浙江地区变电站土壤腐蚀性调查研究

沈晓明，钱洲亥，祝郦伟，明菊兰，周海飞

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

浙江地区变电站土壤腐蚀性调查研究

沈晓明，钱洲亥，祝郦伟，明菊兰，周海飞

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

为研究浙江省变电站土壤腐蚀特性，实地采集了100个变电站土壤样本，测试了样本的理化性质，并采用土壤腐蚀探针通过电化学技术测试了土壤腐蚀速率，据此绘制了浙江省变电站土壤腐蚀性区域分布图，并分析浙江省土壤pH值、含盐量、氯离子含量、土壤电阻率等理化性质与腐蚀速率间的相关性。

土壤腐蚀；浙江地区；腐蚀速率；理化性质

电力设备接地是发电、变电和输电系统安全运行的重要保障，变电站接地网长期处在地下恶劣的运行环境中，受到土壤的化学、电化学腐蚀，甚至穿孔断裂，严重影响安全。浙江省土壤类型多样，红壤在全省分布面积最大，红壤呈酸性-强酸性反应，且质地较粘重，还有滨海盐土，含盐量较高，可能会造成严重腐蚀。因此研究浙江省变电站土壤腐蚀特性很有必要，能填补江浙地区土壤腐蚀数据空白。

1 腐蚀调查与试验

1.1 试点选择

根据浙江省主要土壤类型的分布、变电站的布局并结合浙江省重工业污染区，在全省范围内共选择100个试验点进行试验。取样首先考虑将浙江省所有500 kV变电站所在区域作为采样点，实现500 kV变电站全覆盖，并兼顾采样点在浙江省行政区域分布的分散性及不同土壤类型。

1.2 试验方法

1.2.1 腐蚀因素测试

现场测定每个试验点的土壤电阻率、容重、含水量、温度、pH值、氧化还原电位，并记录土质、取样位置、测试时的天气情况等其它参数。

取样回实验室进行理化分析和腐蚀速率测试。试验步骤、内容及分析方法均按照全国土壤腐蚀试验方法进行[1]。

1.2.2 腐蚀速率测试

采用失重法测量金属腐蚀率是最可靠的经典方法，但是该方法试验周期长，投入较大，不能即时提供数据。因此采用电化学技术测试所有土壤样本的腐蚀速率，采用CAPCIS Concerto MK2 CIS4K-1进行LPR（线性极化）测量，探针采用碳钢电极。

测试时将探针埋入土壤中稳定0.5 h，打开电化学噪声腐蚀监测系统，实时监测土壤对碳钢工作电极的腐蚀情况，测试完毕后利用电化学噪声数据管理软件实时分析腐蚀电流、腐蚀电位、腐蚀速率等参数。

2 试验结果

2.1 浙江地区腐蚀因素的变化

浙江地区主要的腐蚀因素变化范围见表1。

2.2 浙江地区土壤腐蚀情况

根据测试结果绘制浙江地区土壤腐蚀速率分布图，见图1。

图1 浙江地区土壤腐蚀速率分布

从图1可以看到，浙江省的土壤腐蚀速率大部分在0.026～0.076 mm/a，腐蚀性中等偏弱，位于该腐蚀速率区间的采样点（76个）遍布浙江省各个地区。

图1中：腐蚀速率为0.026～0.050 mm/a的区域，占据浙江省大部分地区，以内陆地区为主，主要为黄壤，含盐量较低，pH值在5.5～7，土壤理化性质较温和，所以腐蚀速率整体不高。腐蚀速率为0.051～0.076 mm/a的区域，分布较分散，主要为西部酸性红壤区，杭州、湖州部分地区，沿海舟山、温州部分地区。腐蚀速率为0.077～0.100 mm/a的区域，主要分布在丽水万象地区及部分工业较发达地区，万象地区土壤pH值很低，低于3.8，土壤属于中强酸性土壤，导致腐蚀速率较高；同样，宁波天一地区，腐蚀速率达到0.098 mm/a，原因是其属于工业较发达地区，排污严重，对土壤腐蚀影响较大，所以腐蚀速率比周围地区大。腐蚀性比较严重的地区主要位于工业比较发达的杭州湾沿海地区、宁波慈溪沿海一带以及沿海滩涂的玉环麦屿变地区，腐蚀速率在0.128～0.250 mm/a，滩涂地区由于受到海水自然冲刷倒灌，盐类大量沉积以及人类生产活动综合影响，导致这些地区含盐量（尤其是Cl-含量）普遍很高，高含盐量会导致腐蚀电流增大，腐蚀反应速率加快，与腐蚀产物发生反应，破坏钝化膜，加速腐蚀，所以这些地区腐蚀速率较大；绍兴地区的土壤腐蚀性分布层次明显，绍兴北部紧靠杭州湾，化工、防治、印染企业较多，环境污染比较严重，这里的土壤腐蚀性较大；而绍兴中南部地区远离海岸线，且多为山区丘陵地带，受到工业的影响也小，该地区的土壤腐蚀性明显较小。

