基于Tafel-极化曲线法的常用金属接地材料腐蚀行为研究

杜俊贤，胡松江，邢 远，务孔永

(河南四达电力设备股份有限公司，河南 许昌 461500)

1 引 言

输电线路的接地装置对电力系统的安全有至关重要的作用[1]。虽然近几年非金属接地材料不断出现，如石墨基柔性接地材料[2]，但实际应用中，金属接地材料仍占主导地位。最初的金属接地材料主要有热镀锌钢、铜、不锈钢等，由于铜、不锈钢的成本较高，又陆续出现了铜包钢、不锈钢包钢。无论何种金属接地材料，其耐腐蚀性一直是人们关注的焦点。

金属的腐蚀主要是金属在周围介质作用下，由于化学变化、电化学变化或物理溶解而产生的破坏，是包括材料和环境介质在内的一个具有反应作用在内的体系，即：

金属材料+腐蚀介质→腐蚀产物[3]

金属接地材料在各种电解质水溶液、大气和土壤中发生的腐蚀主要是电化学腐蚀，故对这些金属接地材料的电化学腐蚀行为进行研究，对接地材料的选取、抗腐蚀性能的研究具有重要的意义。

线性极化法是一种快速而有效的腐蚀速率测试方法，该方法是以过电位很小时(η<10mV)，过电位与极化电流呈线性关系为理论依据的，可快速测出金属的瞬时腐蚀速率，属于微极化，不会引起金属表面状态的变化及腐蚀控制机理的变化[4]。

2 试 验

2.1 材料

试验共用到5种金属接地材料：热镀锌钢、铜、铜包钢、不锈钢、不锈钢包钢。

热镀锌钢、铜包钢、不锈钢包钢均为φ12mm圆柱体，截取长度40mm，横截面上均焊接上一根2.5mm2的铜导线作为外引接线，依次用蒸馏水、丙酮、酒精清洗烘干后，横截面、焊接点、焊接处导线裸露部分及外层非工作面均用环氧树脂涂覆密封，工作面积为377mm2。热镀锌钢锌层、铜包钢外层铜、不锈钢包钢外层不锈钢的厚度依次为120μm、266μm、684μm。

铜、不锈钢加工成半径为10mm的圆形，背面焊接一根2.5mm2的铜导线作为外引接线，非工作面及导线裸露部分用环氧树脂密封固化后，工作面用800#砂纸打磨光滑，依次用蒸馏水、酒精清洗烘干，工作面积为314mm2。

经X-MET8000Οptimum手持式X射线荧光光谱仪检测，试验用铜、铜包钢外层Cu含量≥99.5%；不锈钢、不锈钢包钢外层主要化学成分见表1。

表1 不锈钢包钢外层、不锈钢主要化学成分

2.2 介质

试验介质选择滨海氯盐土、盐碱土、中性草甸土(东北地区土壤)、酸性红壤土(鹰潭酸性土)以及强酸土模拟液。所用水为蒸馏水，试剂为分析纯，模拟液pH值用氢氧化钠和冰乙酸调节。土壤模拟液成分及酸碱度如表2所示。

表2 土壤模拟液配比

2.3 开路电位和极化曲线测试

本次试验所用电化学工作站为武汉科思特股份有限公司生产的CS310H型，采用标准三电极体系进行测量，参比电极为带鲁金毛细管的饱和甘汞电极(SCE)，示意图如图1所示。

图1 测量示意图

用万用表测试样品焊接点可正常导通后，进行开路电位测量(3000s)，之后采用动电位扫描对样品进行极化曲线测量(OCP稳定后测试)，扫描速率为1mV/s，电压扫描范围为-0.8V～1.8V。每组试验需有平行试样，如有出入，需加大试验次数。

3 结果与讨论

3.1 氯盐土模拟液

图2为5种样品在氯盐土模拟液中的极化曲线图。

图2 氯盐土-极化曲线

由图2可以看出，镀锌钢开路电位明显小于其他4种样品，且其极化曲线出现了小的活化钝化过渡区和钝化区；不锈钢包钢、不锈钢未出现活化钝化过渡区，直接进入钝化区；铜和铜包钢的极化曲线出现了小的双峰。5种样品极化曲线的Tafel拟合结果见表3。

