电化学噪声在接地网土壤腐蚀监控中的应用

陈建伟,钱洲亥,祝郦伟,沈晓明

(国网浙江省电力公司电力科学研究院,杭州 310014)



电化学噪声在接地网土壤腐蚀监控中的应用

陈建伟,钱洲亥,祝郦伟,沈晓明

(国网浙江省电力公司电力科学研究院,杭州 310014)

采用电化学噪声测试技术对变电站接地网土壤腐蚀状况进行实时在线监测。结果表明:接地网环境发生改变时，对土壤腐蚀特性有较大影响，接地网腐蚀状态变化较大。电化学噪声监测系统对土壤腐蚀环境的变化反应灵敏，能够进行实时准确的监控预警，可用于变电站基建勘察以及运行维护阶段的腐蚀监控。

电化学噪声;接地网;土壤腐蚀;监控

变电站接地网是电力系统安全可靠运行、保障电气设备、人身安全的重要设施。由于接地网材料以碳钢及镀锌扁钢为主，此类接地装置长期埋在地下，运行环境恶劣，容易发生土壤腐蚀，导致设备事故，甚至会造成巨大的经济损失和不良的社会影响。变电站建成后，接地网的腐蚀检查维护基本靠经验，以定期挖掘察看为主，这种维护方式不但盲目性大，而且费时费力，会大幅增加变电站的运行成本[1-3]。

近年来，腐蚀电化学理论的发展及相关高精度仪器设备的推出，为快速而准确测定接地网在土壤中的腐蚀特性奠定良好的基础。李谋成等[4-5]利用弱极化曲线技术和电化学阻抗谱技术研究了土壤中钢铁材料的腐蚀行为，分析了湿度对腐蚀状况的影响。寄玉玉等[5]对土壤介质中金属腐蚀的电化学测量方法进行了研究，使用极化阻力技术测量了碳钢在土壤介质中的腐蚀速率。滕永禧等[6]根据电路原理和故障诊断原理，利用实际接地网的拓扑结构和接地引线间电阻的测量数据，应用特勒根定理建立接地网的腐蚀诊断方程，进而判断接地网的腐蚀程度。从国内外现有文献来看，接地网的电化学腐蚀测量方法大多数停留在理论分析和实验室模拟阶段，真正用于实际的工程测量系统并不多见。所以，电力系统迫切需要研究一种不影响系统正常运行的检测方法和技术，实现变电站接地网腐蚀状态的免开挖检查。电化学噪声(EN)测试技术作为一种原位、无损的金属腐蚀检测方法，无需对被测量体系施加信号，就能监测低电导环境的腐蚀，同时它对仪器要求不高，能够实现远距离监测，可以作为研究金属材料局部腐蚀、应力腐蚀热力学与动力学行为的重要方法[7-9]。

本工作采用电化学噪声测试仪器对杭州某变电站土壤进行腐蚀特性监测。根据所测定的实时腐蚀数据，结合电极的腐蚀形貌，判断腐蚀趋势，对腐蚀状况进行综合评价，为变电站安全运行提供技术支持。

1　试验

测试仪器采用进口CAPCIS Concerto MK2 CIS4K-1电化学噪声综合测试仪,包括主机、数据变送器、电极(因为测试环境所限，常规参比电极容易损坏，适应性较差，所以本仪器采用参比电极、工作电极、辅助电极组成的柱状三电极体系，材料均为20号碳钢，坚固耐用，且能定期更换。如果电极发生腐蚀，测试数据均往同一方向变化，不会因电极不稳定给测试结果带来显著影响)。仪器无需对测试对象施加信号，在开路电位条件下测得电化学噪声数据，便于判断土壤腐蚀机理。该套测试系统同时具有线性极化阻力(LPR)测试功能，能定期测出土壤环境腐蚀速率。试验采用路格L99-TWS-1型温湿度计监测土壤温湿度。

试验地点选取杭州某变电站的接地网附近位置，挖开约20 cm×20 cm×80 cm的坑洞，将电极深入土壤80 cm，并用土回填，压实。现场安装情况见图1。

图1　电化学噪声腐蚀监测系统现场测试图Fig. 1　Electrochemical noise monitoring system in the substation

电极埋设22 d后取回，观察腐蚀形貌。同时利用电化学噪声软件对所采集的数据进行分析[10-11]。

2　结果与讨论

2.1电极形貌

试验后期变电站出现雨水天气，现场土壤比较潮湿，这对土壤腐蚀特性会有一定影响，但不会影响电化学噪声腐蚀监测系统正常运行。试验结束后，取出电极观察，发现电极表面，大部分被腐蚀产物覆盖。仔细观察电极，可以发现腐蚀产物分为两层(如图2所示)：表面黄褐色腐蚀产物比较疏松，用自来水冲洗就能将其除去；贴近金属基体的内层黑色腐蚀产物附着力较强，用自来水洗较难去除，须经过多次物理刷洗，再经除锈液(500 mL盐酸+500 mL蒸馏水+20 g六次甲基四胺溶液)浸泡后才能彻底将腐蚀产物清除干净。