表1 浙江地区腐蚀因素变化范围

3 土壤腐蚀因素与腐蚀性特征相关性

对上述100组土壤理化数据及土壤腐蚀速率数据进行分析，研究土壤腐蚀因素与腐蚀特征的相关性。土壤腐蚀的影响因素多且复杂，凡是影响土壤的物理性能、化学性能、电化学性能及宏观环境的因素均会对土壤腐蚀性产生影响，土壤腐蚀的影响因素主要有：土壤电阻率、温度、含盐量（尤其是阴离子）、含气（氧）量、含水量、pH值。土壤腐蚀性的强弱不但跟土壤类型、土壤盐分含量（特别是腐蚀性极强的氯离子含量）有关，而且取决于土壤电阻率、土壤均一性、金属材料对地电位等[2]。其中土壤电阻率在一般工程中普遍被用作评价土壤腐蚀性的主要指标。以下重点分析浙江省土壤pH值、含盐量、Cl-、电阻率等参数对腐蚀速率的影响。

3.1 土壤的pH值对金属材料土壤腐蚀速率的影响

土壤的pH值对金属材料土壤腐蚀过程有较大影响，在酸性土壤中，H+的去极化作用直接影响腐蚀的阴极过程，同时pH值的变化还可能改变腐蚀产物的溶解度而影响阳极过程。土壤pH值与腐蚀速率关系见图2。

图2 土壤pH值与腐蚀速率关系

如图2所示，当pH值在4～5.5时，随着pH值的减小，H+的去极化作用增强，促进金属土壤腐蚀的阳极溶解过程，腐蚀速度增大，而且pH值越低，腐蚀速度增加越快；当pH值在 5.5～7时，H+浓度很低，对腐蚀速率影响很小，此时腐蚀速率处在一个相对较低的水平。由于浙江省土壤偏酸性，pH值大于7的土壤并不多，当pH值大于7时，腐蚀速率随着pH值增加有上升趋势，说明此时pH值已经不是腐蚀速率变化的主要影响因素。

3.2 土壤含盐量对金属材料土壤腐蚀速率的影响

如图3所示，虽然数据较分散，但是仍然可以看出，腐蚀速率随着含盐量的增加而逐渐增大。这是因为：土壤含盐量对金属材料土壤腐蚀具有双重作用，一方面它对土壤介质的导电过程起作用，土壤含盐量愈高，土壤电阻率愈低，土壤腐蚀性愈强。另一方面它可能直接参与金属材料的土壤腐蚀过程，一般情况下，阳离子对金属土壤腐蚀作用较小，易在金属表面形成不溶性沉积物保护层，阻抑土壤腐蚀的电极过程。阴离子如Cl-及等能与金属离子反应，形成可溶性较松散的腐蚀产物，从而破坏金属表面的保护性氧化膜，加速土壤腐蚀的电极过程。

图3 土壤含盐量与腐蚀速率关系

3.3 土壤氯离子含量对金属材料土壤腐蚀速率的影响

C1-是土壤中腐蚀性影响最大的阴离子，通过其吸附和穿透作用，破坏金属的钝性保护膜或是改变腐蚀产物的溶解性，从而促进腐蚀阳极过程的进行，对局部腐蚀的发生和发展起决定性作用。如图4所示，虽然数据较分散，但是仍然可以看出，土壤腐蚀速率随着Cl-的增加呈现逐渐增大的趋势，而且很少量的Cl-即会对金属腐蚀状态产生较大影响。因为Cl-具有很高的活性和较小的半径，能透过碳钢渗透金属的氧化膜和不溶性产物层，与Fe离子反应生成可溶性腐蚀产物，破坏试样的钝性，促进土壤腐蚀的阳极过程，所以碳钢的腐蚀速率随着Cl-含量的增加而增加。当Cl-含量增加到一定程度时，阻碍了其它阴离子参与电极反应，另一方面也使土壤水分中溶解氧减少，而土壤中碳钢的腐蚀受土壤中溶解氧控制，氧含量的减少使碳钢腐蚀减弱[3]。

