交流电干扰下Q235钢与铜在不同含水量北京土壤中的短期腐蚀行为

苏 耕,丁 德,李彩玉,杜翠薇,刘智勇,杨小佳

(1. 国网陕西省电力公司 电力科学研究院，西安 710100; 2. 北京科技大学 腐蚀与防护中心，北京 100083)



试验研究

交流电干扰下Q235钢与铜在不同含水量北京土壤中的短期腐蚀行为

苏 耕1,丁 德1,李彩玉2,杜翠薇2,刘智勇2,杨小佳2

(1. 国网陕西省电力公司 电力科学研究院，西安 710100; 2. 北京科技大学 腐蚀与防护中心，北京 100083)

利用电化学测试和埋片试验研究了交流电干扰下Q235钢和铜在不同含水量北京土壤中短期腐蚀行为。结果表明：交流电对Q235钢与铜的腐蚀起到明显促进作用，对铜影响更大；交流电与土壤含水量对Q235钢的影响有明显的交互作用，对铜则无明显的影响；交流电主要影响材料的阳极反应过程，含水量主要影响材料的阴极反应过程；土壤含水量未达到饱和时，Q235钢与铜表面均发生腐蚀，且随着土壤含水量的增加，腐蚀均逐渐加重，其表面点蚀坑密度和深度均逐渐减小；在土壤含水量达到饱和时，Q235钢与铜表面均又出现较严重点蚀。

交流电; 土壤含水量；腐蚀电流密度；点蚀

接地网是变电站的重要防护设施，用于防雷泄流和高压泄流，能有效保障电气装备的正常运行和操作人员的人身安全[1]。在我国，接地网主要采用碳钢或者镀锌钢焊接而成，国外多采用各类铜包钢。接地网埋设于具有非均匀性、多相结构的土壤中，易发生土壤腐蚀，腐蚀状况还可能因气候条件变化等原因而加速。同时，随着变电系统传输电压不断增大，由其感生的交流杂散电流对接地网腐蚀的影响日益突出，且具有难以控制的特点，是目前国际腐蚀研究的前沿和热点。研究表明，交流电能够促进金属材料的点蚀，甚至提高应力腐蚀开裂(SCC)敏感性[2-11]。这容易导致接地极焊接部位断裂或铜包钢提前穿孔，进而引起接地极导流能力大幅降低甚至失效。

北京地区是我国重要的电力枢纽，而据实地埋样表明[12-13]，在北京土壤中，无交流电干扰下Q235钢的腐蚀明显比铜的严重，且Q235钢伴随有局部点蚀坑，这会影响材料的正常服役状态。但是，目前接地装置的腐蚀状况评估主要采用开挖的方式，该方式因具有盲目性、工作量大、变电站必须停电等缺点而难以推广[14]。特别是该方法不能有效识别交流杂散电流导致的腐蚀及其作用因子。因此及时开展北京地区接地网材料在包括交流杂散电流作用的复杂土壤环境中的腐蚀规律研究极具迫切性和必要性。

本工作采用动电位扫描方法、室内模拟埋样方法系统地研究了交流电干扰下接地网材料Q235钢和铜在北京典型土壤中的腐蚀行为，为接地网腐蚀防护措施和评估方法的建立提供参考。

1　试验

土样取自北京北部某大型变电站附近，取样深度约1 m，其主要阴离子含量(质量分数)为0.038 4%SO42-，0.002 5%Cl-，0.000 9%NO3-，0.001% CO32-，0.029% HCO3-。土样通过20目筛后，在105 ℃下烘干。据调查资料显示，北京地区干旱时1 m深处土壤含水量为16%(质量分数,下同)，因此分别配制含水量为15%、20%、25%和30%(饱和含水量)的土样作为研究对象。

试验材料为Q235钢和铜(纯度≥99.95%，含微量铋、锑、砷、铁，铅、硫)。Q235钢的主要成分(质量分数)为： 0.39% Mn、0.26% Si、0.19% C、0.007 6% P、 0.004 2% S、余量Fe。电化学试样与埋样试样的尺寸均为10 mm×10 mm×3 mm，其一面焊上铜导线，环氧树脂密封后，另一面用砂纸逐级打磨至表面划痕均匀一致，再用去离子水冲洗，无水乙醇清洗,吹干,备用。