(a)　试验前 (b)　试验后图2　试验前后电极形貌Fig. 2　Electrode morphology before (a) and after (b) the experiment

2.2土壤温湿度

图3为试验期间土壤的温湿度，因为电极位于地下80 cm处，试验前、中期土壤温湿度变化不大。受气温影响，测试点附近昼夜温差在17～22 ℃，湿度相对稳定，均在25%左右。

图3　试验期间土壤温湿度变化曲线Fig. 3　The variation of soil temperature and moisture during the experiment

试验后期，变电站出现连续雨水天气，测试点附近湿度剧增，从25%跃升到53%，温度也缓慢下降，最终降至约15 ℃。温湿度的变化对土壤的腐蚀性将产生较大的影响。

2.3腐蚀速率

图4为电化学噪声测试系统所测得变电站土壤的腐蚀速率。可以看出,瞬时腐蚀速率总体呈波浪形缓慢下降并逐渐趋于稳定的趋势。试验最初30 h，瞬时腐蚀速率较大，为0.08～0.12 mm/a，主要原因是因为电极为新鲜表面，容易产生腐蚀，腐蚀速率较大。试验前中期(40～350 h)，瞬时腐蚀速率为0.06～0.08 mm/a，呈波浪形缓慢下降趋势。经分析，腐蚀速率与温度具有相似变化趋势，出现波动与昼夜温度变化有关，腐蚀速率有缓慢下降趋势说明电极表面有腐蚀产物生成，抑制了腐蚀的进行。试验后期(350～400 h)腐蚀速率突然出现急剧上升，一度达到0.1 mm/a，这是因为变电站出现连续降雨，导致土壤含水量迅速增加，电极充分处于电解质环境中，从而造成瞬时腐蚀速率快速上升，且瞬时腐蚀速率相对较大。

试验末期(450～520 h),由于温度降低与湿度增大的综合作用，瞬时腐蚀速率趋于稳定，维持在0.055 mm/a左右。

2.4电位/电流(E/I)噪声图及分析

由图5可见,在试验前、中期,电位波动幅度不大，但是具有明显的下降趋势，电流峰波动频率与幅度均比较大，呈缓慢下降趋势。这种现象一方面可能与腐蚀初期工作电极表面状态的剧烈变化以及工作电极状态的差异性有关，另一方面也与前期腐蚀速率变化较大有关。一般认为，土壤中的氯离子会不断侵蚀碳钢电极表面新生成的铁氧化物钝化膜，电流峰的迅速上升和下降与电极表面形成的铁氧化物钝化膜的破裂/修复(即亚稳态蚀点的生长与消失)有关[12]。在试验后期，由于外界环境发生改变，对电极表面腐蚀形态产生较大的影响，电位与电流突然迅速上升，这与腐蚀速率突然增大的趋势是一致的。试验末期随着环境条件趋于稳定，工作电极表面状态也趋于温和，电位与电流呈现平缓下降的趋势。

图5　试验土壤电位-电流的电化学噪声图谱Fig. 5Electrochemical noise spectrums of voltage-current during experiment

2.5点蚀指数(Pitting)和表面不稳定指数(Instability)噪声图

图6为电化学噪声测试系统所测得的试验土壤点蚀指数(Pitting)和表面不稳定指数(Instability)噪声图。这两种指数是根据系统测得的电压、电流的噪声数据经过傅里叶变换，从而直观反应出测试对象的腐蚀状态及腐蚀概率，并将其量化。从图6中可以看出,点蚀指数和表面不稳定指数在试验初期均达到20%以上，对比测试系统的运行参数，显示腐蚀比较剧烈，并且波动幅度较大，说明电极表面非常不稳定，点蚀概率非常大，这与试验初期电位电流的噪声的波动趋势是一致的。这种现象一方面可能因为腐蚀早期工作电极为新鲜表面，另一方面与电极表面发生剧烈的铁氧化物钝化膜的破裂/修复(即亚稳态蚀点的生长与消失)过程有关。试验后期，由于雨水浸润，电极表面发生较大变化，点蚀指数及表面不稳定指数处于30%～70%的高位之间，表面不稳定指数曾一度达到90%，电极表面相当活泼，腐蚀反应比较剧烈，这与腐蚀速率的趋势是一致的。试验末期，波动幅度逐渐变小，趋于平稳，点蚀指数和表面不稳定指数均恢复到20%以下，说明电极表面钝化膜的破裂/修复过程达到平衡，腐蚀状态趋于稳定。

