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接地降阻剂用量对输电杆塔接地电阻影响试验报告
发布时间：2020-07-02 浏览次数：2446次
接地降阻剂用量对输电杆塔接地电阻影响试验报告
接地降阻剂在变电所及输电线路的接地网上已应有多年，并取得了良好的接地降阻效果。但是该型接地降阻剂开发初期使用的线路，例如湖北省咸宁和十堰供电局所属的若干基输电铁塔接地网在四年运行后经开挖发现，接地网钢材出现锈蚀和接地电阻升高的现象。为分析此现象的原因，并进一步采用相应的改进措施，我们进行了专门的试验研究，现综述如下：
一、腐蚀原因的分析及有关的试验结果
1、裸钢试片和包覆接地降阻剂钢试片的埋地腐蚀试验
在恶劣的土壤条件下（土壤电阻率＜0.1Ω·m，土壤处于潮湿状态），将裸钢试片（4×16×49 mm）和包覆接地降阻剂钢试片埋于地下（埋入深度约0.6 m，埋入时间724小时），所得结果如表1所示。两种钢试片的锈蚀情况可由照片1和2看出（照片见后面的彩页）。
表1 裸钢试片和包覆接地降阻剂钢试片的埋地腐蚀试验
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编 号
|
裸 钢 试 片
|
包 覆 降 阻 剂 钢 试 片
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||
|
g/m2·hr
|
mm/a
|
g/m2·hr
|
mm/a
|
|
|
1
|
0.997
|
1.120
|
0.0017
|
0.0019
|
|
2
|
0.775
|
0.848
|
0.0017
|
0.0019
|
|
平均
|
0.876
|
0.984
|
0.0017
|
0.0019
|
由上述结果可清楚地看出，该接地降阻剂对包覆在其内的钢材具有良好的防蚀性能。
2、钢试片和包覆接地降阻剂钢试片埋入土壤中的电化学特性
接地网钢材在土壤中的腐蚀属电化学腐蚀，因而测量钢试片在土壤中电极电位随时间的变化值可判断钢材在土壤中是处在活化（锈蚀）或钝化（防蚀）状态。测量是用铜／硫酸铜参比电极和万用表进行的。当土壤中钢试片的自然腐蚀电位向正值方向（即向负值减小的方向）变化时，说明钢试片正在发生钝化过程；相反，当钢试片的自然腐蚀电位向负值方向（即向更负的方向）变化时，即说明土壤中的钢试片是处在活化状态，即正在发生锈蚀过程。裸钢试片和包覆接地降阻剂的钢试片在土壤中的电位随自然腐蚀时间的变化情况如表2所示。由表2可看出，接地降阻剂对埋入其中的钢试片有自然钝化作用。
表2 裸钢试片和包覆接地降阻剂钢试片在土壤中的电极电位变化
|
测量时间
|
包覆降阻剂钢试片电位（mV）
|
裸钢试片电位（mV）
|
|
99.04.26
|
-206.4
|
-609.5
|
|
99.04.30
|
-203.5
|
-632.1
|
|
99.05.04
|
-199.6
|
-636.8
|
|
99.05.07
|
-192.8
|
-640.0
|
|
99.05.10
|
-155.1
|
-643.4
|
|
99.05.15
|
-144.6
|
-645.4
|
|
99.05.18
|
-137.2
|
-651.0
|
|
99.05.20
|
-129.7
|
-658.8
|
|
99.05.23
|
-100.1
|
-661.0
|
|
99.05.27
|
—
|
-661.3
|
3、CC系列接地降阻剂属导电型无机硅酸盐类材料（又称导电混凝土），其某些物理化学和电化学特性，例如水浸出液的pH值、加水硬化特性、钢的自然钝化特性等都与钢筋混凝土中钢筋的腐蚀特性相近似，因此可用研究混凝土内钢筋的腐蚀方法来研究包覆CC系列接地降阻剂的钢材腐蚀情况。图1是包覆CC导电混凝土接地降阻剂的钢试片上有不同宽度的裂缝时的钢电位随时间的变化。由该图可看出，当导电混凝土上没有裂纹时，钢在其中有自然钝化作用，不仅电位值较正，而且随时间的延长而向正值变化（曲线1）。随着裂缝宽度的增大，电位值更负（曲线7）。而裸钢（即未包覆导电混凝土）的电位达到-600mV（曲线1）。按照钢筋电位和腐蚀性判断标准（表3），可知裸钢埋在土壤内必然会受到腐蚀。在没有裂缝的导电混凝土内通常由于自然钝化作用而不易受腐蚀；若导电混凝土留有缝隙，就会造成其内部钢材的腐蚀，裂缝愈宽，腐蚀愈严重。裂缝宽度与钢材上腐蚀坑的平均深度如图2所示。可以看出，混凝土裂缝愈宽，钢筋上腐蚀孔的平均深度愈深，亦即腐蚀愈严重。
表3 混凝土钢筋电位和腐蚀性
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项 目
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Ⅰ
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Ⅱ
|
Ⅲ
|
来源
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混凝土钢筋电位，mV
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高于-200