采用CS电化学测试系统对Q235钢和铜的极化曲线进行测试。电化学试验装置如图1，采用三电极体系，工作电极分别是Q235钢和纯铜，辅助电极为铂片，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)。文中电位若无特指，均相对于SCE。通过DDS函数信号发生器模拟试验中交流杂散电流，仪器的负极接石墨电极，正极接试样。调查显示，变电站接地网所受到的腐蚀等级为中度，根据GB/T50698-2011可知中度腐蚀时交流干扰电流密度范围为30～80 A/m2，通过调节信号发生器产生交流电流密度为30 A/m2，频率为50 Hz的正弦波。施加交流电3 h后进行极化曲线测试，扫描速率为0.5 mV/s，扫描电位区间为-1.0～1.0 V(相对开路电位)。

图1　电化学试验装置Fig. 1　Electrochemical test device

埋样试验周期为7 d，采用DDS函数信号发生器对试样施加交流杂散电流，信号发生器正极接试样，负极接石墨电极。埋样试验结束后，取出试样，用去离子水冲去试样表面的土壤，乙醇清洗，吹风机吹干后，采用Quanta250型扫描电镜(SEM)观察表面腐蚀产物。采用500 mL蒸馏水+500 mL HCl和500 mL HCl+3.5 g六次甲基四胺+500 mL去离子水分别去除铜和Q235钢表面腐蚀产物，然后用去离子水冲洗，无水乙醇清洗,吹干后，观察去除表面腐蚀产物后试样的表面SEM形貌。

2　结果与讨论

2.1电化学试验

图2是Q235钢与铜在含水率为25%土壤中有无交流电干扰下的极化曲线。由图可知，施加交流电后，Q235钢和铜的极化曲线均向右移动，说明交流电增强了土壤中的电场强度，加速了带电粒子的移动[15]，其对阴极离子的移动速率影响最为显著。

通过对比图2(a)与图2(b)可以看出，交流电对铜腐蚀电流密度的影响较大，这可能是交流电破坏了铜表面的氧化膜导致的。

采用切线法和三点法[16]对图3中的极化曲线进行处理，计算在有无交流电干扰下，不同含水量土壤中Q235钢和铜的腐蚀电流密度，如图4所示。

从图3和图4可知，在交流电干扰及土壤含水量相同条件下，Q235钢的腐蚀电流密度明显比铜的大，最多相差5倍左右。土壤含水量变化对Q235钢的腐蚀电流密度[17]的影响较为明显，而对铜的腐蚀电流密度无明显影响。且随着土壤含水量增加，Q235钢的腐蚀速率明显减小，当土壤含水量为25%时，Q235钢的腐蚀电流密度为0.009 A/cm2，与铜的腐蚀电流密度(0.008 A/cm2)接近。原因可能是，随着土壤含水量增加，其透气性降低，土壤中氧含量逐渐减小，氧去极化阴极反应过程为该体系电化学腐蚀的控制步骤[18]。当土壤含水量为饱和时，能够形成连续的电解质，在试样表面形成连续的液膜，导电性好，容易发生全面腐蚀，因此腐蚀速率增大。

(a)　Q235钢 　(b)　铜图2　有无交流电干扰下Q235钢与铜的极化曲线(土壤含水量25%)Fig. 2　Potentiodynamic polarization curves of Q235 steel (a) and Cu (b) with and without AC interference (soil moisture content of 25%)

(a)　Q235钢,30 A/m2 (b)　铜,30 A/m2 (c)　铜,0 A/m2图3　有无交流电干扰下土壤含水量对Q235钢和铜极化曲线的影响Fig. 3　Effect of soil moisture content on potentiodynamic polarization curves of Q235 steel and Cu with and without AC interference

图4　在交流电干扰及不同土壤含水量条件下Q235钢与铜的腐蚀电流密度Fig. 4　Corrosion current density of Q235 steel and Cu in different soil moisture contents with AC interference

2.2腐蚀形貌

在不同含水量的土壤中，经交流电作用7 d后，Q235钢与纯铜去除腐蚀产物前后的SEM形貌，如图5～8所示。

由图5～8可见，在交流电干扰下，在土壤含水量较低时，未去除腐蚀产物试样的表面附着有比较致密的土壤颗粒；去除腐蚀产物后，在土壤未达到饱和含水量时，Q235钢与铜表面均发生腐蚀，且随着土壤含水量增加，腐蚀均逐渐加重，其表面点蚀坑密度和深度则均逐渐减小。

