多介质模拟环境电网金属材料加速腐蚀试验

郭军科，郭锦龙，卢立秋

（1.天津电力科学研究院，天津 300384；2.山西电力科学研究院，山西 太原 030001）

0 引言

“腐蚀”这个术语源于拉丁文，意思是腐烂、被侵蚀掉。腐蚀的定义是通常金属在液体和气体的作用下发生化学、电化学变化和物理溶解作用而遭到破坏的现象［1］。

电力设施和设备如架空输电线路（包含输电线、铁塔、导地线、接地装置及基础、线路金具等）、地埋高压电力电缆，变电站内主要电网设备（变压器、互感器、六氟化硫气体绝缘开关设备、接地网等），除少量局部性材料外，其他电网材料基本都是由铜、铁、铝、锌、锡、铅等各种金属部件构成，当金属材料暴露在恶劣污染大气、高盐类土壤和化工环境水源中时，就会因为腐蚀造成材料的损坏和设备的停运，降低供电可靠性，造成巨大的经济损失和社会影响。

1 电网金属材料腐蚀因素

电网金属材料腐蚀因素有大气环境、土壤、水溶液等几个方面。

1.1 在大气环境下腐蚀

大气腐蚀是金属处于表面薄层电解液下的腐蚀过程，金属表面含饱和溶解氧的电解液膜的存在，使大气腐蚀的电化学过程中氧去极化过程变得易于进行［2］。

大气环境条件下金属腐蚀的速率，不仅随着温度、湿度以及干湿交替情况等条件而变化，而且大气腐蚀过程的特征被大气中的主要杂质成分因素所控制［3］。一般大气环境时，在CO2、O2、H2O共同作用下发生均匀腐蚀，腐蚀形态以电化学腐蚀为主；在处于含有大量SO2、SO3、H2S、NO2、NH3、Cl2、HCl等气体的化工性大气环境条件下，腐蚀形态以化学腐蚀为主，产生均匀腐蚀；在粉尘性、海洋性环境下时，腐蚀形态以点蚀、孔蚀和应力腐蚀为主。

1.2 土壤和水溶液及土壤—水混合溶液下的腐蚀

电化学腐蚀基本理论对土壤腐蚀是适用的，但是，土壤显示出组成和性质复杂多变的特征，不同土壤的腐蚀性相差很大。与腐蚀有关的土壤性质主要是孔隙度（透气性）、含水量、电阻率、酸碱度及含盐量和盐离子类别，土壤的杂散电流和土壤中的微生物对材料的腐蚀影响也很显著。这些影响因素又是相互联系的［4］。

在受到酸、碱、盐等极其重要的化工原料污染区域的金属，腐蚀以剧烈的化学反应形式进行。

近海区土壤中，由于氯离子对土壤腐蚀有促进作用，所以在海边潮汐区或接近盐场的土壤，金属材料腐蚀更为严重。

2 多介质加速模拟腐蚀试验

金属材料在自然大气环境和土壤环境条件下，腐蚀速率很低，试验周期很长。以最常见的腐蚀挂片法为例，蚀片由于均匀腐蚀或点蚀而发生明显的外观变化，在大气环境或水体系中至少需要保持1个月以上，土壤地埋蚀片发生明显的外观变化更需要1 a以上时间；而且，由于腐蚀速率低，腐蚀产物量偏低，试片表层改变不明显，同时，环境条件的难重复性、检测环境的单一性等原因使得检测结论的代表性偏差明显。

2.1 电网材料人工加速腐蚀的目的和意义

在常规的自然环境条件下要获得具有代表性的典型数据，水环境挂片周期为3～6个月，大气环境挂片为6个月～1 a，而土壤地埋蚀片周期在5～10 a，这样的长时间要求对于考核和验收某种产品、评价材料的耐蚀性能是很不可取的。无论是腐蚀挂片的重量法测定，大气组分的容量法测定，还是采用恒电流、恒电位、极化曲线等电化学手段来判断金属材料的腐蚀趋势和腐蚀速率，少量的试验次数也很难保证试验检测结果和腐蚀数据的置信度。

人工加速模拟环境试验与天然环境相比，模拟环境试验的环境温度、污染物浓度、环境条件交替变化速度等，可以调整为一般天然环境的几倍或几十倍，甚至上百倍，使得腐蚀速度大大提高且腐蚀表征明显。对材料进行人工加速模拟试验，得出结果的时间大大缩短，这样就能采集到比自然环境多得多的试验数据，便于进行数据分析和数理统计，保证劣化趋势的准确性和速率的可靠性。因此，人工加速模拟试验具有重要的三个优势，一是环境数据的重现性，二是环境介质的多样性，三是腐蚀速度的可控性。

2.2 多介质人工模拟试验装置

目前，常见的腐蚀加速试验箱一般都是基于盐雾腐蚀气体条件下或者在土壤环境下分别进行的单一介质腐蚀加速试验。人工模拟盐雾环境试验是利用一种具有一定容积空间的试验设备——盐雾试验箱，在其容积空间内用人工的方法，造成盐雾环境来对产品的耐盐雾腐蚀性能质量进行考核，因为盐雾腐蚀就是一种常见和最有破坏性的大气腐蚀。土壤腐蚀模拟加速箱是实验室内研究土壤腐蚀的一个重要设备。试验箱通过改变土壤的温度和含水量来达到腐蚀加速的目的，可以评定不同材料在土壤中的腐蚀行为，也可以评定不同类型土壤腐蚀性的强弱，与相关的电化学测试系统配合可以进行相关的动力学和热力学参数的测定［5］，从而研究土壤腐蚀的规律和机理。

为了综合评价土壤、大气、水溶液、土壤—水体系等复杂综合环境下电网金属材料的腐蚀程度和劣化趋势，克服单一腐蚀加速试验箱的环境局限性，设计了1种多功能加速腐蚀模拟装置。