图6　试验土壤点蚀/表面不稳定指数噪声图Fig. 6　Pitting index and instability index electrochemical noise spectrum during experiment

2.6电化学噪声测试系统在接地网实时在线监测中的应用

电化学噪声监控系统能够对存在严重局部腐蚀和均匀腐蚀风险的接地网设备进行实时在线监测，并且可以进入DCS系统，使其像温度、压力等常规参数一样被变电站运行维护人员使用。试验开始前根据运行经验设置E、I、Pitting和Instability等腐蚀指数报警临界值。试验前、中期，因为电极为新鲜表面，表面反应比较活跃，点蚀指数及表面不稳定指数比较高，所以容易产生腐蚀，腐蚀速率较大。试验后期，由于外界环境变化导致设备腐蚀状态突然变化时，系统就能够发出警示，同时将存储所有报警阶段的原始电化学噪声数据。变电站运行维护人员能够及时分析湿度、温度、土壤环境、杂散电流、运行工况的变化导致设备腐蚀状态的改变，并采取相应措施。这样便可将输变电设备腐蚀全面管理和日常操作管理结合在一起，从而减少腐蚀损失和由于腐蚀导致的停运事故。

3　结论

(1) 杭州某变电站土壤腐蚀速率较低，约为0.055 mm/a，腐蚀比较轻微。

(2) 电化学噪声监测系统所处土壤环境发生改变时，对土壤腐蚀特性有较大影响，接地网腐蚀状态变化较大。

(3) 电化学噪声监测系统反应灵敏，能够实现实时监控，数据准确可靠，可用于变电站基建勘察以及运行维护阶段的腐蚀监控。

[1]何智强,刘凯,胡旭,等. 接地钢材在湘南地区的腐蚀特性研究[J]. 湖南电力,2010,30(6):4-7.

[2]李月强,杜翠薇,冯皓,等. 接地极的土壤腐蚀[J]. 环境技术,2010(1):15-18.

[3]胡学文,许崇武. 接地网腐蚀与防护的研究[J]. 湖北电力,2002,26(3):31-34.

[4]李谋成,林海潮,曹楚南. 湿度对钢铁材料在中性土壤中腐蚀行为的影响[J]. 腐蚀科学与防护技术,2000,12(4):218-220.

[5]寄玉玉,王佩,张秀丽,等. 接地网腐蚀状态原位检测技术研究[J]. 华北电力技术,2012(8):34-37.

[6]滕永禧. 接地网腐蚀诊断方法研究[D]. 重庆:重庆大学,2004:5-10.

[7]WOODCOCK C P,JMILLS D,SINGH H T. Use of electrochemical noise method to investigate the anti-corrosive properties of a set of compliant coatings[J]. Prog Org Coat,2005(52):257-262.

[8]MANSFLED F,SUN Z,HSU C H. Electrochemical noise analysis for active and passive systems in chloride media[J]. Electrochem Acta,2001,46(24/25):3651-3664.

[9]吴港,孔小东,田志强,等. 两种船体钢耐点蚀性能的电化学噪声评估[J]. 腐蚀与防护,2012,33(3):231-233.

[10]MANSFLED F,SUN Z,HSU C H. Concerning trend removal in electrochemical noise measurements[J]. Corrosion Sci,2001(43):341-352.

[11]BERTOCCI U,GABRIELLI C,HUET F. Noise resistance applied to corrosion measurements[J]. J Electrochem Soc,1997,144(1):31-37.

[12]李季,赵林,李博文,等. 304不锈钢点蚀的电化学噪声特征[J]. 中国腐蚀与防护学报,2012,32(3):235-240.

Application of Electrochemical Noise to Soil Corrosion Monitoring of Grounding Grid

CHEN Jian-wei, QIAN Zhou-hai, ZHU Li-wei, SHEN Xiao-ming

(State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute, Hangzhou 310014, China)

The substation grounding grid corrosion status was in real-time and online monitored using electrochemical noise technology. The results show that the change of grounding grid environment had a great effect on soil corrosion characteristics and led to great changes of the grounding grid corrosion. Electrochemical noise monitoring system is sensitive to the changes of environment and may implement real-time accurate monitoring and warning, and thus it can be used for corrosion monitoring in the stages of substation construction survey and operation.

electrochemical noise; grounding grid; soil corrosion; monitoring

10.11973/fsyfh-201605005

2015-03-04

国家电网公司科技资助项目(ZDK/GW001-2012); 浙江省电力公司科技项目(5211DS1350JP)

陈建伟(1984-),工程师,从事输变电设备腐蚀与防护技术研究,0571-51211540,346781096@qq.com

TG174

A

1005-748X(2016)05-0371-04