化工企業接地裝置的腐蝕問題

陸明明

（黑龍江省防雷中心,黑龍江 哈爾濱150030）

1 引言

在對一些化工企業的常規防雷檢測中， 經常會出現接地阻值超標甚至無窮大，通過檢查分析，發現是由接地裝置被腐蝕甚至斷裂造成的。

化工企業接地裝置長期處于陰暗潮濕并且含有各種酸、堿、鹽等化學成分的環境中，運行環境惡劣，極易發生腐蝕[1]。 而由于其屬于隱蔽工程，又無監視裝置，遭受長期腐蝕而不易察覺。 發生腐蝕后，鋼材會變薄、變脆，截面積變小，甚至最終發生斷裂現象。

長期腐蝕縮短接地裝置的使用年限， 引發接地網內部及接地線與接地網連接處的斷裂。 腐蝕產物降低接地性能，增大接地電阻，甚至造成一些設備和防雷設備“失地”，當短路故障或泄放雷電流時，產生反擊，使設備嚴重受損，威脅人身安全[2]。 因此，必須對化工企業的接地裝置采取相關措施進行防腐。

2 腐蝕環境和部位

接地裝置的腐蝕按照環境主要分為三種： 大氣腐蝕；土壤腐蝕；海水腐蝕[3]。

大氣腐蝕是指金屬在空氣中與O2及H2O 接觸發生化學反應而引起的腐蝕； 土壤腐蝕是指接地體在地下與土壤內的物質產生反應，造成局部損壞；海水腐蝕是指海水中鹽類、溶解氣體等有機物質，對敷設在海水里的接地體產生的腐蝕作用。

化工企業的接地裝置主要是前兩種腐蝕問題，接地引下線和各焊接部位主要受大氣腐蝕， 地下水平和垂直接地體部位主要受土壤腐蝕。

3 腐蝕機理

接地裝置的腐蝕機理主要包括化學腐蝕和電化學腐蝕兩類[4]。

3.1 化學腐蝕

化學腐蝕是金屬接地體與非電解質產生化學反應而引發的腐蝕， 反應發生在金屬與介質的接觸面上，腐蝕時不產生電流。 例如鐵暴露在空氣中，會與氧氣接觸產生化學反應:Fe+O2→FeO。

鐵發生氧化反應生成氧化鐵， 這種化學腐蝕主要與周圍環境的溫度、 化學腐蝕物質含量和空氣濕度等有關。 化工企業有大量的化工設備不停地運作，煙囪排出各種廢氣，從而產生局部熱島效應，接地裝置所處的環境溫度較其他地區要高， 空氣中含有更多的化學腐蝕物質，同時濕度也較大，所以化學腐蝕相比更嚴重。

3.2 電化學腐蝕

電化學腐蝕是接地金屬與電解質發生電化學反應而引起的腐蝕， 它的原理是金屬接地體與作為電解質溶液的土壤水構成一個完整的原電池腐蝕系統[4]，即鋼材作為原電池的一極產生氧化反應，而鋼材中含有的導電雜質則作為原電池的另一極， 產生還原反應， 但由于鋼材接觸的電解質溶液的酸性強弱不同，會產生兩種不同的反應情況。

3.2.1 析氫腐蝕

當電解質溶液中H＋濃度較大時，呈弱酸性，有氧化反應發生在負極：Fe→Fe2++2e。 正極上產生還原反應，即：2H++2e→H2↑。 Fe2+與溶液中的OH-結合發生化學反應生成Fe(OH)2，即：Fe2++2OH-→Fe(OH)2↓。而Fe(OH)2將結合水分，并吸收空氣中的O2， 被氧化成Fe(OH)3， 即：4Fe(OH)2+2H2O+O2→4Fe(OH)3。

