接地网腐蚀性评价方法与腐蚀速率预测

陈敬友,陈 超,吴 迪,胡家元,韩 升,司战超

(1. 重庆大学 电气工程学院,重庆 400044； 2. 国网浙江平湖市供电有限公司,平湖 314200；3. 国网浙江省电力有限公司 电力科学研究院,杭州 310014)

随着经济和工业的高速发展，我国对变电站容量的需求不断扩大，进而对接地网安全运行和接地体热稳定性的要求也越来越高。因为受到资源、经济等条件的限制，我国接地网所用材料主要为普通碳钢或者镀锌碳钢[1]。对于运行多年的接地网而言，土壤环境中的电化学腐蚀以及电网设备运行中泄流造成的腐蚀使得接地体截面减小甚至断裂，造成接地性能不良，不能满足热稳定性的要求，电路电流将会烧坏地网，使得变电站内出现高电位差，造成其他主设备发生毁坏，还会危及人身安全，并且由于接地网埋设在地下，翻修改造也十分困难[2]。因此，解决接地网腐蚀问题和评估接地网运行状态已成为变电站和发电厂避免事故发生采取的主要措施，其中接地网腐蚀性评价和腐蚀速率预测是接地网运行状态评估的重要内容之一[3]。

目前金属设备寿命预测研究主要集中在石油管道及桥梁结构等领域，国内外关于接地网寿命预测的研究较少[4]。接地网寿命预测的重点和难点在于其腐蚀速率的确定，然而影响接地网腐蚀速率的因素较多，且多种因素相互作用又导致实际情况更加复杂，因此必须将土壤腐蚀特点和接地网材料性质相互结合，才能更好地评估接地网的剩余寿命。

本工作通过借鉴其他领域寿命预测的研究成果并结合目前国内外对土壤腐蚀性的各种评价指标和评价方法，提出一种专门针对接地网的八指标综合评分法以评估接地网在土壤中的腐蚀状态，在此基础上，将评分分值和腐蚀速率联系起来，初步建立了一套接地网剩余寿命预测模型。经过验证，评分分值和腐蚀速率间具有良好的一致性，通过建立评分与腐蚀速率的函数关系可以实现对接地网腐蚀速率的预测，最终达到对接地网寿命进行评估的目的。

1 接地网的腐蚀机理及影响因素

1.1 腐蚀机理

接地网在土壤中的腐蚀主要有宏电池腐蚀、微电池腐蚀、杂散电流腐蚀和微生物腐蚀等四种形式[5-6]。腐蚀的根本原因都是土壤和碳钢金属的结构、组成和性质的不均匀性导致埋在土壤中的接地网表面不同部位形成了不同的电极电位，通过土壤介质构成回路，形成腐蚀电池。如图1所示，其中电位较低的部位成为阳极区，电位较高的部位成为阴极区，此外，接地网兼有均压和泄流作用，所以还会发生金属的电解腐蚀[7]。因此，接地网腐蚀的本质都是电化学腐蚀，其阳极过程是碳钢接地网溶解并释放电子：

(1)

图1 碳钢在不同土壤中形成的浓差电池Fig. 1 Concentration cell formed by carbon steel in different soils

在中性或碱性土壤中，铁离子与氢氧根离子进一步生成氢氧化亚铁：

(2)

当阳极区有氧气存在时，氢氧化亚铁将被氧化成溶解度更小的氢氧化铁：

(3)

阴极过程主要为氧的去极化作用：

(4)

在含有硫酸盐还原菌(SRB)的土壤中，阴极过程还可能发生硫酸根离子的还原：

(5)

另外，土壤中的CO2-、S2-、HCO3-也可以与阳极区附近的铁离子反应，生成不溶于水的腐蚀产物。因此，接地网腐蚀的最终产物主要为铁的氧化物、氢氧化物以及铁离子与土壤中的阴离子结合生成不溶于水的物质[8]。

