4種涂層鋼在變電站土壤中的腐蝕行為研究

徐松，馮兵，何鐵祥

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南 長沙 410007)

4種涂層鋼在變電站土壤中的腐蝕行為研究

徐松，馮兵，何鐵祥

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南 長沙 410007)

采用高速電弧噴涂方法在Q235鋼表面上分別制備純Al涂層、AlSi合金涂層、NiAl合金涂層、316L不銹鋼涂層，通過對涂層鋼在湖南某220 kV變電站中進行埋樣和土壤溶液中的電化學實驗，研究涂層在變電站土壤及其溶液中的耐蝕性能。通過電化學線性極化、動電位極化、交流阻抗試驗，研究涂層在變電站土壤過濾液中的電化學腐蝕行為，并利用掃描電子顯微鏡和X射線電子能譜對埋樣的腐蝕產物進行觀察和分析，結果表明:AlSi涂層具有最好的耐土壤腐蝕性，其次是鎳鋁涂層和不銹鋼涂層，而純鋁涂層長時間埋地容易鼓泡，耐土壤腐蝕性不佳。

合金涂層；土壤腐蝕；電化學腐蝕；高速電弧噴涂

變電站接地網是保障電力設備安全穩定運行的重要設施，一般埋在變電站地面下60～80 cm的土壤中，由于資源、經濟等原因，國內接地網材料主要采用熱浸鍍鋅碳鋼。根據文獻報道，國內電力接地網腐蝕比較嚴重，尤其是潮濕多雨的華南、華中地區，運行3—5年的鍍鋅鋼出現嚴重腐蝕，造成多起設備損壞和停電事故〔1－2〕。因此，接地網防腐一直是電力系統一個重要研究課題，目前，國內外接地網常用的主要防護措施有:銅和銅包鋼；陰極保護；降阻劑；導電涂料〔3〕。這些防護措施各有優缺點，如陰極保護施工簡單，但是后續維護費用大；降阻劑施工難度大且防腐性能發揮依賴特定環境；銅和銅包鋼在普通土壤中非常耐腐蝕，但是價格昂貴，不宜大范圍使用；導電防腐涂料存在老化問題，涂料一旦破裂局部腐蝕非常嚴重。

熱噴涂已經廣泛應用于金屬的防腐，如熱噴鋅、鋅鋁合金，其耐大氣腐蝕優良，主要用于公路、橋梁、戶外構架等防腐〔4－7〕，但是，目前關于熱噴涂合金涂層用于接地網防腐蝕的研究較少，理論上熱噴涂合金涂層兼具防腐、導電性和熱穩定性，是一種潛在的接地網防腐方法，具有良好的應用價值。文中使用高速電弧噴涂方法在Q235鋼表面上制備Al，NiAl，AlSi，316L不銹鋼4種合金涂層，通過對涂層在變電站中進行埋樣和土壤溶液中的電化學實驗，研究了涂層在變電站土壤及其溶液中的耐蝕性能，供接地網的防腐工作參考。

1 實驗

本實驗采DH8－TA－400電弧噴涂設備，實驗中合金絲直徑Φ2 mm，壓縮空氣流量1.8 m3/min。以Q235鋼為基材，表面先用酒精清洗除油凈化，再進行噴砂粗化，隨后進行6個面的噴涂，相同時間下，制備出Al，AlSi，NiAl，316L不銹鋼4種合金涂層。涂層的橫截面如圖1所示，Al涂層較厚，有大量空洞，最大厚度為791 μm，AlSi涂層較致密，最大厚度為653 μm，NiAl涂層較薄，最大厚度為257 μm，316L不銹鋼涂層較致密，最大厚度為378 μm。

涂層橫截面觀察結果如圖1所示。

圖1 4種涂層的橫截面

電化學測量通過Garmy600電化學工作站在室溫下進行，動電位極化和電化學阻抗測量采用三電極體系，輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極 (SCE)，測試溶液為湖南某220 kV變電站土壤過濾液，水土比為3∶1，土壤溶液理化參數見表1，該變電站土壤偏酸性，氯離子和硫酸根離子含量高，腐蝕性較強。涂層試樣的工作面積為10 mm×10 mm，為了對比，同時測試的還有Q235鋼和SPA－H耐候鋼，其成分見表2。動電位極化掃描速率為1 mV/s，電化學阻抗譜測量在開路電位上進行，頻率范圍為0.01～100 kHz，測量信號的幅值為10 mV。用自帶軟件對電化學阻抗數據進行解析擬合。

涂層樣品埋片選在湖南益陽毛家塘220 kV變電站，埋片土壤深度60 cm，與變電站主接地網深度一致，為了對比，同時埋入Q235鋼，埋地樣品尺寸均為50 mm×50 mm×5 mm。樣品埋地180天后取出，一部分樣品按照文獻 〔8〕的方法清洗稱重計算腐蝕速率；另一部分用Quanta400掃描電子顯微鏡進行樣品表面腐蝕形貌和成分分析。

