工频入地电流对碳钢接地材料的腐蚀行为研究

2016-12-19 10:42刘金源刘靖波
中国锰业 2016年5期
关键词:碳钢工频电流密度

刘金源,刘靖波,张 鸥

(国家电网 辽宁分公司,辽宁 沈阳 110000)



工频入地电流对碳钢接地材料的腐蚀行为研究

刘金源,刘靖波,张 鸥

(国家电网 辽宁分公司,辽宁 沈阳 110000)

通过腐蚀调查,发现电力系统中接地网材料受到工频入地电流的干扰,造成接地网局部腐蚀严重。在实验室利用浸泡试验及电化学交流阻抗技术研究了这种工频交流干扰对碳钢材料的腐蚀行为和腐蚀机理。结果表明:工频电流对电极过程中的中间产物产生影响,进而增加碳钢材料的腐蚀速度。

腐蚀;工频入地电流;电化学交流阻抗

0 前 言

接地极及接地网是电力发电、输变电系统重要的组成部分。主要作用是泄流、均压和保障电气设备及人员安全。目前接地材料主要为镀锌钢、铜等金属。特别是镀锌钢以其低廉的价格、成熟的工艺成为我国电力系统主要的接地材料。镀锌钢直接埋设在土壤中,主要受到土壤、地下水的电化学腐蚀。近些年现场调查的结果表明[1-4],由于电力输变电系统存在三相负载不均、电气感应、短路电流等,接地网有时会承受一定强度的工频入地电流的影响。当这种入地电流强度较大或土壤电阻率较高的时候,工频入地电流对金属材料的腐蚀就不可忽视,甚至成为接地材料的主要腐蚀威胁。目前电力系统中这种工频入地电流对金属材料的腐蚀行为及腐蚀机理的研究较少[5-6],对电力接地的设计、维护产生了一定的困扰。本文利用电化学测量技术对碳钢材料在工频入地电流作用下的腐蚀行为及腐蚀机理进行了研究。力求探讨工频入地电流对金属材料腐蚀的作用机制及影响规律,填补电力接地设计及维护上这方面的空白,并提供设计支持。

1 试验部分

试验材料为接地材料常用的20号碳钢。浸泡试片为碳钢板线切割加工成50 mm×25 mm×3 mm的方形试样,试样中上部钻直径为3 mm的孔,并在右上部打号。试样经水砂纸逐级打磨至1 200号,然后用丙酮清洗试样并吹干,放入干燥器中备用。电化学测试用试样为碳钢板线切割加工成10 mm×10 mm×3 mm的试样,试样一侧焊接铜导线,除油清洗后,将试样用环氧树脂密封磨平,露出1 cm2的工作电极面。电极工作面用水砂纸逐级打磨至1 200号,然后用丙酮清洗试样表面并吹干,放入干燥器内备用。试验介质为模拟土壤溶液,溶液成分为(重量百分比):0.02% NaHCO3,0.03% NaCl,0.04% Na2SO4。试验装置为开口的PVC箱,其中浸泡试验箱箱体尺寸为500 mm×400 mm×400 mm。电化学测试试验箱箱体尺寸为300 mm×300 mm×300 mm。试验用工频干扰电源为功率5 kW的交流调压器,工频干扰电流过流电极采用石墨电极板,尺寸为250 mm×150 mm×10 mm,大尺寸的工频过流电极可以保证交流电流的分布均匀性,且过流电极表面电化学反应不影响试验介质成分及状态。

浸泡试验用试样试验前称重,精度为0.1 mg。称重后试样用螺杆固定铜导线,并用石蜡进行封边处理,螺杆及导线接头均完全密封。密封后测量试样曝露面积,并记录。试验后去除石蜡,使用ASTM G1-03(2011)标准中规定的清洗液进行腐蚀后试样清洗,并用丙酮清洗、吹干,最后测量试样腐蚀后重量,计算腐蚀失重。根据试片的失重计算试样的腐蚀速度。

图1为浸泡试验模拟装置示意,图2为交流干扰下电化学测试装置示意。

图1 浸泡试验模拟装置示意

图2 工频干扰下电化学测试装置示意

腐蚀试样通过交流调压器的工频电压获得干扰电流,每个试样上的电流用高功率线圈电阻调节,试样上的工频电流值可以通过每个电阻上的交流电压计算。试验周期为168 h。试验前取5个平行空白试样,在不施加工频电流且其他试验参数完全相同的条件下,进行空白试验,测量空白试验腐蚀速率。

电化学测试采用美国EG&G公司的273+5 210电化学工作站,交流阻抗测试激励信号幅值为5 mV,测试频率为0.01~10 kHz。测试用辅助电极为铂电极,参比电极为饱和甘汞电极(SCE)。测量后的交流阻抗数据采用zview软件进行分析。对碳钢试样进行交流阻抗测试时由于工频交流电流的干扰,交流阻抗谱的测试不能直接测量试样的交流电流密度,这里我们通过工频交流电流在试样上产生的交流电位来代表试样上受到工频交流电流干扰的强度。