另外，在土壤含水量较低时， Q235钢与铜表面发生了较严重点蚀，甚至在Q235钢表面出现了小点蚀坑连接形成的大点蚀坑，大点蚀坑里又出现小而深的点蚀坑。这说明土壤含水量较低时，土壤在试样表面粘成小颗粒，使试样表面难以形成均匀的液膜，氧含量分布不均匀，在氧含量分布较多的部位，腐蚀速率较快，容易形成点蚀坑。而在土壤含水量达到饱和时，Q235钢与铜均发生了严重的腐蚀，其中Q235钢表面点蚀坑相互连接形成大的点蚀坑，其坑里又出现许多小点蚀坑。铜表面则密集分布着小点蚀坑，蚀孔连接成片。这说明在土壤含水量达到饱和时，虽然氧含量较低，但试样相当于处在液体环境中，试样表面形成均匀液膜，氧含量分布也比较均匀，在交流电作用下容易使金属发生点蚀[8]。

(a)　15%　　　　　　　　　(b)　20%　　　　　　　　(c)　25%　　　　　　　(d)　30%图5　在交流电干扰及不同土壤含水量条件下Q235钢去除腐蚀产物前的SEM形貌Fig. 5　SEM morphology of Q235 steel before removing corrosion product in different soil moisture contents with AC interference

(a)　15%　　　　　　　　　(b)　20%　　　　　　　　(c)　25%　　　　　　　(d)　30%图6　在交流电干扰及不同土壤含水量条件下Q235钢去除腐蚀产物后的SEM形貌Fig. 6　SEM morphology of Q235 steel after removing corrosion product in different soil moisture contents with AC interference

(a)　15%　　　　　　　　(b)　20%　　　　　　　　(c)　25%　　　　　　　(d)　30%图7　在交流电干扰及不同土壤含水量条件下铜去除腐蚀产物前的SEM形貌Fig. 7　SEM morphology of Cu before removing corrosion product in different soil moisture contents with AC interference

(a)　15%　　　　　　　　(b)　20%　　　　　　　　(c)　25%　　　　　　　　(d)　30%图8　在交流电干扰及不同土壤含水量条件下铜去除腐蚀产物后的SEM形貌Fig. 8　SEM morphology of Cu after removing corrosion product in different soil moisture contents with AC interference

3　结论

(1) 交流电干扰对Q235钢与铜的腐蚀起到明显促进作用，对铜影响更大，因为交流电破坏了铜表面的氧化膜，使铜更易发生腐蚀。

(2) 土壤含水量与交流电对Q235钢在北京土壤中腐蚀的影响有明显的交互作用，对铜的影响则无明显交互作用。交流电主要影响材料阳极反应过程，土壤含水量主要影响材料阴极反应过程。

(3) 土壤含水量未达到饱和时，Q235钢与铜表面均发生腐蚀，且随着土壤含水量增加，腐蚀均逐渐加重，其表面点蚀坑密度和深度均逐渐减小。当土壤含水量达到饱和时，Q235钢与铜均又出现严重点蚀坑。

[1]孙旭,王琦. 变电站接地网优化设计[J]. 广东电力,1999,12(3)：16-18.

[2]ZHU Min,DU Cui-wei,LI Xiao-gang,et al. Effect of AC current density on stress corrosion cracking behavior of X80 pipeline steel in high pH carbonate/bicarbonate solution[J]. Electrochemical Acta,2014,117(20)：351-359.

[3]LIU Zhi-yong,CUI Zhong-yu,LI Xiao-gang,et al. Mechanistic aspect of stress corrosion cracking of X80 pipeline steel under non-stable cathodic polarization[J]. Electrochemistry Communications,2014,48：127-129.

[4]LIU Z Y,DU C W,WANG F M,et al. Stress corrosion cracking of welded API X70 pipeline steel in simulated underground water[J]. Journal of Materials Engineering and Performance,2013,27(11)：2550-2556.