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-200～-300
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低于-300
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美国ASTM876-77
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判 别
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90%不腐蚀
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不确定
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90%腐蚀
|
|
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混凝土钢筋电位，mV
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0～-300
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-300～-400
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-400～-700
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苏州水泥制品研究院
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判 别
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不腐蚀
|
不确定
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腐蚀
|
4、腐蚀原因分析
（1） CC系列接地降阻剂又称导电混凝土，具有混凝土的某些理化特性，其水浸出液pH＞12，同时该接地降阻剂还含有一定量的缓蚀剂。包覆在接地降阻剂内的接地网钢材，在高碱性环境下将发生自然钝化作用。因此，就一般地质环境来说，其腐蚀速度是很低的（如表1所示），不足以对接地网构成威胁。
（2） 根据图1和图2试验结果可得出结论，由于包覆接地降阻剂时施工不良造成接地体周边的接地降阻剂出现裂缝或蜂窝，会对接地体的腐蚀产生重要影响。照片3和4是施工良好的接地降阻剂（接地体钢材的腐蚀速度为0.0019 mm/a）和施工不良的接地降阻剂（已发现接地体钢材有锈蚀）的剖开情况（照片见后面的彩页）。可以看出，在包覆接地降阻剂的施工过程中若加水比例过少或在包覆过程中对接地降阻剂振捣不均，陡有可能留下裂缝或蜂窝的隐患，从而造成接地体钢材的腐蚀。由于铁锈的电阻率高于纯铁的电阻率，所以一旦接地体发生锈蚀，必然会引起接地电阻的升高。
（3） 使用接地降阻剂发生腐蚀的另一原因，是一些单位为节省费用而减少接地降阻剂的用量，造成包覆接地降阻剂的厚度不够，使得较薄处或根本没有包裹处的接地体处在土壤介质中，由于介质不同而引起电化学的不均匀性，造成电化学腐蚀电池。这种腐蚀情况也会发生在有的施工单位利用电缆沟内预埋扁钢作接地连线（易形成电化学腐蚀电池）。
（4） 使用接地降阻剂发生腐蚀的第三个原因，是接地引下线的腐蚀。在地网包覆接地降阻剂的同时，往往接地引下线并未采取任何防腐措施，致使在接地引下线入地与主地网连接的这一段导体发生腐蚀（见后面彩页照片5）。包覆接地降阻剂的主地网圆钢表面形成暗灰色钝化膜如照片6所示，该钝化膜扫描电镜检测如照片7所示（见后面彩页）。
按照通常的防腐原则，为了防止上述两种情况的发生，必须将未包接地降阻剂的地网或接地引下线（包括电缆沟预留扁钢）外表面做绝缘处理。我们的经验表明，采用水泥砂浆包覆裸露的这段钢导体是有效的（水泥砂浆和接地降阻剂之间不得留有缝隙，具体操作方法详见接地降阻剂施工说明书）。
（5）腐蚀过程机理
埋于土壤中的钢接地体上发生的腐蚀属于电化学腐蚀，电化学腐蚀是由于腐蚀电池进行电化学反应的结果。在包覆接地降阻剂的接地体上，裂缝和蜂窝的存在使得空气中的氧气和土壤中的水分很容易通过这些缝隙到达钢体表面，而接地降阻剂紧密的部分则水分和氧气难达到钢体表面。在这种情况下，钢体的富氧部分是腐蚀电池的阳极，而缺氧部分则是腐蚀电池的阴极。阳极发生腐蚀，产生Fe2O3或FeOOH腐蚀产物。这些腐蚀产物比金属铁的体积大，会进一步造成已固化降阻剂的崩裂，而使阳极区的面积进一步扩大，从而使钢体的腐蚀更大的扩展。
二、接地降阻剂与阴极保护的配合使用
1、 由于接地降阻剂是导电型无机硅酸盐粉末物质，具有一定的粒度，所以，即使在包覆工艺最佳的条件下，也不能使接地网钢体与土壤等外界环境完全隔离，因此钢体仍有一定的腐蚀速度，尽管其数值可能很微小。若遇到土壤环境较恶劣（盐碱地或海边附近氯离子含量较高的地方）或存在杂散电流及接地钢体存在较大内应力，以及接地降阻剂包裹不良存在裂缝和蜂窝的情况下，都有可能引起接地网钢体的腐蚀。此种情况与钢筋混凝土中钢筋的腐蚀情况是相似的，在这种情况下，将接地降阻剂与阴极保护配合使用是防止接地网钢体腐蚀的有效方法。在混凝土钢筋的防蚀实践中已证明，阴极保护具有防止电化学腐蚀，杂散电流腐蚀，应力腐蚀的功效。