2 结果与讨论

图3为碳钢试样在施加不同工频电流密度时,由试样的腐蚀失重计算的侵蚀率与工频电流密度之间的关系。这里的腐蚀失重是每个试样的腐蚀失重扣除空白试样在同样条件下的腐蚀失重后计算得到的,代表了单纯由于工频交流电流密度造成的碳钢试样腐蚀程度。

图3 试样侵蚀率与工频电流密度的关系曲线

图3中可以看出,随着试样上工频电流密度的增加,碳钢试样的侵蚀率也随之增大,但这种增加不是线性的。

对侵蚀率与电流密度的对数作图,发现两者存在线性关系,因此采用下式对测量数据进行拟合:

v=ln(a+ki)

其中,a和k都是常数。

对测量的数据进行拟合,拟合参数为:

v=ln(1+0.004 4i)

拟合结果表明:碳钢试样流过的工频交流电流密度可以直接影响碳钢的腐蚀速率。由于这个腐蚀速率已经扣除了试样的自腐蚀速率,因此,上式可以看作工频交流电流对碳钢材料腐蚀速率的作用规律。也可以看出,工频交流电流对碳钢材料腐蚀速率的影响规律与直流电流密度的影响规律不同,其作用机制也不相同。

图4~5为工频交流电流干扰下,试样交流电位从0~0.9V时的交流阻抗谱。这里要指出的是,当存在工频交流干扰时,EIS谱图上会出现明显的50 Hz附近的干扰,在进行数据处理时,要将50 Hz附近的干扰点去除,以保证数据曲线的平滑性,谱图的高频区也是受到干扰较大的区域。测量结果显示,不存在工频交流干扰时,EIS曲线具有一个时间常数,随着干扰强度的增加,阻抗值逐渐降低,且低频区出现另外一个时间常数,这说明交流干扰的存在明显可以降低电极的反应极化电阻。交流干扰的存在也改变了电极界面的反应机理。

根据EIS谱图的特征,采用RS(CPE-Rt)等效电路对EIS阻抗谱第一个时间常数进行拟合。其中,RS代表溶液电阻,CPE为常相位角原件代表电极表面的电容,Rt代表界面反应极化电阻,这也是影响电极腐蚀的主要参数,代表电极界面反应的难易程度。Rt越小,电极腐蚀反应越容易,电极的腐蚀速度也越大。表1为EIS曲线的拟合结果。可以看出,随着干扰的增加,电极表面的反应越容易进行,电极干扰交流电位达到0.9 V时,电极的界面极化电阻降低了10倍。

1 v0.0.z60; 2 v0.1.z60; 3 v0.2.z60; 4 v0.3.z60; 5 v0.4.z60;6 v0.5.z60; 7 v0.6.z60; 8 v0.7.z60; 9 v0.8.z60; 10 v0.9.z60

图5 不同交流电位下试样的EIS

同时,我们也注意到,当存在工频交流干扰时,EIS曲线的低频区又增加了一个时间常数,明显出现了感抗弧。而这种感抗弧通常与电极反应的中间过程有关。电极过程产生的中间产物通常为带电离子,或水合离子,这些中间产物在工频交流电压的作用下,在电极表面会有个弛豫过程,而这种弛豫时间常数要比电极表面双电层的充放电过程大的多。因此中间产物在交流干扰的作用下,容易在电极表面堆积,促进电极界面的电化学反应,从而进一步降低电极界面的反应电阻,使电极腐蚀速度增加。

表1 EIS曲线拟合结果

3 结 语

工频入地电流的流入,使碳钢接地材料的腐蚀速度增加,两者成对数增加的关系;电化学测试研究表明,工频交流电流会对电极反应过程的中间产物产生影响,进而使电极界面电化学反应速度增加。

[1] 李月强,杜翠薇,冯皓,等.接地极的土壤腐蚀[J]. 环境技术, 2010,28(1):15-18.

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A Study on Corrosion Behavior of Carbon Steel Under Power Frequency Current

LIU Jinyuan, LIU Jingbo, ZHANG Ou

(LiaoningBranch,StateGridCorporation,Shenyang,Liaoning110000,China)

It was found that the corrosion rate of grounding grid materials increase with power frequency current in a corrosion survey. The corrosion behavior and mechanism were studied by electrochemical impedance spectra(EIS) in laboratory. Experiments show that the corrosion rate of carbon steel increase because of the impact of power frequency current.

Corrosion; Power frequency current; EIS

2016-10-10

刘金源(1985-),男,辽宁辽阳人,在读硕士研究生,研究方向:通信技经技术,手机:18640257157,E-mail:23176099@qq.com.

TG174

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.05.030

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