表3 氯盐土-Tafel拟合结果

3.2 盐碱土模拟液

图3为5种样品在盐碱土模拟液中的极化曲线图。

图3 盐碱土-极化曲线

由图3可知，镀锌钢开路电位明显小于其他4种样品，5种样品均出现钝化区，不锈钢包钢、不锈钢钝化区较大，铜与铜包钢只有极小的钝化区。5种样品极化曲线的Tafel拟合结果见表4。

表4 盐碱土-Tafel拟合结果

3.3 草甸土模拟液

图4为5种样品在草甸土模拟液中的极化曲线图。

图4 草甸土-极化曲线

由图4可知，镀锌钢开路电位明显小于其他4种样品，镀锌钢、铜、铜包钢钝化区较小，不锈钢、不锈钢包钢出现大的钝化区，且不锈钢包钢出现了明显单峰，即出现了活化钝化过渡区。5种样品极化曲线的Tafel拟合结果见表5。

表5 草甸土-Tafel拟合结果

3.4 红壤土模拟液

图5是5种样品在红壤土模拟液中的极化曲线图。

图5 红壤土-极化曲线

由图5可知，镀锌钢的开路电位明显小于其他4种样品，且其极化曲线出现了单峰；不锈钢、不锈钢包钢出现了较大的钝化区，且都有小峰出现；铜和铜包钢未出现钝化信号。5种样品极化曲线的Tafel拟合结果见表6。

表6 红壤土-Tafel拟合结果

3.5 强酸土模拟液

图6为5种样品在强酸土模拟液中的极化曲线图。

图6 强酸土-极化曲线

由图6可知，镀锌钢开路电位明显小于其他4种样品，其极化曲线未出现钝化信号；不锈钢、不锈钢包钢有较大极化区，且都有小峰出现；铜包钢、铜均未出现钝化信号。5种样品极化曲线的Tafel拟合结果见表7。

表7 强酸土-Tafel拟合结果

4 试验结果分析

图7为5种样品在5种土壤模拟液中的腐蚀电流密度图。

图7 腐蚀电流密度

由图7可得，无论何种土壤模拟液，镀锌钢的腐蚀电流密度均是最大的，也就是说，在这5种土壤模拟液中，镀锌钢的耐蚀性是最差的；铜和铜包钢的腐蚀电流密度因土壤模拟液的类型不同变化较大，表明这两者的耐腐蚀性受腐蚀介质的影响较为明显；不锈钢和不锈钢包钢在5种土壤模拟液中的腐蚀电流密度变化不大，这两者的耐腐蚀性能比较稳定，结合数值发现，这两者的腐蚀电流密度均小于同种土壤模拟液中镀锌钢、铜和铜包钢的腐蚀电流密度，也就是说，不锈钢和不锈钢包钢的耐腐蚀性优于镀锌钢、铜和铜包钢。

铜和铜包钢在碱性介质中的腐蚀电流密度稍大于酸性介质，表明铜和铜包钢在酸性介质中的耐腐蚀性要优于碱性介质。

不锈钢包钢外层不锈钢化学成分与不锈钢基本一致，两者在5种土壤模拟液中的极化曲线具有很高的重合性，两者的腐蚀电流密度基本一致，故在不锈钢包钢的外层未点蚀穿透之前，其耐腐蚀性与不锈钢极为接近。由不锈钢和不锈钢包钢的极化曲线可以看出，无论何种土壤模拟液，两者均有大的钝化区，化学成分中的Cr元素与O结合生成Cr2O3钝化膜，提高了不锈钢在氧化性介质中的耐蚀性，Ni元素则改变了钢的晶体结构，形成奥氏体晶体结构，提高了不锈钢在氧化性和非氧化性介质中的耐蚀性。

5 结 论

(1)无论在哪种土壤模拟液中，热镀锌钢耐腐蚀性均是最差的；

(2)铜和铜包钢材料的耐酸性腐蚀性能优于耐碱性腐蚀性能；

(3)不锈钢和不锈钢包钢在5种土壤模拟液中表现出良好的耐腐蚀性，且两者的耐蚀性比较稳定；

(4)从成本、耐腐蚀性方面考虑，不锈钢包钢作为金属接地材料的优势还是很明显的。