3.2.2 吸氧腐蝕

當電解質溶液H+濃度較小時，呈弱堿性，溶液中的O2在正極上與電子產生還原反應， 即：2H2O+O2+4e-→OH-，其余化學反應與前文一樣。

電化學腐蝕主要與電解質溶液中的H+和O2的濃度密切相關，濃度越高，其電化學腐蝕速率就越快[5]。

4 影響接地裝置腐蝕的主要因素

4.1 土壤的特性

土壤是擁有固體、液體、氣體三種性質的質體，土壤中的水含有一定量的鹽分或其他的電解質， 因而有離子導電性。 腐蝕可分為濕蝕和干蝕兩種，濕蝕是指液體作用下的腐蝕， 干蝕是在無水分作用下的腐蝕。 濕蝕也分為水溶液下的腐蝕和非水溶液下的腐蝕兩種，由于土壤中有水分，因此接地裝置土壤腐蝕屬于水溶液下的濕蝕。 不同土壤的特性成分狀況千差萬別，因此腐蝕的差別很大，影響其腐蝕速率的因素包括：含水量和含氧量、含鹽量、土壤電阻率、含微生物量、土壤特性的不均勻及雜散電流等，各種因素相互融合共同發揮影響作用[6]。

在北方地區，存在著多年凍土和季節性凍土，而接地極的埋深深度在0.5 m 左右， 處于凍土層中，凍土地區凍結期土壤電阻率可達非凍結期的10倍[7]，北方化工企業的接地裝置除了要承受各種腐蝕因素之外，在季節交替時還要受到凍土的融沉、凍脹所產生的機械應力影響， 故其接地裝置比其他地區更容易發生腐蝕、斷裂。

4.2 大氣環境

大氣腐蝕主要產生在接地引下線、 斷接卡和均壓帶處。 這些部位既有大氣腐蝕的環境，又有土壤腐蝕的環境，引起腐蝕的以電化學腐蝕為主。

接地裝置大氣腐蝕的速率主要決定于空氣中的氧氣、水分、二氧化碳的含量。 而在化工企業，工業污染嚴重廠區空氣中存在大量SO2、NO2、H2S、NH3等氣體，導致大氣腐蝕加強，加快接地體的腐蝕速度。

4.3 施工與安裝的工藝

接地裝置的施工安裝過程以及安裝工藝也是影響其腐蝕的因素，主要表現為：

(1)當接地體埋于較淺土壤時，在含氧率較高的表層土壤，氧化腐蝕更嚴重；

(2)為了圖省事，施工回填土并未采用細土，而是就地取材，采用砂子、碎石甚至建筑垃圾，而接地鋼材在土壤中是延伸鋪設的， 由于其各部位接觸的土質不同，形成宏觀電池，遭受腐蝕；

(3)接地線的連接未采用焊接，而是采取螺栓或壓接管連接，接地處產生縫隙，局部腐蝕；

(4)接地體與接地線各處焊接頭虛焊、假焊，沒有做防腐處理；

(5)接地體采用雜質超標的再生鋼材時，在地下發生的電偶電池腐蝕更嚴重。

5 防腐蝕措施

5.1 陰極保護法

陰極保護法是指通過對被保護的金屬即鋼材接地裝置， 實施外加陰極極化來防止金屬腐蝕的一種方法。 可分為犧牲陽極法和外加電流法兩種，犧牲陽極法較易于實現， 它是利用鎂合金等電位更負的金屬與接地體相連作為陽極來腐蝕犧牲， 作為陰極的接地裝置則得到了保護(圖1)。

圖1 犧牲陽極法的示意圖

如圖1，電子移動明顯比電極反應要快,因而改變陽極表面電荷的初始平衡狀態，導致極化發生。 極化促使陽極的電位偏向正極, 陰極的電位偏向負極,初始電位差變小,腐蝕電流也變小。 這樣就達到減弱腐蝕的目的。

外加電流法是指通過外接電源將接地體與鎂合金等連接，強制接地裝置變成陰極而產生陰極極化，從而降低腐蝕(圖2)。

圖2 外加電流法的示意圖

陰極保護的設計是根據土壤特性、 接地體表面積以及保護電流決定的，鎂陽極、鋅陽極的電化學性能見表1。

采用陰極保護法時， 必須達到接地體的陰極電位≤-850 mV 或者腐蝕的電位負移≥100 mV 的目的，通過接地體的陰極極化電位來減緩導體的腐蝕。接地裝置的最小保護電流是在10-100 mV/m3。 當接地裝置實施陰極保護時整個接地網都無需使用降阻劑， 但在埋設鎂合金犧牲陽極的地方仍需要化學填實包或者碳素回填料，用以降低其陽極的接地電阻。