加速腐蚀模拟装置可以在多介质条件下进行腐蚀加速试验，模拟的腐蚀环境可以是盐雾环境，也可以是单一的含硫、含氮气体环境；可以是单一的液体环境和单一的土壤环境，也可以是气—液、固—液、气—固等多介质环境条件下人工模拟进行腐蚀加速试验。

加速腐蚀模拟装置长、宽、高尺寸分别为100 cm×75 cm×150 cm，内外胆均采用进口塑料板经高温模压焊接成型，试验箱盖为全透明有机玻璃板制成，盖密封采用透明压克力耐冲击板，箱体整体密闭，上部有加水、加气、喷淋喷雾进口阀门，中部有气体取样阀门和窥视条，底部带排污阀门。底部中央有6个可与底座固定及方便拆卸的锥底形玻璃圆筒，圆筒直径为25 cm，厚度1 cm，高50 cm，为方便拆卸及排污，圆筒底有隔离网及排水阀门。箱体带恒温控制系统及温湿度显示，温度范围为室温～100℃，测量误差＜±1℃。装置外部具有仪表工控系统，带有（内外部）加水喷雾系统、可连接气瓶的加气系统及通风排气系统。

2.3 试验对象

试验试件选用电力系统常见的铸铁、碳钢、铜、铝、铅、锌等金属材料，挂片尺寸为50 mm×25 mm×2 mm。挂片上有1个便于悬挂的直径2 mm的圆形小孔，表面积28 cm2，外表用金相砂纸打磨光洁无坑点和纹路。挂片用无水乙醇洗净、烘干后称重干燥器内保存。

对于部分小型材料，如带镀锌层的铁塔条、铜排、铝线、接地网材料、小块带钢筋混凝土、小型金具及夹件、电缆小段等等，则不需要进行外表面处理，直接置于模拟装置的不同介质中。

2.4 应用范围

上层盐雾系统对金属材料的防护层、零部件、电子器件及工业产品等进行加速盐雾腐蚀试验，迅速方便地重现喷涂与未处理过的金属表面的腐蚀过程。

上层加气系统对镀锌层、铜排、铝线、多股绞线、小型金具及夹件等进行特定气体下的化学和电化学腐蚀反应。

底部锥底形玻璃圆筒，可以评定不同材料如地埋电缆、接地网材料、混凝土材料以及其他地埋金属等，在土壤、水溶液、土壤—水混合体系中的腐蚀行为，也可以评定不同类型土壤、水溶液、土壤—水混合体系的腐蚀性的强弱，与相关的电化学测试系统配合研究。此三种环境条件下，可以通过化学手段人为模拟所需的实验条件，调节环境pH值、离子总类（硝酸根离子、硫酸根离子、氯离子、钙镁离子等）和盐含量（电阻率）大小。

多介质人工模拟实验设备主要目的是实现材料在恒温、恒湿条件下的盐雾、工业性大气或土壤、水环境下单一腐蚀试验；实现材料在干湿交替条件下的盐雾、或土壤腐蚀试验；实现材料在温度交变条件下的盐雾、工业性大气或土壤—水混合环境下的综合环境腐蚀试验。

2.5 试验检测手段

进行空气采样，通过吸收萃取，用化学分析方法检测工业性大气SO2、SO3、H2S、NO2、NH3等的含量。

对采集土壤进行检测，分析其中的有害组分含量和挥发可能性，如pH值、硝酸根离子、硫酸根离子、氯离子、钙镁离子、碳酸根和重碳酸根离子、总碱度、氨氮含量等。通过物质的添加可以调整土壤成分组成。

对水体进行分析，检测可能会造成土壤污染的有害组分含量。主要检测指标有：重金属离子、硫化物、pH值、硝酸根离子、硫酸根离子、氯离子、钙镁离子、碳酸根和重碳酸根离子、总碱度、氨氮含量、化学耗氧量、水中油等。通过物质的添加可以调整水溶液和土壤—水混合体系的成分组成。

通过色谱—质谱联用仪、能谱仪和等离子体发射光谱等检测手段，对金属表面腐蚀产物或腐蚀指示片表层进行原子含量和物质形态分析判断。

电化学测量手段在试验检测和金属腐蚀速度评价方面同样应用广泛。工业性大气中污染组分通过电化学传感器仪器设备可测定其浓度；恒电位仪测定金属材料在没有外部电流时稳定状态下的腐蚀电位水时间的变化；水下腐蚀计通过线性极化原理采用多电极探头测量金属材料腐蚀速率；土壤电化学测试仪则通过测定土壤中金属腐蚀电位、土壤氧化还原电位和土壤极化电阻等确定土壤腐蚀速度。

3 结论

多介质加速模拟腐蚀试验装置对腐蚀环境的模拟、腐蚀原因的查找、分析判断腐蚀形态的产生，计算腐蚀发生的速度以及提出防腐蚀手段措施等，提供良好的试验检测环境依据。通过对电力设施的腐蚀研究分析，发现并控制引起电力设施腐蚀的因素，有着重要的意义。

［1］ 魏宝明.金属腐蚀理论及应用［M］.北京：化学工业出版社，2008：1.

［2］ 化学工业部化工机械研究院.腐蚀与防护手册［M］.北京：化学工业出版社1997：141-142.

［3］ 默增禄，程志云.输电线路杆塔的腐蚀与防治对策［J］.电力建设，2004（1）：22-23.

［4］ 宋焕东.浅谈高压输电线路的防腐措施［J］.民营科技，2010（1）：28.

［5］ 王东林，张剑.基础设施腐蚀研究及防护技术［M］.北京：化学工业出版社，2009：203-204.