交流雜散電流對地下金屬設備腐蝕的影響

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(1.石家莊市第一中學,河北 石家莊 050010;2.西安理工大學 材料科學與工程學院,陜西 西安 710048；3.陜西省腐蝕與防護重點實驗室，陜西 西安 710048)

長期以來研究人員認為交流雜散電流對金屬的腐蝕影響較小，認為交流電的正半周期加速金屬腐蝕[1-2]，而負半周期又對金屬起到保護作用。因此，整體上來講，交流雜散電流對金屬腐蝕影響較小。此外，當作用時間相同時，交流雜散電流與直流雜散電流相比[3-4]，僅是正半周期會加速金屬的腐蝕，其加速腐蝕的影響大大減小。甚至有人指出，當極化曲線中陽極極化曲線斜率等于1時，腐蝕的增大量與減小量相等，交流雜散電流對金屬腐蝕不產生影響。這使得交流雜散電流對地下金屬的腐蝕研究相對較少[5]。但在變電站接地網腐蝕的調研中作者發現，交流雜散電流不僅加速了變電站接地網腐蝕，甚至引起接地網的大量斷裂。為了對變電站接地網進行防護，文中模擬了某變電站的實際土壤環境，通過電化學測試，研究了交流雜散電流對Q235鋼的腐蝕行為，為變電站接地網的防腐蝕提供理論依據。

1 試驗材料及方法

1.1 材料的制備

試驗材料為Q235鋼，尺寸為10×25×3mm。用砂紙將試樣逐級打磨至2000#，使試樣表面平整光亮，然后用無水乙醇超聲清洗表面，除去油污等雜質。最后將試樣封裝，暴露面積為5.4 cm2，用酒精擦洗試樣表面，風干，備用。

表1 某變電站土壤理化分析Table 1 Physical and chemical analysis of soil in a substation

1.2 性能測試

1.2.1 腐蝕行為測試

采用圖1所示的電化學測試裝置，通過Ver4.2corrTest系統測試Q235鋼試樣在所模擬的酸性土壤溶液中的極化曲線和電流、電位-時間曲線，研究Q235鋼在交流雜散電流作用下的腐蝕行為。測試體系為三電極體系，測試面積為5.4 cm2，工作電極為試樣，輔助電極為Pt電極，參比電極為飽和甘汞電極。測試過程中，對試樣施加1.2 V、50 Hz交流電，對比試樣不施加交流電。

圖1 電化學測試裝置示意圖Fig.1 Scheme for electrochemical testing

1.2.2 表面形貌測試

采用JSM-6700F掃描電子顯微鏡(SEM)觀察在酸性土壤溶液中經交流電腐蝕7天后的試樣表面形貌。

1.2.3 彎折測試

試驗測試7天后，取出試樣進行彎折試驗。將試樣夾在虎鉗上進行90°彎折，直至試樣斷裂，以彎折的次數進行脆斷評價。

2 試驗結果及分析

2.1 極化曲線分析

圖2 外加1.2V,50 HZ交流電時，Q235鋼的極化曲線Fig.2 The polarization curve of Q235 steel by applying AC current (1.2V,50 Hz)

圖2為Q235在1.2 V、50 Hz交流電作用下測得的極化曲線。由圖2可見，對試樣外加交流電時測得的極化曲線光滑，看不到交流電對極化曲線測試的干擾。在極化曲線的陽極極化區域，即交流雜散電流的正半周期，隨著電位的增大，金屬腐蝕的速度不斷增大，腐蝕電流沿斜率a上升。當電位小于自腐蝕電位時，即交流雜散電流的負半周期，陰極出現了擴散控制的過程，在酸性體系中，這種擴散控制主要為析氫腐蝕，說明Q235鋼表面發生析氫，析氫電位為-0.725 v，電流為10-5A/cm2。在交流電正半周期，電極表面發生的反應是Fe→Fe+2+2e，Q235鋼的腐蝕加劇；在交流電負半周，發生的反應是2H++2e→H2，電極表面有氫氣析出，Q235鋼遭受了析氫腐蝕。由于析氫電位為-0.725 V，而外加的1.2 V交流電可以使負半周的最低電位達到-1.9 V，因此在交流電作用下Q235鋼遭受的析氫腐蝕是很嚴重的。

2.2 電位、電流-時間曲線分析

圖3為電位、電流隨時間變化的曲線。由圖3可見，電極表面的電位、電流隨時間變化出現周期性變化，變化周期為0.02 s，電極表面的正電位最大值為0.8 V(SCE)，負電位最大值為-1.9 V(SCE)，電流最大為14 mA，最小為-14 mA。

以自然腐蝕電位畫一條線，圖3中正線曲線的上半周期是一個周期內外加交流電增大的腐蝕電流部分，下半周期是一個周期內電位低于自腐蝕電位的部分。由于電位低于自腐蝕電位，材料不會發生腐蝕，但自腐蝕電位下降到析氫電位所需的時間基本上可以忽略，因此陰極電位的下半周期基本上處于析氫電位范圍內。在交流電的負半周期，Q235鋼會遭受析氫腐蝕。

圖3 電位、電流-時間曲線、Fig.3 The potential and current curves with time

2.3 性能及腐蝕形貌分析

由極化曲線和電位、電流-時間曲線的分析結果可知，交流雜散電流可使Q235鋼發生氫脆。自然腐蝕的試樣經6次90°彎折試驗后，試樣表面出現裂紋，發生脆斷。交流雜散電流腐蝕的試樣經4次90°彎折試驗后就發生了脆斷。

(a)交流雜散電流的腐蝕；(b)自然腐蝕，×400

圖4 試樣的腐蝕形貌

Fig.4 The corrosion morphology of samples by

采用失重法計算兩種不同腐蝕條件下的試樣的腐蝕速度。自然腐蝕時，試樣的腐蝕速度為0.64 mm/a。在交流雜散電流加速腐蝕下，試樣的腐蝕速度為0.76 mm/a，比自然腐蝕的速率增大了18.8%。

圖4為自然腐蝕和交流雜散電流腐蝕情況下試樣的腐蝕形貌。由圖4(a)可見，交流雜散電流情況下，試樣表面出現了較大的蝕坑，這可能是由于交流雜散電流加速腐蝕，使得晶粒松動，而析氫又使晶粒大塊脫落所致。自然腐蝕表面比較平整(見圖4(b))，表明自然腐蝕程度相對溫和。

3 結論

通過外加1.2V，50Hz的交流電流，在試驗室模擬的某變電站pH值=4的酸性土壤中，測試了交流電對Q235鋼的腐蝕影響。研究表明：在交流電的正半周期，加速了Q235鋼的腐蝕；在交流電的負半周期，Q235鋼接地體未受到陰極保護，而是受到析氫的腐蝕；在加速腐蝕和析氫腐蝕的共同作用下Q235鋼表面出現大塊的腐蝕坑。在模擬條件下測試7天，外加1.2V，50Hz交流電時試樣經4次90°彎折后脆斷；未加交流電時試樣經6次90°彎折才出現裂紋。無交流電干擾時，Q235鋼的腐蝕速度為0.64 mm/a；在交流電干擾下，Q235鋼的腐蝕速度為0.76 mm/a，腐蝕速度增大了18.8%。