在国内外的一些著作中已多次提到阴极保护在电力系统接地装置防腐保护中的应用，例如《电力系统接地技术》一书（解广润编著），《电力工程电气设计手册，电气一次部分》（水利电力部西北电力设计院编），"按腐蚀条件选择钢接地装置截面"《电站》（俄）1978.No.7，"电力系统的腐蚀控制"《Electric Machines and Power System》（英）1999，以及"变电所地网技术的发展综述"《中国电力》1997. No.7。我国核工业标准《EJ451-88三十万千瓦压水堆核电厂地下金属构筑物区域阴极保护设计规范》已将接地网的阴极保护纳入该设计规范。
2、阴极保护的基本原理
在一般情况下，接地网钢体的腐蚀系金属在土壤中进行的电化学腐蚀，腐蚀电池内的阳极电流来自于铁的溶解（腐蚀），即Fe=Fe2++2 e，其电流密度可根据铁的腐蚀量计算出来。
式中： ——阳极（即金属的自腐蚀）电流密度，A/m2
——按失重计算的腐蚀速度，g/m2·hr
——法拉第常数，96500库仑
——金属的原子量，Fe=56
——金属溶解为离子的价数，Fe=2
按表1的数值可分别计算出阳极（腐蚀）电流密度如表4所示。 表4 裸钢试片和包覆接地降阻剂钢试片腐蚀电流密度计算结果
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裸 钢 试 片
|
包 覆 降 阻 剂 钢 试 片
|
||
|
腐蚀速率g/m2·hr
|
腐蚀电流密度mA/m2
|
腐蚀速率g/m2·hr
|
腐蚀电流密度mA/m2
|
|
0.876
|
832.6
|
0.0017
|
1.63
|
应指出的是，依埋地腐蚀环境的不同，钢的腐蚀量可能有较大的差别，则阳极（腐蚀）电流密度也会有较大的不同。例如在另外某变电所进行的裸钢试片埋地试验（埋地234天），所得钢腐蚀速度为0.01916 g/m2·hr，计算得腐蚀电流密度为18.34 m A/m2。为达到防护的目的，向腐蚀电池输入一阴极电流，使其电流密度等于阳极电流密度，从而使腐蚀电池的阴极和阳极达到平衡状态而停止工作，此时金属的腐蚀速度应为最低。
输入阴极电流的方式有两种，即外加电流法和牺牲阳极法。由于牺牲阳极法具有设备简单，费用低和不需专门维护，所以在石油天然气地下管道，钢筋混凝土设施等工程中已获得广泛的应用。
3、接地降阻剂和阴极保护配合使用的初步试验结果
（1）为验证阴极保护效果，在十堰供电局龙胡13＃输电铁塔附近进行了埋地钢试片的牺牲阳极阴极保护模拟试验。试验装置如图3所示，其中扁钢尺寸为25×4，圆钢为 φ8，单片钢试片面积约0.002m2。共进行裸钢试片和包覆102型导电混凝土接地降阻剂钢试片两组试验。牺牲阳极选用武汉环宇防腐公司的ZAC-5型锌铝镉合金牺牲阳极，其规格成分和性能如表5所示。试验装置埋地深度0.5～0.6米，为保证牺牲阳极有良好的输出电流，将牺牲阳极插入填料包内，然后一起埋入地下。填料包配方为石膏75%，膨润土20%，硫酸5%。试验时间共158天。实测牺牲阳极输出电流5.95mA，阳极对地开路电位-1.49V。试验结果如表6所示。
表5 锌铝镉合金牺牲阳极化学成分、性能和规格
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化学元素
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Al
|
Cd
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最大杂质含量，%
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Zn
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|||
|
Fe
|
Cu
|
Pd
|
Si
|
||||
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含 量%
|
0.3～0.6
|
0.05～0.1
|
0.005
|
0.005
|
0.005
|
0.125
|
余 量
|
|
项 目
|
开路电位V(SCE)
|
工作电位V(SCE)
|
理论电容量A.h/kg
|
实际电容量A.h/kg
|
电流效率%
|
||
|
性能参数
|
-1.05～-1.09
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-1.00～-1.05
|
820
|
≥760
|
≥95
|
||
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尺寸（mm）：（40+48）×44×600 重量（kg）：8.5
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|||||||
表6 未加和加阴极保护的钢试样腐蚀速率mm/年
