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接地网的腐蚀分析与防腐技术

发布时间:2020-07-02 浏览次数:4980次

接地网的腐蚀分析与防腐技术

李素芳 、陈宗璋 、彭敏放 、俞东江
    【摘要】分析了接地体在土壤中的腐蚀机理、影响因素及常用降阻剂对腐蚀的影响。简要介绍了两种预测土壤腐蚀速率的方法和接地网防腐技术。
    【关键词】接地体;土壤;腐蚀;降阻剂
    【中图分类号】TG172.4
    【文献标识码】A
    【文章编号】1008-6218(2003)02-0009—04
    接地网是电网安全运行的重要装置,据广东、广西、湖北、天津、江苏、安徽、四川等地调查,一般接地网10年腐烂,快的3~4年已腐烂,使电网的安全运行受到潜在的威胁。因此,研究并了解接地电网的腐蚀规律对保证电力生产的安全经济运行意义重大。
    本文围绕接地电网的腐蚀原理、影响因素、预测方法以及相应的防腐措施进行交流,希望有助于接地网的维护和改造。
 
    1 接地网在土壤中的腐蚀机理
    目前接地网大多采用扁钢、角钢或钢管,因而接地网的腐蚀实际上就是金属铁在土壤中的腐蚀。金属在土壤中的腐蚀按机理的不同分为下列几种:
    1.1 化学腐蚀
    化学腐蚀属于自然腐蚀的范畴,是接地体和周围环境里接触到的介质直接进行化学反应而引起的一种自发腐蚀,如铁氧化生成氧化铁2Fe+ =2FeO 或 4Fe+3 =2 。
 
    1.2 电化学腐蚀
    土壤是由固态、液态和气态三种物质构成的复杂混合物。土壤胶体带有电荷,并吸附一定数量的阴离子,当土壤中存在少量水分时,土壤水即成为一种电解质溶液,土壤中的部分氧气溶解在水中,与接地体构成一个氧化还原电池:
    阳极(接地网):Fe-2e=  ,
    阴极: +2 +4e=4  (中碱性土壤),
    2 +2e=     (酸性土壤),
    阳极(接地体)逐渐失去电子,变成铁锈,从而引起了接地网的腐蚀。
    位于电气化铁路附近的接地体还存在着由杂散电流引起的电化学腐蚀,电流流出端为阳极,被腐蚀。
 
    1.3 微生物腐蚀
    如果土壤中严重缺氧,接地网就难以进行上述电化学腐蚀,但土壤中存在各种细菌,如硫酸盐还原菌(SRB)、铁细菌等,这些细菌依靠腐蚀反应所释放的能量进行繁殖,其中引起铁腐蚀的主要是前者,其腐蚀反应为:      4Fe+ +2 0=FeS+3Fe ,腐蚀的结果是使接地体的局部被损坏,造成孔腐蚀。
这三种腐蚀中电化学腐蚀最严重。
 