表1 鎂陽極和鋅陽極的電化學性能

5.2 接地引下線防腐蝕的措施

從接地引下線與接地體的連接點至地上1 m 范圍內最易發生腐蝕，因為此處導體途經兩種介質，其電位差異會產生電化學反應，造成腐蝕。 通常采取的措施是將土壤中與水平接地體連接處至地上與設備連接處的金屬刷瀝青漆或防銹漆。 在接地引下線近地面處最容易銹蝕部位應套上PVC 絕緣套管等進行保護，并定期維護。

5.3 使用性能優良的降阻劑

使用降阻劑是防雷工程中降低接地電阻一項重要措施，然而一些降阻劑也會腐蝕接地裝置，因此應該選用具有穩定的化學性能的高效降阻劑， 它既不腐蝕接地體，還能保護接地體不受其他的腐蝕。 高效降阻劑在土壤中的平均腐蝕率≤0.05 mm/a、pH 值＞7，并能迅速凝固，這樣弱堿性能保護接地電極，降阻劑凝固在接地體四周形成一層保護， 將其他腐蝕物質隔離在外。

5.4 接地裝置的選址與施工工藝

(1)接地體的埋深要夠深，能降低接地電阻，深層土壤含氧量較小，使得腐蝕減輕。

(2)應排除碎石和建筑垃圾，而采用細土進行回填并夯實， 從而增大金屬與土壤的接觸面積以降低接地電阻值，并減少O2的滲入從而減緩腐蝕。

(3)連接工藝方面，應采用焊接，避免栓接和壓接。 焊接工藝首選放熱焊，避免虛焊、假焊現象，焊接長度要符合規范，焊口處應刷防腐漆。

(4)接地體的材料選擇方面，必須選用合格的熱鍍鋅鋼材，避免再生鋼。 垂直接地體宜采用鋼管或角鋼，水平接地體宜采用圓鋼或扁鋼。

(5)接地裝置應敷設在遠離化工企業內污染和腐蝕嚴重的地點， 避不開時采取換土法或施加降阻防腐劑等措施改良土壤特性。 此外，接地導體埋設時，應盡量平直，防止機械力損傷和局部應力集中，以免產生局部腐蝕和機械應力腐蝕。

5.5 加強檢測與管理

在安裝施工過程中， 應關注接地裝置的腐蝕問題，在工程設計、施工驗收過程和運行維護諸方面都要注意接地裝置的防腐蝕，并作具體的規定。

對運行中的接地網要主動邀請具有相關資質的防雷檢測單位進行接地電阻檢測，并開挖檢查，同時還應及時開展接地裝置腐蝕的電化學檢測項目。 在日常運行維護中注意積累數據資料，并做分析研究，為今后接地裝置防腐蝕設計施工提供必要的依據。

6 結束語

化工企業發生接地事故的主要原因在于接地裝置的腐蝕，因此必須足夠重視接地體的防腐蝕問題。接地裝置的腐蝕是由多種原因造成的， 對其防腐問題應從各個方面，包括設計、選材、施工、驗收、運行、維護等各方面嚴格把關， 并因地制宜的采取各項防腐措施，最終使接地裝置壽命得到延長。

[1] 郭欣. 變電站接地裝置的腐蝕原因和防腐措施[J].青海電力,2009,9(3):42-46.

[2] 張新春.張麗.電力系統接地裝置的腐蝕及防腐措施[J].潔凈與空調技術,2011(1): 60-63.

[3] 歐洲華. 變電站接地裝置的腐蝕機理及防腐措施研究[J].中國西部科技,2009, (7): 04-06.

[4] 粟遲.電力系統接地網陰極保護系統的研究[D].華中理工大學碩士學位論文,2008.

[5] 黃中強. 金屬的電化學腐蝕和金屬的電化學保護[J].玉林師專學報,1998.19(3):62-64.

[6] 劉文峰.等.接地裝置的腐蝕成因及防腐措施[J].鋼結構.2006.(1):85-87.

[7] 張麗麗,等．青藏鐵路格拉段防雷接地技術的研究[J]．鐵道學報.2003.25(3):45-48.

[8] 胡士信.陰極保護工程手冊[M].北京:化學工業出版社，1999.