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编 号
|
未加阴极保护裸钢片
|
加阴极保护裸钢片
|
加阴极保护的包降阻剂钢试片
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|
1
|
0.195
|
0.060
|
8.95×10-5
|
|
2
|
0.189
|
0.041
|
6.22×10-4
|
|
3
|
0.182
|
0.040
|
3.11×10-4
|
|
平 均
|
0.187
|
0.047
|
3.41×10-4
|
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外观现象
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试片表面有桔黄色锈层，锈层下有腐蚀坑
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试片表面光亮，但边角有少许腐蚀点
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试片表面光亮
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为说明电流密度对腐蚀速率的影响，曾在省电力试验研究院内的一块湿地（洗车场）按同样的阴极保护试验装置进行埋地腐蚀试验，但是是用蓄电池外加电流取代锌合金牺牲阳极以便控制电流密度。试验时间724小时，试验结果如表7所示。埋地包覆降阻剂钢试片对地电极电位变化如表8所示。埋地裸钢片的阴极保护试验结果如表9所示。
（2）试验结果讨论
（1）由表8和9可看出，加阴极保护的埋地裸钢片，随阴极电流密度的增加，腐蚀速率降低，而且对地电极电位更向负值变化。由于保护电流密度和保护电位未达到要求的数值（蓄电池容量不足），所以钢试片的保护尚未达到满意的程度。钢构筑物所需保护的电流密度和保护电位如表10和表11所示。
（2）由表7可看出，包导电混凝土接地降阻剂的钢试片在施加阴极保护后，不仅腐蚀速率大幅度降低，而且所需的保护电流密度也很小，其原因是导电混凝土使钢试片产生自钝化作用，降低腐蚀速率，从而可使所需的电流密度降低；同时，由于导电混凝土覆盖层使保护电流和电位分布更均匀，因而使钢表面的保护更完整，即使得边角等局部易发生腐蚀的部位也受到了良好的保护。
（3）包覆降阻剂和未包覆接地降阻剂的钢试片施加阴极保护时，经剖开后发现，前者试片表面仍光亮如初，而后者表面上覆盖一层钢灰色氧化保护膜，其原因在于阴极电流将会使氧化保护膜还原，包覆接地降阻剂施加阴极保护的钢试片外观如照片8所示（照片见后面的彩页），未包覆接地降阻剂施加阴极保护的钢试片外观如照片9所示（照片见后面的彩页）。据国外文献（《腐蚀》（美）1970.Vol.26.NO.10 ）介绍，在阴极电流作用下，不仅磁性氧化铁（Fe3O4）可还原为铁，而且作为锈层主要成分的FeOOH也被还原为Fe3O4。
（4）无论是采用导电混凝土接地降阻剂或导电防腐涂料，当土壤介质电阻率较低或浸蚀性离子（例如Cl-及SO4-等）浓度较高，即土壤的浸蚀性较强时，如施工质量不高或接地降阻剂及涂料填料粒度较大，导致在包覆和涂覆的导电涂料有缝隙或孔隙时，将会影响钢体的使用寿命，在这种情况下阴极保护将会防止缝隙或孔隙腐蚀。在缝隙或孔隙内介质欧姆电阻较低的情况下，保护电流可能深入至缝底，将缝隙内的金属极化到免蚀区而得到保护；在缝隙内介质欧姆电阻较高的情况下，保护电流虽难以深入缝底，但阴极保护却可通过氧耗尽机理以及pH上升和钝化机理来抑制缝隙内金属的腐蚀。因此，将导电混凝土或导电防腐涂料与阴极保护结合起来，是比较理想的防腐措施。
表7 不同电流密度阴极保护腐蚀试验结果（mm/年）
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未加阴极保护裸钢片
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包覆接地降阻剂钢试片
|
||
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阴极保护电流密度
Ik=0mA/m2
|
阴极保护电流密度
Ik=0mA/m2
|
阴极保护电流密度
Ik=1.5mA/m2
|
阴极保护电流密度
Ik=2.5mA/m2
|
|
0.984
|
0.0019
|
0.0012
|
0.00065
|
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试片表面有桔黄色锈层，锈层下有腐蚀坑
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试片表面有钢灰色钝化膜
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试片表面光亮
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试片表面光亮
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