电化学法测试金属材料的耐腐蚀性研究

赵文卓

摘要： 电化学腐蚀比其他类型的腐蚀破坏更为常见，对金属是极其危险的。本文用电化学测试方法方法在实验室进行了金属材料耐蚀性能筛选试验，并在变电站现场进行了小型埋置试验。用电化学测试的方法以变电站的接地网为例对金属材料的耐腐蚀性进行了深入研究研究。

关键词： 电化学腐蚀金属材料电化学测试

电化学腐蚀比其他类型的腐蚀破坏更为常见，对金属是极其危险的。它可能发生在气体环境中，这时湿气凝结在金属表面上(大气腐蚀)；可能发生在土壤中(上坟腐蚀)和溶液中(液体腐蚀)。电化学腐蚀是受电化学反应动力学支配的。其速度可根据法拉第定律测定。电化学腐蚀的一个特殊情况是电腐蚀，即由外电流引起的腐蚀。除去不溶性阳极的破坏以外，电腐蚀还包括有导电液体波过的管道的腐蚀和电解槽壁及地下金属结构在由探露电线来的直流电影响下的溶解(漫沈腐蚀)。这种漫流可能在金属结构的两个部分之间建立电位若，其一部分内某外电源接受电流(别极区域)，另一部分则起阳极作用(阳极区域)，即被破坏的阳极部分，因此电流流入周围的离子导电介质。按照伴随电化学腐蚀的破坏方式，腐蚀分为影响金属全部表面的一股腐蚀和局限于金属表面一定部分的局部腐蚀。在后一种情况下腐蚀可能导致斑点(破蚀)或凹坑(小扎)。此腐蚀可能涉及合金中一种单独金届成分的晶粘(挥发性腐蚀)，可能穿透所有晶粒因而形成一些狭窄的缝隙(横品腐蚀)或者可能集中在晶粗边界上进行(粒间腐蚀成品间腐蚀)。新化学腐蚀的速度和特征主要决定于金属的本性及其环境。按照在一种特殊介质中的腐蚀速度，金属可分为稳定金属和不稳定金属。根据一个给定介质腐蚀金属的速度，可以确定它是腐蚀性的或非腐蚀性的介质。目前已经提出了各种不同的常规标度来估计金属的耐腐蚀性和介质的腐蚀性。

电化学腐蚀与化学腐蚀的区别在于电化学腐蚀是金属表面与离子导电的介质发生电化学作用而产生的腐蚀。其腐蚀历程包括两个相对独立且又同时进行的氧化和还原过程，故反应过程中伴随有电流流过。

化学腐蚀是金属表面与非电解质溶液直接发生纯化学作用而引起的腐蚀。其反应历程的特点是：在一定条件下，非电解质中的氧化剂直接与金属表面的原子作用而形成腐蚀产物。在腐蚀过程中，电子的传递在金属与氧化剂之间直接进行，没有电流产生。

下面我们以变电站的接地网为例来用电化学法测试法研究金属材料的耐腐蚀性。在我国，由于资源、经济等原因，变电站接地网所用的材质主要为普通碳钢。接地网腐蚀通常呈现局部腐蚀形态，发生腐蚀后接地网碳钢材料变脆、起层、松散，甚至发生断裂。无论在盐碱性土壤中还是在一般性土壤中，接地网的碳钢试片腐蚀都是非常严重的，其表面有许多局部腐蚀坑，试片边缘也不完整。

腐蚀是接地体事故扩大的一个主要原因。因为对于运行多年的接地网而言，腐蚀性土壤环境中的电化学腐蚀及电网设备等运行中的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，所以电路电流将会烧坏接地网，使得变电站内出现高电位差，造成其他主设备的毁坏事故，还会危及人身安全。由于接地网埋设在地下，一旦腐蚀严重到使接地网的接地电阻不合格，甚至局部断裂时，对接地网的翻修改造是相当费劲和困难的，费用也是巨大的，因此防止接地网腐蚀，保证接地性能的稳定性，延长接地网的使用寿命，是电力系统安全经济生产所迫切需要解决的课题。

对于接地网防腐蚀的研究，目前国内主要有两条路线。一是研制耐蚀性能优良而且经济性好的导电材料以取代目前普遍使用的碳钢；二是采用电化学保护技术以减缓正在服役的接地网的腐蚀速度，延长使用寿命。

