接地网材料在土壤介质中腐蚀分析

聂新辉 薛庆堂 周仲康

（1. 国家能源集团科学技术研究院有限公司，江苏 南京 210031；2. 国网安徽省电力公司电力科学研究院，安徽 合肥 230601）

0 引言

在自然环境腐蚀中，土壤腐蚀所占的比重较大，由此而造成的经济损失也较为严重[1]。在电站系统内也存在大量的埋地构件，如接地网、管道等。A3钢也叫Q235钢，是目前应用最为广泛的钢种之一，是最常见的电站接地网材料。由土壤腐蚀导致接地网的接地性能下降，对电网以及用电设备带来巨大的直接和潜在损害，因此研究接地网材料在土壤介质中腐蚀行为尤为重要。

土壤是由气、液、固三相构成的复杂系统，因此土壤腐蚀也极为复杂。在接地网腐蚀研究中，多采用现场埋片法计算腐蚀速率，周期较长，重现性差[2]。本文选取了两种不同的土壤，采用电化学手段，研究接地网材料在不同土壤介质中的腐蚀 行为。

1 试验介质

埋地接地网材料腐蚀环境是土壤，除了受接地材料本身影响外，更多的是受土壤理化性质及其他因素的影响。表1是两组土壤主要成分分析结果。

由表1可以看出，（a）两组土壤显示弱碱性；（b）2#土壤中含有较高的阴离子，特别是Cl-含量 较高。

表1 两组土壤主要离子成分

2 腐蚀机理探讨

分析研究极化曲线，是解释金属腐蚀的规律、探讨金属腐蚀机理和解决控制腐蚀途径的基本方法之一。电化学阻抗谱在研究电极界面双电层结构、电极上的各种吸附行为、金属表面钝化膜和电结晶过程等方面较其他技术优越[3,4]，EN是一种原位、无损的金属腐蚀检测技术，能灵敏反映材料腐蚀特别是局部腐蚀过程的变化，因此在实验室腐蚀研究领域和现场腐蚀监测领域均得到了日益广泛的应用。

将风干的土样通过20筛孔（1mm）处理，按水、土1:1比配制水土混合液（本文简称1#、2#介质）。实验材料为A3钢，工作面直径为0.8cm的圆形，背面焊上导线，非工作面用环氧树脂封装。实验前用0～6号砂纸逐级打磨后，再用酒精脱脂，去离子水冲洗。

实验仪器采用美国阿美特克集团公司PARSTAT 4000，极化曲线测试扫描速度为1mV/s，范围±200mV，电化学阻抗谱频率范围为10～0.1Hz，EN试验采样频率为2Hz，时间1024s。测定时采用三电极体系，以铂电极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极。

2.1 极化曲线

图1为A3钢在两组介质中的极化曲线，表2为测试分析结果。

图1 A3钢在两组介质中的极化曲线

由图1可见，两条极化曲线都属于活化极化控制的极化曲线，说明A3钢在两种介质中没有受到明显的氧扩散控制。由表2中可以看出，A3钢在2#介质中，自腐蚀电流较大，为6.560µA/cm2，约等于0.077mm/a，是1#介质三倍左右，也就是说A3钢在此种介质中的腐蚀速度更大。

由表2还可以看出，A3钢1#介质种极化曲线的阳极和阴极塔菲尔常数（ba、bc）之间相差不大，说明A3钢此介质中属于均匀腐蚀。但是在#2介质中阳极和阴极塔菲尔常数相差较大，说明A3钢在此种介质中存在局部腐蚀倾向。原因是2#土壤介质中较高的阴离子，特别是Cl-含量较高，是造成A3钢局部腐蚀的主要原因之一。

表2 极化曲线处理结果

2.2 电化学阻抗谱

图2、图3分比是A3钢在两组介质中的Nyquist图和Bode图。

图2 A3钢在两组介质中Nyquist图

图3 A3钢在两组介质中Bode图

从Nyquist图和Bode图可以看出，A3钢在#1介质中为单容抗弧，对应的Bode图也只有一个时间常数，反应只有一个过程；A3钢在2#介质中有两个容抗弧，对应的Bode图有两个时间常数，反应有两个过程，图4分别是两种情况拟合所用等效电路图，表3为等效电路拟合结果。

图4 Nyquist图两种拟合等效电路图

等效电路中，通常用相位角元件Q来代替电容。等效电路中Rs为溶液电阻，R1为膜层电阻，Rct对应基体金属与溶液两相界面的电荷转移电阻，反映基体金属腐蚀速度，CPE为基体与溶液两相界面的双电层。

