm）處理，按水、土1:1比配制水土混合液（本文簡稱1#、2#介質）。實驗材料為A3鋼，工作面直徑為0.8cm的圓形，背面焊上導線，非工作面用環氧樹脂封裝。實驗前用0～6號砂紙逐級打磨后，再用酒精脫脂，去離子水沖洗。

實驗儀器采用美國阿美特克集團公司PARSTAT 4000，極化曲線測試掃描速度為1mV/s，范圍±200mV，電化學阻抗譜頻率范圍為10～0.1Hz，EN試驗采樣頻率為2Hz，時間1024s。測定時采用三電極體系，以鉑電極為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極。

2.1 極化曲線

圖1為A3鋼在兩組介質中的極化曲線，表2為測試分析結果。

圖1 A3鋼在兩組介質中的極化曲線

由圖1可見，兩條極化曲線都屬于活化極化控制的極化曲線，說明A3鋼在兩種介質中沒有受到明顯的氧擴散控制。由表2中可以看出，A3鋼在2#介質中，自腐蝕電流較大，為6.560μA/cm2，約等于0.077mm/a，是1#介質三倍左右，也就是說A3鋼在此種介質中的腐蝕速度更大。

由表2還可以看出，A3鋼1#介質種極化曲線的陽極和陰極塔菲爾常數（ba、bc）之間相差不大，說明A3鋼此介質中屬于均勻腐蝕。但是在#2介質中陽極和陰極塔菲爾常數相差較大，說明A3鋼在此種介質中存在局部腐蝕傾向。原因是2#土壤介質中較高的陰離子，特別是Cl-含量較高，是造成A3鋼局部腐蝕的主要原因之一。

表2 極化曲線處理結果

2.2 電化學阻抗譜

圖2、圖3分比是A3鋼在兩組介質中的Nyquist圖和Bode圖。

圖2 A3鋼在兩組介質中Nyquist圖

圖3 A3鋼在兩組介質中Bode圖

從Nyquist圖和Bode圖可以看出，A3鋼在#1介質中為單容抗弧，對應的Bode圖也只有一個時間常數，反應只有一個過程；A3鋼在2#介質中有兩個容抗弧，對應的Bode圖有兩個時間常數，反應有兩個過程，圖4分別是兩種情況擬合所用等效電路圖，表3為等效電路擬合結果。

圖4 Nyquist圖兩種擬合等效電路圖

等效電路中，通常用相位角元件Q來代替電容。等效電路中Rs為溶液電阻，R1為膜層電阻，Rct對應基體金屬與溶液兩相界面的電荷轉移電阻，反映基體金屬腐蝕速度，CPE為基體與溶液兩相界面的雙電層。

從表3可以看出，A3鋼在1#介質中短時間內沒有鈍化膜形成，在2#介質中很快形成鈍化膜。主要原因是，2#土壤介質中各種離子含量較高，短時間內易形成鈍化膜，但是由于Cl-含量較高，鈍化膜很快便被破壞。

表3 等效電路擬合結果

A3鋼在1#水、土1:1介質中電荷轉移電阻最大，為5798Ω·cm2；在2#介質中電荷轉移電阻為3724Ω·cm2，也就是說A3鋼在#1介質中腐蝕速度最小，在#2介質中腐蝕速度較大，這與極化曲線結果完全一致。

由此可見，2#土壤中存在較高的Cl-，降低了A3鋼的腐蝕阻力，引發了A3鋼的局部腐蝕。

2.3 電化學噪聲

電化學噪聲（Electrochemical Noise，EN）是指由金屬材料表面變化而自發產生的電學狀態參量（電極電位，外加電流密度等）的隨機波動，主要與金屬表面狀態的局部變化以及局部環境有關，電化學噪聲的數據解析分為時域譜分析、頻域譜分析、小波分析、分形分析等[5]。實驗使用同材料雙電極體系，采用零阻電流表（ZRA）方法（原理如圖5所示）。

圖5 電路原理圖

2.3.1 原始噪聲數據處理

圖6、7分別為在兩種介質中的原始電壓、電流噪聲時域譜。

圖6 1#介質中原始噪聲譜

圖7 #2介質中原始噪聲譜

圖8、9分別為在1#和2#水、土1:1介質中剔除直流分量后的的電壓、電流噪聲時域譜。

圖8 1介質中剔除直流分量的噪聲譜

圖9 2#中剔除直流分量的噪聲譜

2.3.2 標準偏差與噪聲電阻

電流噪聲和電位噪聲的標準偏差（σV、σI）可以說是研究電化學噪聲最常用的特征參量。噪聲電阻被定義為電位噪聲σV與電流噪聲σI的標準偏差比值。

在很多情況下Rn值的大小與腐蝕體系的腐蝕速率成反比，即Rn越大腐蝕速率越小，腐蝕越輕微；而相反地，Rn越小，腐蝕速率越大，腐蝕越嚴重。

A3鋼在土壤環境中以及降阻劑環境中的電位噪聲偏差、電流噪聲偏差以及噪聲電阻如表4所示。

表4 噪聲處理數據

從表4中可以看出，A3鋼在1#介質中的電流標準偏差僅為0.00558μA·cm-2，在2#介質中的電流標準偏差為0.02006μA·cm-2。A3鋼在1#介質中的噪聲電阻為9996.4Ω·cm2，在2#介質中的噪聲電阻為5183.9Ω·cm2。數據表明A3鋼在2#介質中的腐蝕速率明顯大于在1#介質中的腐蝕速率，這跟極化曲線的數據是一致的。

2.3.3 電化學噪聲頻域分析

對于PSD的斜率與腐蝕形態關系，一般是認為斜率越大，表明腐蝕越可能是以局部腐蝕為主，而斜率減小，往往預示著均勻腐蝕或者全面鈍化。我們可以根據電位PSD曲線高頻段線性斜率的取值，來判斷金屬的腐蝕狀態。

電位噪聲時域譜經快速傅立葉變換（FFT），得到了電位功率密度譜圖（PSD），并且對其進行擬合，如圖10、圖11所示。

圖10 1#介質中PSD圖及擬合圖

圖11 2#介質中PSD圖及擬合圖

根據PSD譜圖中高頻線性段斜率可以看出，A3鋼在2#介質中K值大于-20dB/dec，而在1#介質中K值小于-20dB/dec，證明A3鋼在2#介質中具有較高的局部腐蝕傾向。這一結果與之前的極化曲線、電化學阻抗譜分析結果相同。

3 結論與建議

通過對A3鋼在兩種土壤介質中的電化學測試，得出如下結論：

（1）極化曲線測試結果表明，兩條極化曲線都屬于活化極化控制的極化曲線，說明A3鋼在兩種介質中沒有受到明顯的氧擴散控制。2#土壤介質中較高的陰離子，特別是Cl-含量較高，是造成A3鋼局部腐蝕的主要原因之一；

（2）電化學阻抗譜測試結果表明，A3鋼在1#介質中短時間內沒有鈍化膜形成，在2#介質中很快形成鈍化膜。主要原因是，2#土壤介質中各種離子含量較高，短時間內易形成鈍化膜，但是由于Cl-含量較高，鈍化膜很快便被破壞；

（3）電化學噪聲測試結果表明，A 3鋼在1#介質中的噪聲電阻為9996.4Ω·cm2，PSD圖譜K值為-27.02dB/dec；在2#介質中的噪聲電阻為5183.9Ω·cm2，PSD圖譜K值為-9.68dB/dec，A3鋼在2#介質中具有較高的局部腐蝕傾向。