表1 湖南某220 kV變電站土壤溶液理化參數 (水∶土＝3∶1)

表2 Q235鋼和SPA－H耐候鋼的成分 %

2 結果與討論

2.1 電化學測試

1)線性極化測量

表3為線性極化阻抗擬合數據。極化區間為:－20～20 mVocp，掃描速率為0.5 mV/s。根據線性極化阻抗值，AlSi涂層的線性極化阻抗值最大，其耐蝕性最好，其次是NiAl和316不銹鋼涂層，純Al涂層耐蝕性最差，而Q235鋼與SPA－H耐候鋼的耐蝕性相差不大。

表3 線性極化阻抗擬合數據

2)動電位極化曲線測量

圖2為Q235鋼、SPA－H耐候鋼及涂層樣品的動電位極化曲線測量結果。所有電極在測量溶液中的陽極過程均表現為活性溶解特征，無明顯鈍化電位區間，316不銹鋼涂層的鈍化趨勢相對明顯，腐蝕電位最高。與Q235鋼比較，不銹鋼涂層的陽極電流密度最小，其次是 NiAl涂層和 AlSi涂層，SPA－H耐候鋼與Q235鋼相當，而純Al涂層陽極電流密度最大。表4為Q235鋼、SAP－H耐候鋼及涂層樣品的Icorr和Ecorr。Icorr通常與腐蝕速率有對應關系。比較之下，AlSi涂層的 Icorr最小，其次是NiAl和不銹鋼涂層，耐候鋼的 Icorr大于 Q235鋼，純Al涂層的Icorr最大。極化曲線的測量結果基本與線性極化結果一致。說明AlSi涂層、NiAl涂層和不銹鋼涂層具有較好的耐蝕性，而純Al涂層耐蝕性差，耐候鋼與Q235鋼的耐蝕性相當。

圖2 極化曲線測量結果

表4 Q235鋼、SPA－H耐候鋼及涂層樣品的Icorr和Ecorr

3)交流阻抗測量

圖3為Q235鋼、SPA－H耐候鋼及涂層樣品的電化學阻抗譜測量結果。圖3(a)表明，AlSi涂層的低頻容抗弧顯著增大，其次是NiAl和不銹鋼涂層，而純Al的低頻容抗弧明顯小于Q235鋼，耐候鋼基本與Q235鋼一致。圖3(b)給出了阻抗模值與頻率f的關系。f→0時越大，說明電極的耐蝕性越好。顯然，鋁硅涂層的低頻明顯大于其他涂層，耐蝕性最好；其次是鎳鋁涂層和不銹鋼涂層的低頻，均明顯高于Q235鋼。而純鋁涂層和耐候鋼的低頻與Q235鋼相當。圖3(c)表明，各測試樣品的阻抗譜均表現為一個時間常數，涂層樣品的相角略微向低頻方向移動，尤其是不銹鋼涂層。

圖3 電化學阻抗測試結果

根據阻抗譜形狀和經驗選擇等效電路，以圖4中的等效電路圖對阻抗譜進行擬合，其中Rsol是溶液電阻， Cdl是雙電層電容， Rtrans是轉移電阻，Qfilm和Rfilm分別是膜的電容和電阻。圖3中的符號和曲線分別為測量和擬合結果，可見，擬合結果較好。表5為阻抗譜的擬合參數。AlSi涂層具有最高的膜電阻，其次是 NiAl涂層和不銹鋼涂層，為Q235鋼的40倍以上，說明這3種涂層對基體的保護性較好。純Al涂層和SPA－H耐候鋼的膜電阻稍高于Q235鋼。

圖4 擬合的等效電路圖

表5 阻抗譜擬合參數

以上阻抗的測量結果與前面線性極化和動電位極化曲線的測量結果一致，均說明在毛家塘220 kV變電站土壤溶液中，AlSi涂層具有最好的耐腐蝕性，其次是NiAl涂層和不銹鋼涂層，而純Al涂層基本不具備保護性，SPA－H耐候鋼與Q235鋼的耐蝕性基本相當。