由于接地网土壤腐蚀是一个缓慢过程，因此为了能快速优选出所需的材料，在实验室里进行了电化学测试，试验测试方法包括极化曲线、交流阻抗和动电位扫描。由于变电站接地网要承受雷电流及电网不平衡电流的泄流作用，因此在对材料进行筛选时必须了解材料的耐电解电流腐蚀的性能，在实验室里进行了材料的电解试验。试验所用土壤介质的理化性质分析结果，其自腐蚀电位-688mV。根据德国DIN 50929土壤腐蚀性评价标准评价该土壤为腐蚀性土壤。试验所筛选的材料为2种稀土钢材（CL4和CL5）及3种常见表面处理的合金钢（CL1、CL2和CL3）。为了便于对比，试验还使用了普通碳钢及镀锌钢。根据实验室初步试验的结果，在变电站现场土壤中埋置了一定数量的材料试片，以了解材料在变电站土壤现场中的耐蚀性能。

在实验过程中了进行极化曲线测试、交流阻抗测试和电解测试。从极化曲线测试试验的结果可以看出，在这些土壤介质中，材料CL1、CL2的腐蚀速率较其他材料低，其耐蚀性能较好。而从交流阻抗测试试验结果可以看出，材料CL1、CL2的阻抗值明显高于其他材料，比普通碳钢高出2个数量级。材料CL4、CL5的耐蚀性能与普通碳钢差不多，甚至有时还不如普通碳钢。从电解测试试验结果可以看出，镀锌钢耐电流电解腐蚀性能较差，材料CL1和CL2的耐电流电解腐蚀性能较好，其耐蚀性能比普通碳钢要高得多。电解结束后观察材料表面可以看出，镀锌钢表面的镀层出现了局部剥离现象，而其他材料表面均没有出现这种现象。

为了更好地研究金属材料的耐腐蚀性，还进行了现场埋置试验。不同材料制作的试片在变电站现场土壤中埋置500天后挖出，经过表面处理后测定材料的腐蚀速率，结果可见，材料CL1和CL2的腐蚀速率较碳钢及镀锌钢要小得多。同种材料，当与接地网连接时其腐蚀速率高于接地网不连接时的腐蚀速率，原因是与接地网连接的试片除了要受到土壤自然腐蚀作用外，还要受到变电站接地网泄流时的电流电解腐蚀。在变电站土壤现场埋置试验过程中发现，与接地网连接的镀锌钢材料在不到1年时间其表面镀锌层就已经被电解腐蚀掉，未与接地网连接的镀锌钢材料其表面镀锌层却完好。从现场埋置材料试片测定的腐蚀速率结果也可以看出，镀锌钢用作接地网材料时其耐蚀性能较普通碳钢没有多大提高，因此用镀锌钢材料来延长接地网使用寿命意义不大。

由此我们可以得出以下结论。

（1）在土壤腐蚀性较严重的地区，为了延长接地网使用寿命，在设计时往往考虑采用镀锌钢。其防腐蚀的原理是锌的腐蚀电位较普通碳钢的低，在土壤介质中锌优先被腐蚀掉从而保护了普通碳钢，达到延长碳钢使用寿命的目的。在没有电流作用下，镀锌钢的使用寿命的确较长，在变电站土壤现场埋置试验的结论也是如此。但是作为接地材料，由于其要受到接地电流的作用，镀锌钢表面的镀锌层很快就会被电解掉，因而镀锌钢对延长接地网的使用寿命实际作用不大。

（2）根据实验室电化学测试的结果可知，无论是在土壤浸出液中还是在土壤泥浆中，材料CL2的耐蚀性能都较其他材料的耐蚀性能好，是普通碳钢耐蚀性能的5—7倍。

（3）经试验测试表明，材料CL1和CL2的耐蚀性能较普通碳钢要强得多，这对于延长变电站接地网的使用寿命，确保接地网安全经济运行具有重大意义。同时考虑材料的经济性及来源等因素，推荐用非铜质材料CL2替代普通碳钢用于接地网防腐蚀。

参考文献：

［1］许崇武，胡学文，彭泉光，等．接地网防蚀研究及应用［R］．武汉：武汉水利电力大学，2000．

［2］王光雍，王海江，银耀德，等．自然环境的腐蚀与防护［M］．北京：化学工业出版社，1997．