    2  土壤是影响接地网腐蚀的主要因素
    接地网在土壤中腐蚀的影响因素很多,如土壤的类型、含水量、容量、电阻率、总空隙度、空气容量氧化还原电位、各种阴阳离子、总盐含量、pH值、有机质含量等,下面分析土壤对接地体腐蚀的影响。
    2.1 土壤的透气性
    颗粒大的沙土持水性差,较为松散,透气性好氧气浓度高,氧气通过土壤颗粒间较大的空隙直接扩散到接地网的表面,接地体的自然电位较正;而颗粒较小的黏土由于表面积大、分布性好,黏土中的空隙小,氧气的含量较低,氧气在其中扩散也较慢,金属的自然电位较负。因此在一般条件下,沙土中的接地体腐蚀的阴极极化反应较黏土中充分,自然腐蚀速度比黏土中的大。
    由此可知,土壤的不均匀性将引起接地体的宏观腐蚀,如接地体穿越不同松紧的土壤时,土壤紧的区域缺氧,形成阳极,接地体较土壤松的区域腐蚀严重;另外埋深不同,也引起接地体的宏电池腐蚀,埋深处含氧量少为阳极,比埋浅处腐蚀严重。
    对于接地体,腐蚀微电池和宏电池同时存在,但宏电池引起的腐蚀危害性更大。
    2.2 土壤的电阻率
    土壤的电阻率是表征土壤多种性质的综合指标,它与土壤的含水量、pH值、各种无机离子的种类和数量等有关。对腐蚀的影响可分为下列二种情况:在中性和碱性土壤中,一般土壤电阻率越低,金属腐蚀速度越大。因为各种土壤的含盐量有相对稳定的范围,土壤电阻率随含水量的增大而减少,在一个相当大的范围内,土壤含水量增大,氧的溶解量和扩散速率增大,金属离子化速度增大,金属在土壤中的腐蚀速度增大,当含水量太大(中性:大于65%WHC,碱性:大于25%WHC),水填充了土壤的空隙,使氧扩散困难,金属的腐蚀反而减慢;但如果土壤中含盐量太高(如海滨地区),反而影响氧在此电解质中的溶解和扩散,腐蚀速度随电阻率的减少而增大。在酸性土壤中,无论含盐量大还是小,接地网的腐蚀速率都随土壤电阻率的增大而增大。
    2.3 土壤的酸碱性
    大部分土壤提取液的pH值为6~7.5,呈中性,也有pH值为7.5~9.5的盐碱土及pH值为3~6的酸性土。一般认为,pH值低的土壤的腐蚀性较大,但当土壤中含有大量的有机酸时,虽然pH值接近中性,但其腐蚀性很强。因此衡量土壤的腐蚀性不能只看pH值,最好同时测量土壤的总酸度,并综合金属的腐蚀电位。有人发现圈:在酸性和中性土壤中,腐蚀电位介于0~400 mV腐蚀轻微,在高盐碱性土壤中,腐蚀电位介于-200~600mV之间腐蚀严重。凭土壤的酸碱性来评判接地网的腐蚀速率。
    2.4 土壤的含盐量
    土壤中含有各种盐,在土壤水中电解为阴、阳离子,大部分的离子并不直接参与电化学反应,这部分盐称局外电解质或支持电解质,它们主要影响电阻率的大小,对金属的腐蚀起间接的电迁移促进作用。但土壤中的氯离子( )和硫酸根离子( )却能引起接地体金属的严重孔蚀,它们首先吸附在金属的某些点上,然后对金属膜发生破坏,在膜受到破坏的地方,成为电偶的阳极,而其余未被破坏的地方则成为阴极,于是就形成了钝化~活化电池,由于阳极面积比阴极面积小,阳极电流密度大,很快就被腐蚀成为小孔,同时,腐蚀电流流向小孔周围的阴极,又使这一部分受到阴极保护,继续维持在钝态。溶液中的氯离子随着电流的流通向小孔里面迁移,这样使得小孔内形成了金属氯化物的浓溶液,同时氯化物水解,小孔内的酸度增加,使小孔进一步腐蚀。实验发现闭,碳钢在碱性土壤中的腐蚀失重率与氯离子和硫酸根离子之和近似成正比关系。
    目前我们使用的很多化学降阻剂为了减少接地体的接地电阻,加入了大量的氯化钠等盐,这无疑增大了接地电网的腐蚀。
    2.5 土壤中的细菌
    土壤中接地体的腐蚀大部分是由于氧极化引起的,但当土壤中不含氧时,有时也存在腐蚀现象,这就是厌氧性细菌引起的腐蚀。这种细菌本身并不对金属直接作用,而是维持生命活动的结果:一方面为电化学腐蚀创造条件,另一方面又对电化学腐蚀产生影响。它们在中性土壤中很容易繁殖,附着在金属的表面,形成孔蚀。
    影响接地电网的腐蚀因素还有很多,包括:低温的变化,周围植被和污染的情况,地理环境和土壤的性质等。所以研究接地电网的腐蚀情况需综合分析。
 
