不同因素對桿塔和接地網腐蝕特性的研究

闞 毅，曹祥薇，毛曉坡

（1.湖北方源東力電力科學研究有限公司，湖北 武漢430077；2.湖北中煙卷煙材料廠，湖北 武漢430050；3.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢430077）

0 引言

工業發展改善了物質水平，同時出現了大量的環境污染，而工業廢氣成為大氣污染物的最大因素，空氣在不斷地流動過程中，使得電網運行環境所受影響越來越大，腐蝕速度加快［1-5］。

因為工業對環境的污染，受自然因素和人為因素的影響，具有復雜多變的特點［6-10］。本文采用加速腐蝕技術，模擬獲得桿塔和接地網處于重工業污染環境下的腐蝕發展情況，包括溫度與濕度的交變、鹽霧、紫外線和多種腐蝕性氣體等條件［11-15］。實驗過程中，使用加速腐蝕技術，提高桿塔與接地網的腐蝕速度，針對桿塔和接地網等建材進行加速腐蝕試驗［16-20］。

1 實驗裝置

選擇的試驗裝置結構包含［21-25］：計算機控制單元、單向閥、開關閥、轉子流量計、質量流量計、電磁閥、不銹鋼氣瓶、特氣體柜和試驗箱構成，結構原理如圖1所示。

選擇SO2、NO2、H2S、NH3、Cl2五類常見腐蝕氣體，其濃度大小為：50～10 000 pphm；腐蝕溶液噴霧系統里溶液類型是NaCl 與（NH4）2SO4，其沉降量為0.5～2 mL/100 cm2·h，鹽溶液濃度為8%～20%；溫度-濕度交變以及定溫定濕試驗中溫度范圍為5 ℃～100 ℃，濕度大小是：15%～90%；紫外選擇UVA或UVB，兩者能夠相互轉換。模擬工業污染大氣環境循環加速腐蝕試驗流程如圖2 所示，試驗完成之后，研究樣品銹蝕情況，首先開始樣品除銹工作，當銹蝕部分和本體分離后，采用刷子把銹蝕部分脫除［26-30］。當把腐蝕部分全部脫去后，把樣品從除銹液里拿出來，依次采用蒸餾水和乙醇清洗，吹風機吹干后，放到干燥器里24 h后稱重。

圖1 試驗裝置結構原理圖Fig.1 Schematic diagram of the test device structure

圖2 模擬工業污染大氣環境循環加速腐蝕試驗流程圖Fig.2 Flow chart of cyclic accelerated corrosion test for simulating industrial polluted atmospheric environment

2 加速腐蝕試驗

實驗中選擇了系統常用的鍍鋅鋼材料，設計材料樣本的直徑是Φ16 mm、長度是5 cm，如圖3 所示。樣品的兩端經由環氧樹脂密封，并且丙酮去油。

圖3 用于加速腐蝕的鍍鋅鋼材料Fig.3 Galvanized steel material for accelerated corrosion

不同實驗條件下，電源接到兩端密封的接地材料試樣上，試驗后取出樣品，除銹、清洗、干燥、稱重得到受到腐蝕的樣品質量。全部結果按照每24 h每平方分米的質量損失，單位是g/dm2·day，計算公式如下。

式（1）中：Vcorr為腐蝕速度（g/dm·day）；Δm為腐蝕失重（g）；Δt為腐蝕時間（h）；A為試樣暴露面積（dm2）。

2.1 含水量對桿塔和接地線腐蝕的影響

實驗條件：電位差保持在DC 10 V，陰陽極面積比是70∶1，溫度是25 ℃，加速腐蝕時間是24 h。采用中性土壤含水量依次是：10%、15%、20%、25%、30%。含水量和腐蝕數據如圖4所示，其關系如圖5所示。通過圖4和圖5可以知道，隨著土壤含水量的提高，樣品的腐蝕速度加快，采用y=ax+b函數進行含水量與電解加速腐蝕速度的擬合，可得指數擬合函數為y=3.156 8x-0.232 4，指數擬合系數R2=0.988 6，因此，材料的腐蝕速度和土壤含水量高度相關。

圖4 不同含水量下的加速腐蝕速度數據Fig.4 Accelerated corrosion rate data under different water content

圖5 含水量與加速腐蝕速度之間的關系Fig.5 The relationship between water content and accelerated corrosion rate