[5]LIU Zhi-yong,CUI Zhong-yu,LIi Xiao-gang,et al. Understand the occurrence of pitting corrosion of pipeline carbon steel under cathodic polarization[J]. Electrochemical Acta,2012,60(15)：259-263.

[6]LIU Z Y,LI X G,CHENG Y F,et al. Mechanistic aspect of near-neutral pH stress corrosion cracking of pipelines under cathodic polarization[J]. Corrosion Science,2012,55：54-60.

[7]ZHU Min,DU Cui-wei,LI Xiao-gang,et al. Effect of AC current density on stress corrosion cracking behavior of X80 pipeline steel in high pH carbonate/bicarbonate solution[J]. Electrochemical Acta,2014,117(20)：351-359.

[8]KUANG D,CHENG Y F. Understand the AC induced pitting corrosion on pipelines in both high pH and neutral pH carbonate/bicarbonate solutions[J]. Corrosion Science,2014,85：304-310.

[9]WANG L W,WANG X H,CUI Z Y,et al. Effect of alternating voltage on corrosion of X80 and X100 steel in a chloride containing solution-investigated by AC voltammetry technique[J]. Corrosion Science，2014，86:213-222.

[10]王森,骆鸿. 电力系统接地用镀锌扁钢腐蚀分析与研究[J]. 材料结构,2011,29(30)：37-42.

[11]MOHAMMED A A,SAYED S A E,ESSAM E F E S. AC and DC studies of the pitting corrosion of Al in perchlorate solutions[J]. Electrochemical Acta,2006,51(22)：4754-4764.

[12]朱敏,杜翠薇,李晓刚,等. Cu在北京土壤环境中的腐蚀行为[J]. 中国腐蚀与防护学报,2014，33(4)：306-310.

[13]朱敏,杜翠薇,李晓刚,等. Q235钢在北京土壤环境中的腐蚀行为[J]. 中国腐蚀与防护学报,2013,33(3):199-204.

[14]余建飞,陈心河,李善风,等. Q235钢在湖北变电站土壤中的腐蚀行为研究[J]. 全面腐蚀控制,2011,25(10)：39-45.

[15]朱敏,刘智勇,杜翠薇,等. 交流电对X80钢在酸性土壤环境中腐蚀行为的影响[J]. 材料工程,2015,43(2)：85-90.

[16]曹楚南. 腐蚀电化学原理[M]. 北京：化学工业出版社，2003：117-143.[17]马珂,曹备,陈杉檬. 含水率对Q235钢土壤腐蚀行为的影响[J]. 腐蚀与防护,2014,35(9)：922-924.

[18]LI J,SU H,CHAI F,et al. Simulated corrosion test of Q235 steel in diatomite soil[J]. Journal of Iron and Steel Research,2015,22(4)：352-360.

Short-term Corrosion Behavior of Q235 Steel and Cu with AC Interference in Beijing Soil with Different Soil Moisture Contents

SU Geng1, DING De1, LI Cai-yu2, DU Cui-wei2, LIU Zhi-yong2, YANG Xiao-jia2

(1. State Grid Shaanxi Electric Power Research Institute, Xi′an 710100, China;2. Corrosion and Protection Center, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

The corrosion behavior of Q235 steel and Cu was studied by polarization curve and buried sample experiment in Beijing soil with different soil moisture contents for a short time. Results indicate that alternating current played an obvious role in promoting the corrosion of Q235 steel and Cu, especially for Cu. Obvious interaction was observed between the influence of alternating current and soil moisture on Q235 steel, while the effect of those on Cu was slight. In fact, alternating current had primary effect on the anodic process and soil moisture content mainly influenced the cathodic process. When the soil moisture content was unsaturated, corrosion was found on the surface of both Q235 steel and Cu, and aggravated with the increase of soil moisture content, whereas the density and depth of pitting gradually decreased. However, severe pitting appeared on the surface of Q235 and Cu when the soil moisture was saturated.

alternating current (AC); soil moisture content; corrosion current density; pitting

10.11973/fsyfh-201608001

2015-11-20

国家自然科学基金重点项目(51131001)； 国家自然科学基金(51471034; 51371036)

杜翠薇(1972-),教授,博士,从事金属腐蚀与防护研究,dcw@ustb.edu.cn

TG172

A

1005-748X(2016)08-0613-05