    3   降阻剂对接地网的腐蚀影响
    发电厂、变电所及高压输电线路接地装置都要求接地电阻符合规定的阻值,由于在高土壤电阻地区,接地电阻无法满足要求,通常采用降阻剂来进行降阻。施工时,先挖开接地坑,将接地体放在坑中央,然后灌人降阻剂,待降阻剂凝固后回填土,这样,接地体被降阻剂包裹,因降阻剂的电阻率比土壤降低了2个数量级以上,使接地体的接地电阻大大下降,达到了降阻和散流的作用。目前的降阻剂有两种,即化学降阻剂和物理降阻剂。国内目前使用较多的是化学降阻剂。化学降阻剂主要是以碱性金属构成的电解质为导电物,其导电机理类似于土壤即只有水参与时,电解质才能电离出带电的离子而成为导电主体。但实践发现,使用某些降阻剂后,腐蚀的现象反而更严重,如:四川某接地工程用了某种化学降阻剂后运行不久遭雷击,造成了大面积停电;1993年川东油汽站也发生了类似的事故;1997年燕化公司牛口峪原油储运站35 kV变电站采用某长效化学降阻剂,也发现接地极埋入仅2年的时间已严重腐蚀,究其原因,分析认为:
    (1)降阻剂中 等阴离子的影响: 能破坏金属的钝化膜,造成点腐蚀。
    (2)降阻剂中的含盐量为25%~64%,比土壤中的含盐量(2%~5%)大得多,影响了氧的溶解和扩散,金属的腐蚀速率随电阻率的减小而增大。
    (3)某些降阻剂呈酸性,阴极反应除了氧的去极化外,还伴随着氢的去极化使阴极电流增大,加大了金属的腐蚀。
    以上缺陷为化学降阻剂本身的组成和性质决定,要改善,只有从改良降阻剂本身的配方着手,或采用物理降阻剂。因为物理降阻剂中主要成分为石墨碳粉末和凝胶体,所用阴阳离子份量少,pH值也呈中性,可以克服化学降阻剂的上述缺陷。但从研究碳钢在电导性煤层中的腐蚀行为来看,在中性环境中,电导性煤中的碳和钢之间会发生电偶腐蚀,腐蚀过程是腐蚀坑的形成和扩展,控制腐蚀速度的是电子的交换而不是氧的迁移和还原极化的过程,氧化产物为 、 和 。可以推想,接地极在物理降阻剂中也存在腐蚀的可能性,只是其腐蚀速度较化学降阻剂慢而已。物理降阻剂作为一种新的产品,目前还缺乏这方面的相关报道。
    无论是物理降阻剂或化学降阻剂,若存在如下的施工不当,都会引起接地极的宏电池腐蚀:a.因为降阻剂在施工过程中要分次加水调试均匀,待粘稠时再浇灌入坑。若分批次的降阻剂加水调试不同或同批次的加水搅拌不匀,使包裹在接地体周围的凝胶体密度不一致,造成接地极的氧浓度差宏电池腐蚀;b.在施工过程,土壤疏松导致降阻剂沉降不匀,或没等降阻剂完全凝固就回填土壤,造成降阻剂凝胶体出现裂缝或厚薄不一,也会在裂缝处出现腐蚀。为了降阻效果可靠,应注意施工方法,确保施工质量。
 
    4  接地网腐蚀的预测分析方法
 
    电力设施投入的费用很高,在进行工程设计和施工之前预测电网在土壤中的腐蚀速率,及时采取相应的防蚀措施非常重要。而土壤是一个非均质、多相、多孔的复杂体系,要准确地得到接地体在土壤中的腐蚀速率需经过大量的、长期的埋片实验,这无疑从时间上和精度上都难以达到。目前有研究者利用金属在短期的有代表性的数据,建立相应的数学模型,较好的预测了几年甚至更长时间的接地体金属腐蚀状况,这些预测分析方法有人工神经网络法、灰色动态模型法以及其他的模式识别法等。
    人工神经网络法是利用神经网络及反向传播模型,通过神经网络的学习特征和高度的非线性特征,以土壤的理化性质、腐蚀时间以及金属在土壤中一定的腐蚀数据作为网络训练样本,从而预测一定时间的金属腐蚀速率。神经网络模型一般为三层,即输入层、中间隐层和输出层组成,其中影响土壤腐蚀的重要理化因素作为网络输入,土壤的平均腐蚀速度或最大点蚀深度作为网络输出,再将输入、输出样本的几组数据以同一方式在0~1之间归一化,按照设定的网络,采取BP算法对网络进行训练,利用训练好的网络,根据已知土壤的理化性质,预测金属在土壤中的腐蚀速率和最大点蚀深度值。因为影响土壤腐蚀的因素很多,需尽量选用一些重要的影响因素,尽量减少预测误差。
    不同的土壤,影响因素也不相同,重要的影响因素的选取可采取灰关联分析。灰关联分析法是灰色预测中一种数据处理的方法,通过收集土壤的理化性质 和一定时间内的平均腐蚀速率或局部点蚀深度 ,通过均值化处理,得到各子因素(影响因素) 和母因素(平均腐蚀速率或局部点蚀深度) 序列,计算出各因素的关联系数 ,最后计算出灰关联度 , 越大表示影响腐蚀的程度越深。腐蚀因素的准确选定为神经网络预测腐蚀速率奠定了基础。
    灰色动态模型预测金属在土壤中的腐蚀速率是把土壤当作一个灰色系统,通过选择金属的失重量或腐蚀速率作为特征数据,建立灰色动态GM预测模型,其微分方程为: ,其中a、b为待定参数。灰色动态模型可用时间序列或非时间序列建模,通过编写计算机程序进行运算,可预测一定时间后的腐蚀速率,其预测值与实测值的相对误差一般在10%之内。
    除了神经网络和灰色动态模型预测金属在土壤中的腐蚀外,还有其他的一些模式识别建模方法。掌握腐蚀预测模型,预测接地体在土壤中的腐蚀速率,及时采取防腐措施,可减少安全事故的发生,避免不必要的损失。
 