2.2 溫度對桿塔和接地線腐蝕的影響

實驗條件：電位差是DC 10 V，陰陽極面積比是70∶1，土壤含水量是25%，加速腐蝕時間是24 h。溫度依次選擇是：15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃。不同溫度下的加速腐蝕數據如圖6 所示，溫度與加速腐蝕之間的關系如圖7 所示，通過圖6 和圖7 可以知道，隨著實驗溫度的提高，樣品腐蝕的速度越快，指數擬合的決定系數R2=0.986 2，高度相關。

圖6 不同溫度下的加速腐蝕數據Fig.6 Accelerated corrosion data at different temperatures

圖7 溫度與加速腐蝕之間的關系Fig.7 The relationship between temperature and accelerated corrosion

2.3 電位差對桿塔和接地線腐蝕的影響

實驗條件：土壤含水量是25%，陰陽極面積比70∶1，試驗溫度是25 ℃，加速腐蝕時間是24 h。電位差依次是：4 V、6 V、8 V、10 V、12 V。不同陰陽極電位差下的腐蝕數據如圖8 所示，電位差和加速腐蝕之間的關系如圖9 所示，通過圖8 和圖9 可以知道，隨著電位差的增加，加速腐蝕速度隨之線性增加，其線性擬合的決定系數R2=0.973，表明電位差與加速腐蝕速度之間高度線性相關。

圖8 不同電位差下的加速腐蝕數據Fig.8 Accelerated corrosion data under different potential differences

圖9電位差與加速腐蝕之間的關系Fig.9 The relationship between potential difference and accelerated corrosion

2.4 陰陽極面積比對桿塔和接地線腐蝕的影響

實驗條件：電位差是DC 10 V，土壤含水量是25%，溫度是25 ℃，加速腐蝕時間是24 h。陰陽極面積依次是70∶1、90∶1、120∶1、180∶1、360∶1。不同陰陽極面積比下的加速腐蝕數據如圖10所示，陰陽極面積比和加速腐蝕之間的關系如圖11所示，通過圖10和圖11可以知道，隨著陰陽極面積比的增大，加速腐蝕速度隨之呈對數關系增加，采用對數擬合的決定系數R2=0.997 6，高度相關。

圖10 不同陰陽極面積比下的加速腐蝕數據Fig.10 Accelerated corrosion data under different ratio of cathode to anode area

圖11 陰陽極面積比與加速腐蝕之間的關系Fig.11 The relationship between the area ratio of cathode and anode and accelerated corrosion

3 多因素耦合正交綜合試驗

為了分析桿塔和接地網處于多個因素影響下，其腐蝕發展特性，設計了6種土壤條件下，材料的腐蝕速度，如表1所示。

結合不同腐蝕因素，設計了不同加速腐蝕因素及其參數下的實驗，如表2所示。通過正交綜合試驗，在表2中，不同加速腐蝕因素及其參數下，每種土壤總共需要進行16次試驗，試驗結果如圖12所示。

表1 正交試驗采用6種土壤中鍍鋅鋼自然腐蝕速度Table 1 Orthogonal test adopts the natural corrosion rate of galvanized steel in 6 soils

表2 加速腐蝕正交試驗中的因素及水平Table 2 Factors and levels in accelerated corrosion orthogonal test

圖12 加速腐蝕多因素正交試驗結果Fig.12 Accelerated corrosion multi-factor orthogonal test results

通過圖12可知，土壤1、3、4里，影響加速腐蝕速度的因素關系是含水量＞陰陽極面積比＞溫度＞電位差，土壤2 與土壤6 里陰陽極面積比＞含水量＞溫度＞電位差，而土壤5里則為陰陽極面積比＞溫度＞含水量＞電位差。因此加速腐蝕因素和不同腐蝕速度土壤的作用不同，而電位差起的作用最小。

4 結語

本文首先進行了單因素試驗，并結合單因素方差分析，尋找人工加速腐蝕試驗因素中對腐蝕試驗結果影響顯著的因素，接著進行了多因素耦合試驗，本文研究的結論如下：

1）加速腐蝕的單因素試驗結果表明，含水量、陰陽極電位差、陰陽極面積比及試驗溫度對加速腐蝕速度試驗結果的影響有非常顯著的影響，而加速腐蝕時間對加速腐蝕速度影響不顯著。

2）桿塔和接地網處于多個因素影響下，加速腐蝕因素和不同腐蝕速度土壤的作用不同，而電位差起的作用最小。