表6 Q235鋼、SPA－H耐候鋼及涂層樣品的 Z0.01Ω·cm2

圖5 涂層樣和Q235鋼在湖南某220 kV變電站埋片6個月后的腐蝕形貌圖

2.2 變電站埋片實驗

圖5為4種涂層樣和Q235鋼在湖南益陽毛家塘220 kV變電站埋片180天后的宏觀腐蝕形貌照片。由圖可見:Q235鋼腐蝕嚴重，表面生成大量黃色和黑色腐蝕產物；純Al涂層樣品無明顯銹蝕，但是局部出現鼓泡，說明土壤中的水已經滲透到涂層內部，涂層即將失效；AlSi涂層樣品表面幾乎無腐蝕，涂層保護性能最好；NiAl涂層和不銹鋼涂層樣品表面輕微腐蝕，局部可見黃銹。表7為埋片樣品的腐蝕速率，數據表明4種涂層樣品的腐蝕速率明顯小于Q235鋼，其中AlSi涂層耐蝕性最好，其次是不銹鋼涂層、純Al涂層和NiAl涂層。圖6和表8為埋地樣品SEM形貌圖及對應的EDS分析，如圖6(a)—(e)所示:Q235鋼表面腐蝕產物膜已經破裂，主要成分為鐵的氧化物，其中的Ca，Mg元素為土壤的成分；純Al涂層表面輕微腐蝕，腐蝕產物為Al的氧化物，局部疏松，因此土壤中的水分容易滲透到涂層中與基體Q235鋼接觸，從而在涂層和基體交界處產生鐵銹，體積膨脹最終導致涂層鼓泡，直至破裂失效，失去保護作用；AlSi涂層幾乎無腐蝕，表面主要為噴涂時形成的Al和Si的氧化物，且比較致密和光滑，有效地阻擋了土壤中的水和離子滲透到涂層中，因此AlSi涂層的耐土壤腐蝕性最好；NiAl涂層表面較疏松，表蝕產物中有Fe元素，表明已經開始銹蝕，且腐蝕產物主要為Ni，Al，Fe氧化物，主要是由于涂層表面疏松，土壤中的水及離子容易進入涂層內部；不銹鋼涂層與NiAl涂層類似，涂層疏松，因此也輕微腐蝕，腐蝕產物主要為Ni，Cr，Fe氧化物。

表7 變電站6個月后的埋片樣品的腐蝕速率 g· (dm2a)－1

表8 圖6方框區域EDS分析結果%

3 結論

1)純Al涂層、AlSi涂層、NiAl涂層和316L不銹鋼涂層可以顯著提高Q235鋼的耐蝕性。

2)電化學實驗和變電站埋片結果表明，AlSi涂層具有最好的耐土壤腐蝕性，其次是NiAl涂層和不銹鋼涂層，而純鋁涂層長時間埋地容易鼓泡，耐土壤腐蝕性不佳。

3)AlSi涂層表面形成了致密和光滑的Al，Si氧化物，有效地阻擋了土壤中的水和離子滲透到涂層中，從而顯著提高了涂層的耐土壤腐蝕性，而純Al，NiAl、不銹鋼涂層表面疏松多孔，因而耐腐蝕性較差。

〔1〕何金良，曾嶸.電力系統接地技術 〔M〕.北京:科學出版社，2007.

〔2〕周佩朋，王森，李志忠，等.耐蝕性金屬接地材料研究綜述〔J〕.電力建設，2010，31(8):50-54.

〔3〕陳建生，項昌富，黃顯力.電力接地網用導電防腐涂料 〔J〕.中國電力，1997(11):63-66.

〔4〕潘應君，張恒，黃寧.熱噴涂Zn－15%Al合金的耐蝕性研究〔J〕.腐蝕與防護，2002(12):526-528.

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〔8〕銀耀德.全國土壤腐蝕試驗網站資料選編 (第二集)〔M〕.上海:上海交通大學出版社，1992.

Investigation of corrosion property of four kinds of coating in the transformer substation soil

XU Song，FENG Bin，HE Tiexiang
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

Pure Al coating，AlSi alloy coating，NiAl alloy coating and 316L stainless steel coating were prepared on the Q235 steel by arc spraying technology.The corrosion of the four sprayed alloy coatings in the 220 kV transformer substation soil and soil solution was studied by buried specimens and electrochemical test in Hunan.The corrosion behaviors of the coating steel samples in transformer substation soil solution were investigated by line polarization，potentiodynamic polarization and electrochemical impedance spectroscopy(EIS)tests.The macrography and corrosion products were carried out scanning electron microscopy(SEM)and electron diffraction spectra(EDS).The results show that the best corrosion resistance of the four sprayed alloy coatings was AlSi coating，sequentially in the order of NiAl and stainless steel coating，and the Al coating was easy bouffant in a long time in the underground，so that the corrosion resistance is not good.

alloy coating；soil corrosion；electrochemical corrosion；arc spraying

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.04.009

TM621.8

B

1008-0198(2015)04-0036-05

徐松(1981)，男，湖北孝感人，工程師，博士，主要從事電力系統化學、腐蝕與防護技術等工作。

2015-06-16

國家電網公司總部科技項目 (KG12K16004)；國網湖南省電力公司電力科學研究院科技項目 (5116AA110005)