1.2 腐蚀影响因素

1.2.1 土壤电阻率

对于宏电池腐蚀，特别是两极相距较远时，土壤作为电解质，其电阻率越小，金属电子越容易丢失，同时电池内部电子迁移速率也会越快，因此土壤电阻率对宏电池腐蚀速率起决定性作用。而对于微电池腐蚀，由于发生概率较小，土壤电阻率在其中的作用几乎可以忽略不计。

1.2.2 土壤含水量

水分是使土壤成为电解质，造成电化学腐蚀的先决条件。由1.1节可知，无论是阳极还是阴极，水都是电化学腐蚀不可缺少的反应物。当土壤中含水量极低时，接地网腐蚀将以化学腐蚀为主，而在中性或碱性土壤中，这种腐蚀要比电化学腐蚀漫长很多。研究表明，当土壤含水量低时，腐蚀速率随着含水量的增加而增加，达到某一含水量时材料腐蚀速率最大，含水量再增加,其腐蚀速率反而下降，这是因为含水量过大会使土壤胶粒膨胀，孔隙变小，降低土壤中的氧气含量，阻碍阴极反应过程[9]。

1.2.3 土壤含氧量

由1.1节可知，氧气作为氧化剂在接地网电化学腐蚀中起着至关重要的作用。土壤氧含量越高则氧气的渗透能力越强，越容易得到更多电子，从而使得金属接地体失去更多电子，加速接地网腐蚀。因此,土壤氧含量的多少可以影响电化学阴阳极反应速率，进而影响接地网腐蚀速率。

1.2.4 土壤pH

当埋地金属的腐蚀取决于微电池腐蚀或距离不长的宏电池腐蚀时，腐蚀速率主要受阴极过程控制[10]。而在pH为6.5～9.0的中性和近中性土壤中，阴极过程主要发生氧的还原反应，氢离子难以得到电子。但当土壤酸度过大，pH较低时，土壤中氢离子氧化性较强，将析出氢气，对金属膜具有较大的破坏作用，一定程度上加速了接地网的腐蚀。

1.2.5 土壤含盐量

土壤中的盐分对金属材料的腐蚀影响较大，一方面参与电化学反应，另一方面影响土壤电阻率。土壤含盐量与电阻率具有明显的负相关性,含盐量越高，则土壤电阻率越低，腐蚀性越强。除此外，土壤中氯离子和硫酸根离子的氧化性较强，对金属材料的钝性具有较大的破坏作用，可加速土壤腐蚀的阳极过程[11]。

1.2.6 杂散电流

杂散电流是存在于土壤介质中的一种大小和方向都不固定的电流。土壤中杂散电流主要为直流杂散电流和交流杂散电流，直流杂散电流对金属的腐蚀同电解原理一致，即阳极为正极，阴极为负极，其作用时间、大小直接影响金属材料的腐蚀速率。对于接地网而言，长时间的直流杂散电流是造成其腐蚀的主要原因之一。

1.2.7 其他因素

除了以上因素外，接地网在土壤中的腐蚀速率还可能受气候条件、环境温度、通风状况、土壤有机质含量、土壤酸度、土壤微生物等因素的影响。而这些因素最终作用结果又会反映在土壤中各种理化性质的变化上。各种因素的相互作用使得接地网在土壤中的腐蚀规律变得更加复杂多样[12]。

2 接地网腐蚀评价及预测

2.1 接地网腐蚀评价

评价钢铁材料在土壤中耐蚀性的方法主要是失重法和最大孔蚀深度法。这两种评价方法不仅客观直接而且能比较准确地反映土壤的腐蚀性，因而被广泛运用，同时也被作为衡量其他评价方法和新的试验手段是否可靠的标准[13]。但两种方法必须通过埋片并等待较长时间后才能得到结果，不仅费时费力，在工作运用中也不方便，更无法实现腐蚀速率的预测。因此，为了实现土壤腐蚀性的预测，减少时间和人力成本，国内外学者提出了许多其他评价方法。