图4 土壤氯离子含量与腐蚀速率关系

3.4 土壤电阻率对金属材料土壤腐蚀速率的影响

土壤电阻率是表征土壤导电性能的指标，常将其作为判断土壤腐蚀性的最基本参数。但是影响土壤电阻率的因素较多，主要有：盐的含量和组成、含水量、土壤质地、松紧度、有机质含量、粘土矿物组成和土壤温度等。如图5所示，虽然数据比较分散，但仍能大致判断出土壤腐蚀速率随着电阻率升高而下降。因为电阻率越高，土壤导电性越低，腐蚀电流越小，土壤腐蚀速率就越低。电阻率法是目前应用较广泛的判断土壤腐蚀的方法，方法简便，但是数据可靠性有限。

4 浙江地区接地网腐蚀的现状

在浙江省范围内挑选了部分运行年限相似的变电站进行接地网开挖检测，来验证土壤腐蚀速率分布图的准确性。检测时顺着引下线开挖，挖至水平地网暴露，现场情况如图6所示。

图5 土壤电阻率与腐蚀速率关系

从开挖结果来看，杭州某变电站接地网腐蚀严重，从图6（a）中可看到引下线呈现全面腐蚀的情况，甚至发现某条引下线出现了断裂的情况，引下线出现大量棕红色铁锈，说明镀锌层已被腐蚀，由于镀锌层较薄，在现场土壤介质以及电偶腐蚀的作用下较容易被腐蚀，内层碳钢被腐蚀，出现铁锈。失去了镀锌层的保护，碳钢腐蚀加速。同样，如图6（b）所示，宁波慈溪某变电站腐蚀也较严重，镀锌层已被腐蚀，出现铁锈。上述结果与浙江地区土壤腐蚀速率分布图中腐蚀性比较严重的地区主要位于工业比较发达的杭州湾沿海地区、宁波慈溪沿海一带以及沿海滩涂的玉环麦屿变地区有较好的对应性。

图6 开挖后的接地网情况

如图6（c）所示，衢州某变电站检测结果显示腐蚀也较严重，呈现全面腐蚀，分布图中显示衢州地区腐蚀程度为中等腐蚀程度，检测结果与分布图略有差异。

台州、湖州、嘉兴平湖检测的变电站腐蚀程度较轻，从图6可以看出，镀锌层部分被破坏，锈迹不多，呈现局部腐蚀的情况。这与浙江地区土壤腐蚀速率分布图大部分一致，上述区域土壤腐蚀程度较轻。

上述检测结果与分布图有较好的一致性，但个别站存在差异，分析其原因为：

（1）由于接地网材料本身存在差异导致。

（2）土壤本身的不均匀性导致。土壤由土粒、水、空气所组成，具有复杂的多相结构，土壤与其他腐蚀介质相比，具有多相性、不流动性、不均匀性等诸多特点。

5 结论

（1）在100个土壤样本中，76%土壤的腐蚀速率集中在0.026～0.076 mm/a，腐蚀性中度偏弱，工业较发达的杭州湾地区及沿海滩涂的玉环麦屿变地区的土壤腐蚀性相对严重，达0.128～0.250 mm/a，最低为台州椒江区、舟山昌州变及绍兴崇仁镇等地区，腐蚀速率约0.013 mm/a。

（2）pH值、含盐量、氯离子含量、电阻率都是影响浙江省土壤腐蚀性的重要因素，浙江沿海地区土壤的Cl-含量较内陆高，沿海及嘉兴、绍兴等地的含盐量较高，导致其腐蚀速率较其它地区偏高，分析理化特性与腐蚀情况有较好的对应性。

（3）在浙江省范围内挑选了部分运行年限相似的变电站进行接地网开挖检测，检测结果与分布图有较好的一致性。本次浙江地区土壤腐蚀速率分布图是基于100个样品所得，能大致表征浙江省土壤腐蚀分布，但部分区域可能与实际情况存在差异，后期需不断细化更新分布图力求更加准确。

[1]国家科技委员会.材料土壤腐蚀试验方法[M].北京：科学出版社，1990.