从表3可以看出，A3钢在1#介质中短时间内没有钝化膜形成，在2#介质中很快形成钝化膜。主要原因是，2#土壤介质中各种离子含量较高，短时间内易形成钝化膜，但是由于Cl-含量较高，钝化膜很快便被破坏。

表3 等效电路拟合结果

A3钢在1#水、土1:1介质中电荷转移电阻最大，为5798Ω·cm2；在2#介质中电荷转移电阻为3724Ω·cm2，也就是说A3钢在#1介质中腐蚀速度最小，在#2介质中腐蚀速度较大，这与极化曲线结果完全一致。

由此可见，2#土壤中存在较高的Cl-，降低了A3钢的腐蚀阻力，引发了A3钢的局部腐蚀。

2.3 电化学噪声

电化学噪声（Electrochemical Noise，EN）是指由金属材料表面变化而自发产生的电学状态参量（电极电位，外加电流密度等）的随机波动，主要与金属表面状态的局部变化以及局部环境有关，电化学噪声的数据解析分为时域谱分析、频域谱分析、小波分析、分形分析等[5]。实验使用同材料双电极体系，采用零阻电流表（ZRA）方法（原理如图5所示）。

图5 电路原理图

2.3.1 原始噪声数据处理

图6、7分别为在两种介质中的原始电压、电流噪声时域谱。

图6 1#介质中原始噪声谱

图7 #2介质中原始噪声谱

图8、9分别为在1#和2#水、土1:1介质中剔除直流分量后的的电压、电流噪声时域谱。

图8 1介质中剔除直流分量的噪声谱

图9 2#中剔除直流分量的噪声谱

2.3.2 标准偏差与噪声电阻

电流噪声和电位噪声的标准偏差（σV、σI）可以说是研究电化学噪声最常用的特征参量。噪声电阻被定义为电位噪声σV与电流噪声σI的标准偏差比值。

在很多情况下Rn值的大小与腐蚀体系的腐蚀速率成反比，即Rn越大腐蚀速率越小，腐蚀越轻微；而相反地，Rn越小，腐蚀速率越大，腐蚀越严重。

A3钢在土壤环境中以及降阻剂环境中的电位噪声偏差、电流噪声偏差以及噪声电阻如表4所示。

表4 噪声处理数据

从表4中可以看出，A3钢在1#介质中的电流标准偏差仅为0.00558µA·cm-2，在2#介质中的电流标准偏差为0.02006µA·cm-2。A3钢在1#介质中的噪声电阻为9996.4Ω·cm2，在2#介质中的噪声电阻为5183.9Ω·cm2。数据表明A3钢在2#介质中的腐蚀速率明显大于在1#介质中的腐蚀速率，这跟极化曲线的数据是一致的。

2.3.3 电化学噪声频域分析

对于PSD的斜率与腐蚀形态关系，一般是认为斜率越大，表明腐蚀越可能是以局部腐蚀为主，而斜率减小，往往预示着均匀腐蚀或者全面钝化。我们可以根据电位PSD曲线高频段线性斜率的取值，来判断金属的腐蚀状态。

电位噪声时域谱经快速傅立叶变换（FFT），得到了电位功率密度谱图（PSD），并且对其进行拟合，如图10、图11所示。

图10 1#介质中PSD图及拟合图

图11 2#介质中PSD图及拟合图

根据PSD谱图中高频线性段斜率可以看出，A3钢在2#介质中K值大于-20dB/dec，而在1#介质中K值小于-20dB/dec，证明A3钢在2#介质中具有较高的局部腐蚀倾向。这一结果与之前的极化曲线、电化学阻抗谱分析结果相同。

3 结论与建议

通过对A3钢在两种土壤介质中的电化学测试，得出如下结论：

（1）极化曲线测试结果表明，两条极化曲线都属于活化极化控制的极化曲线，说明A3钢在两种介质中没有受到明显的氧扩散控制。2#土壤介质中较高的阴离子，特别是Cl-含量较高，是造成A3钢局部腐蚀的主要原因之一；

（2）电化学阻抗谱测试结果表明，A3钢在1#介质中短时间内没有钝化膜形成，在2#介质中很快形成钝化膜。主要原因是，2#土壤介质中各种离子含量较高，短时间内易形成钝化膜，但是由于Cl-含量较高，钝化膜很快便被破坏；

（3）电化学噪声测试结果表明，A 3钢在1#介质中的噪声电阻为9996.4Ω·cm2，PSD图谱K值为-27.02dB/dec；在2#介质中的噪声电阻为5183.9Ω·cm2，PSD图谱K值为-9.68dB/dec，A3钢在2#介质中具有较高的局部腐蚀倾向。