    5  接地网的防腐措施
 
    接地网的腐蚀实际上就是金属材料在土壤中的腐蚀,其腐蚀损坏离不开金属材料和环境(土壤)以及它们之间的界面反应,因此,接地网的防护可从三大方面入手:
    5.1 采用耐蚀材料作为接地电极
    接地网一般是由棒形和带形接地体联合组成的闭合体,垂直埋设的接地装置用圆钢、角钢、钢管,水平埋设的用扁钢、圆钢等,为减少腐蚀,有时用铜代替钢,国外曾试用不锈钢作为接地电极,但都不能很好的改善接地极的腐蚀,而且投资大。近年来,逐渐采用非金属接地体,防腐效果明显改善。非金属接地体材料有许多种,其中人造石墨电极以易加工、价格低而得到推广使用。人造石墨电极由石油焦和沥青两种材料按一定比例烧制而成,导电性好,电阻率一般在 ,化学稳定性好,使用寿命长,其腐蚀速率比钢小30倍。但石墨易脆,安装时须小心。
    5.2 设置非金属保护层,改善腐蚀环境
    为了降低接地电阻和减少接地体的腐蚀,通常在接地体和土壤之间注入保护层,最常用的是降阻剂。因为化学降阻剂防腐效果不理想,通常采用物理降阻剂,一方面物理降阻剂呈中性,改善了与接地体接触的介质的酸碱性,又隔离了土壤的盐等介质,同时降阻剂中起凝聚作用的胶体使接地体周围的氧含量下降,这些都有利于接地体的防腐;同时它还含有缓蚀剂,无机缓蚀剂使接地体的表面生成一层钝化膜,有机缓蚀剂吸附在金属的表面定向排列,把腐蚀介质与金属表面分隔开,起到保护金属的作用。
除了采用物理降阻剂外,也可直接用焦炭和石墨粉作为保护层。实践证明,将钢电极放入有焦炭粉末层和无焦炭粉末层的同样土壤内,有焦炭粉末层的腐蚀速率仅为无焦炭粉末层的1/10。
    5.3 涂层和电化学保护
    这种方法主要是以改善相界面性质,以达到缓蚀与防腐的目的。它包括接地体的表面涂覆和阴极保护。
    接地体的保护层分金属和非金属两种,如铁件上镀锌,但镀锌层很快被腐蚀掉,所以目前多用非金属涂层,如聚苯胺导电防腐涂料、环氧系导电防腐涂料、聚氨酯系导电防腐涂料等。防腐涂料一方面用于钢接地体与土壤或降阻剂之间作为中介物质,以其物相(涂料的附着力强、黏度大)可以加强两者间的接触效果;另一方面对两者起到隔离作用,更有利于抑制电化学腐蚀。通常情况下涂料用量为接地网材料总量的2%~3%,能使接地体的寿命延长l倍。
    接地体的电化学保护主要是采用牺牲阳极法,积极的保护以阴极形式存在的地网,使被保护接地体的任意点的对地电位在-0.85~1.25V (相对于铜/饱和硫酸铜参比电极)之间,牺牲阳极的材料常用Zn-0.5%AI-0.1%Cd,Mg-6%Al~3%Zn-0.2%Mn等。
    通常将保护涂层和阴极保护并用,可以达到更好的防护效果。阴极保护电流分布均匀与否是保护质量好坏的关键,因此阳极的布局必须满足保护件各处都达到完全保护的电位。
    接地网是电网安全运行的重要装置,因此要尽量做到设计前了解土壤的性质,预测接地体的腐蚀速率,及时调整防腐措施,并在运行后定期检测地网的腐蚀状况,以确保电网的安全运行。
 
 
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