[2]曹楚南.腐蚀电化学[M].北京：化学工业出版社，1994.

[3]伍远辉，罗宿星，张显群，等.氯离子含量对黄壤土中碳钢腐蚀行为的影响[J].全面腐蚀控制，2011，25（5）∶41-44.

[4]曹俊平，刘浩军，董雪松，等.1 000 kV安吉变电站接地网接地特性参数的试验[J].浙江电力，2015，34（1）∶17-19.

[5]魏敏，吴芳芳，田浩.变电站铁塔基础接地网土壤腐蚀性研究[J].浙江电力，2010，29（10）∶24-27.

[6]廖景娱，刘钧泉，孙嘉瑞，等.碳钢在华南酸性土壤中的腐蚀行为研究[J].华南理工大学学报，2001，29（4）∶70-74.

[7]黄涛，陈小平，王向东，等.pH值对Q235钢在模拟土壤中腐蚀行为的影响[J].中国腐蚀与防护学报，2016，36（1）∶31-37.

[8]田玉林.渤海湾地区土壤腐蚀调查研究[J].腐蚀与防护，2000，21（10）∶444-446.

（本文编辑：徐 晗）

表3 某青工挂设耐张转角塔接地线时间统计

因此，使用辅助装置后，作业人员挂设接地线可靠性更高，体现在首次伸出操作杆挂设的成功率大大增加，进而减少了作业人员的操作时间，减轻了劳动强度。高可靠性还体现在外部因素如天气变化（需符合安规允许的天气要求）、人为因素如作业人员的技能纯熟度等对操作的影响较小。

4 结语

对高压输电线路耐张转角塔引流线挂设接地线困难的问题进行了原因分析，为此设计了辅助装设接地线装置，改进了操作杆金属连接头。通过新装置的使用，有效地缩短了耐张转角塔挂设接地线的时间，提高了工作效率，为企业赢得了经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]国家电网公司.架空输电线路运行规程[S].北京：中国电力出版社，2010.

[2]国家电网公司.架空送电线路管理规范[S].北京：中国电力出版社，2006.

[3]高海波.悬挂500 kV线路耐张转角塔地线分析[C]//山东电机工程学会供电专业学术交流会论文集.2007.

[4]洪行军，方玉群，赵俊杰.输电线路新型接地线夹的研制和应用[J].浙江电力，2015，34（6）∶64-67.

[5]朱迪峰.四分裂架空输电线路导线接续管的更换工艺[J].浙江电力，2016，35（6）∶74-76.

[6]顾艳君.一种新型超高压电动短路接地线夹[J].苏州大学学报，2012（2）∶48-51.

[7]王昌幼.可调式多角度接地线夹[J].广西电力，2009，51（3）∶36-37.

[8]吕攀，李盛杰，杨智伟.输电线路接地线的改进和应用[J].科技创新与应用，2016（18）∶171-171.

收稿日期：2016-11-14

作者简介：言大伟（1987），男，工程师、技师，从事输电线路运行检修维护工作。

（本文编辑：陆 莹）

Survey on Soil Corrosion of Substations in Zhejiang

SHEN Xiaoming，QIAN Zhouhai，ZHU Liwei，MING Julan，ZHOU Haifei
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

To investigate soil corrosion characteristics of substations in Zhejiang，more than 100 substation soil samples were collected，and physical and chemical properties of the samples were tested.In addition，the corrosion rate was measured with soil corrosion probe through electrochemical technology.The regional distribution of soil corrosion in Zhejiang is drawn based on the test results；besides，the physical and chemical properties such as pH value，salinity，chloride ion content and soil resistivity in Zhejiang province are analyzed.

soil corrosion；Zhejiang；corrosion rate；physicochemical property

国网浙江省电力公司科技项目（5211DS14005D）

TG172.4

A

1007-1881（2017）02-0053-05

2016-12-05

沈晓明（1985），女，工程师，研究方向为输变电设备腐蚀与防护。