长期以来，研究者习惯于用土壤理化性质来预测其腐蚀性，许多国家在考察土壤腐蚀性时仍在参考某些单项指标，如土壤电阻率、含水量、含盐量等。在某些特定场合，单相指标评价方法十分方便也较为可靠。但由于土壤腐蚀介质本身的特殊性和复杂性，金属材料土壤腐蚀因素不仅种类多，而且各因素间存在着交互作用，实际情况十分复杂，因此单相指标评价土壤腐蚀性具有很大的局限性，且往往容易误判[14]。目前国内外许多研究越来越倾向于多项指标综合评价土壤腐蚀性，其中最具有代表性的是德国的Baeckman综合评分指标和美国的ANSIA21.5土壤腐蚀性评价法[15-19]。前者由于考虑的因素过多，而某些因素测量存在困难，实际运用十分不便，而后者则主要倾向于评价埋地管道耐蚀性。因此，目前国内外尚缺少一套专门针对接地网的专一、有效的评价方法。

本工作参考了国内外的单指标评价方法和Baeckman评分法,在此基础上，基于接地网腐蚀机理和影响因素，提出了一套专门针对接地网的使用范围广、实施难度低的八指标综合评分法，其具体内容见表1，具体规则如下：

表1 接地网腐蚀的八指标综合评分标准Tab. 1 Eight indicators comprehensive scoring standard of grounding grid corrosion

(1) 采取十分制，负值代表对腐蚀有抑制作用，正值代表对腐蚀促进作用;

(2) 评分越高腐蚀越严重;

(3) 权重系数λi满足：

(6)

(4) 最终评分：

(7)

2.2 接地网腐蚀速率预测

基于前文建立的接地网腐蚀八指标综合评分标准，对文献[9]中14个站的土壤腐蚀性进行打分评价，对于无污染、非强酸、强碱或含盐量极高的常规疏松土质，接地网腐蚀主要由电化学反应引起，而土壤电阻率、含水量、含氧率及氧化还原电位是影响反应速率的主要因素。因此权重系数(λ)1～ 8分别取0.2、0.15、0.15、0.1、0.1、0.05、0.05、0.2，最终评价结果如表2所示。

表2 碳钢在全国14个站的腐蚀速率及评分Tab. 2 The corrosion rates and scores of carbon steels in 14 stations nationwide

由图2可见，通过八指标综合评分法得出的评分与实测腐蚀速率有良好的线性关系，这说明综合评分标准具有实用性。因此，可以通过建立评分与腐蚀速率的关系以实现对接地网腐蚀速率的预测，最终达到接地网寿命评估的目的。表2中的数据通过拟合得到评分与腐蚀速率的关系如式(8)所示：

vcorr=0.921Z-0.168 38

(8)

为验证上式的适用性和准确性，选取文献[10]中8个站进行打分评价，并通过式(8)预测其腐蚀速率。

从表3中可以看出，腐蚀速率预测的与实测值的误差为2%～14%，这说明在一定范围内,采用式(8)对接地网的腐蚀速率进行预测是可行的。造成误差主要有以下原因：

(1) 样本容量太少，无法得到更准确的拟合关系。

图2 分值与腐蚀速率的关系Fig. 2 The relationship between scores and corrosion rates

表3 腐蚀速率预测值与实测值的对比结果Tab. 3 Comparison of predicted values and measured values of corrosion rates

(2) 采用评价标准得到的测量结果与评分间的对应关系存在跃迁，测量结果分级还不够细，当测量数值位于两级之间时评分具有误差。

(3) 由于杂散电流大小和方向的不固定性，在实际情况中难以测量，因此评分标准忽略了各区域杂散电流的差异，认为其造成的影响相近。

3 结论

(1) 影响接地网在土壤中腐蚀速率的因素是复杂多样的，只靠单一指标无法实现腐蚀速率的准确预测。

(2) 接地网在土壤中的腐蚀以电化学腐蚀为主，因此电化学参数如土壤电阻率、氧化还原电位等与接地网腐蚀速率间有更为密切的联系。

(3) 八指标综合评分法得出的评分与实测腐蚀速率有良好的线性关系，该评分标准具有一定的使用价值。

(4) 在八指标综合评分法的基础上建立评分与腐蚀速率的关系以实现对接地网腐蚀速率的预测，但存在一定误差且适用范围受样本容量的限制。因此需扩大样本容量，改进评分标准，建立更准确的测量结果与评分关系。