接地材料室內外土壤腐蝕試驗的相關性與評價方法

劉 欣,裴 鋒,田 旭,朱亦晨,劉光明,李財芳,賈蕗路

(1. 國網江西省電力有限公司 電力科學研究院，南昌 330096； 2. 南昌航空大學 材料科學與工程學院，南昌 330063)

輸變電設備的接地裝置是防雷接地、工作接地和保護接地三者的統一體[1]。若變電站的接地裝置發生腐蝕，極易導致電力安全事故的發生，進而威脅人身安全[2-3]。近年來，電力系統不斷向超高壓、大容量和遠距離的方向發展，對電網穩定性和經濟性的要求也日益提高，鋅包鋼、銅包鋼、不銹鋼覆層鋼、鋁鎂合金覆層鋼等一大批新型的接地材料不斷涌現[4-6]。與傳統接地材料(碳鋼、鍍鋅鋼)相比，新型接地材料在土壤中的腐蝕數據積累相對較少，腐蝕測試方法和評價體系尚不完善。

目前，西方發達國家對于接地材料的腐蝕性能已經進行了深入研究，并建立了全面的防護工程標準和相應的法律制度[7]。但我國的土壤腐蝕環境復雜多變，土壤理化性質與國外存在較大差異[8-9]。完全照搬西方的管理和檢測制度，難以保證服役于我國復雜土壤環境中接地材料的可靠性。因此,開發簡便、可靠和規范化的土壤加速腐蝕試驗方法，研究接地材料室內外腐蝕試驗的相關性及相應的腐蝕評價方法，對于新型接地材料在我國典型土壤環境中的腐蝕數據積累及腐蝕評價工作具有重要意義[10-12]。

本工作通過現場埋設試驗和室內加速腐蝕試驗，并結合失重法測定了接地材料在我國四種典型土壤中的腐蝕速率，得出了接地材料在室內外土壤中腐蝕試驗的相關性及腐蝕評價方法。以期提出通用的接地材料耐蝕性測試方法和評估體系，從而對各接地材料進行分級評估，指導工程應用。

1 試驗

1.1 試樣及土壤

試驗材料為碳鋼、銅、鍍鋅鋼(鋅層厚度為0.2 mm)、銅包鋼(銅層厚度為0.2 mm)、鋅包鋼(鋅層厚度為1 mm)、鋅鎂合金銅覆鋼(鋅鎂合金層厚度為1 mm，銅層厚度為0.2 mm)和不銹鋼包鋼(不銹鋼層厚度為0.2 mm)。在進行土壤加速腐蝕試驗前用丙酮和無水酒精將試樣仔細清洗干凈后吹干，放入干燥器中備用。其中，對于鋅包鋼、銅包鋼等具有金屬覆蓋層的試樣，用704硅膠對基材暴露區域進行涂封，以防止電偶腐蝕對試驗結果產生影響。

試驗土壤分別取自武漢、天津、南昌和成都，土壤取樣均按中國土壤腐蝕試驗網站標準，取自地表下0.6～1.0 m處無碎石和雜草等異物的深層土壤，經化驗其主要離子含量及理化參數如表1所示。采集的土樣經自然干燥、研磨后過20目篩(0.83 mm)，然后置于110 ℃烘箱中干燥6 h，與蒸餾水按比例混合得到含水量(質量分數)為25%的試驗土壤。

表1 土壤的理化分析結果Tab. 1 Physical and chemical analysis results of soils

1.2 試驗方法

現場埋樣腐蝕試驗地點分別在武漢、天津、南昌和成都市內，試驗流程均按中國土壤腐蝕試驗網站標準進行，試樣埋設深度為0.6 m，設置4個平行試樣，四個地區埋片腐蝕試驗的周期分別為356 d、322 d、296 d和338 d。室內加速腐蝕試驗在LHS-70C型恒溫恒濕箱中進行，試驗土壤溫度控制在45 ℃，相對濕度為85%。采用如圖1所示的試驗裝置進行腐蝕試驗，試樣平行放置于試驗土壤中，各方向土壤厚度均為50 mm，共設置15 d和30 d兩個試驗周期，各周期的平行試樣為3個。試驗過程中每隔24 h測量一次含水率，定期加入蒸餾水以補充土壤中蒸發的水分。

圖1 試驗裝置示意圖Fig. 1 Schematic drawing of test device

腐蝕試驗結束后,用軟毛刷輕輕刷去與試樣表面結合不緊密的土壤顆粒，按GB/T 16545-2015《金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣上腐蝕產物的清除》將試樣表面的腐蝕產物清除干凈，各接地材料清洗液配方及清洗參數見表2。清除腐蝕產物后，采用失重法計算試樣的平均腐蝕速率，見式(1)。

(1)

式中：W0為腐蝕試驗前試樣的原始質量(g)；W1為腐蝕試驗后，去除腐蝕產物后的試樣質量(g)；S為試樣的暴露表面積(dm2)；t為試樣的腐蝕時間(a)；V為試樣的平均腐蝕速率(g·dm-2·a-1)。

2 結果與討論

2.1 室內外腐蝕試驗數據及擬合結果

由于現場埋樣的土壤環境與接地材料實際服役環境基本一致，得到的腐蝕速率能夠反映材料的真實耐蝕性。由表3可見，室內外土壤腐蝕試驗得出的接地材料耐蝕性規律具有良好的一致性，七種接地材料腐蝕速率由大到小依次為碳鋼>鍍鋅鋼>鋅包鋼>鋅鎂合金銅覆鋼>銅包鋼>銅>不銹鋼包鋼。

(a) 15 d

如圖2所示，R2為擬合優度，反映回歸直線對觀測值的擬合程度，R2值越接近1，說明回歸直線對觀測值的擬合程度越好。r是這兩組數列的皮爾森(pearson)相關系數，反映兩組數據關聯性的大小，該值接近1或者-1說明數據具有強相關性。經計算可知，15 d室內加速腐蝕試驗的回歸直線斜率為8.8，30 d室內加速腐蝕試驗的回歸直線斜率為6.4，兩組數據的擬合優度均為0.895。單從皮爾森相關系數考慮，兩組數據的相關性都比較好，即室內加速腐蝕速率可以較好地反映真實土壤中材料的腐蝕趨勢。但是兩組數據的加速比差距較大，即室內加速腐蝕試驗的加速比會隨著試驗周期的改變而發生變化。原因是現場埋設腐蝕試驗和室內加速腐蝕試驗的埋設地點、試驗時間、土壤壓實程度、材料氧化層分布和季節等因素都會影響材料的腐蝕速率[14-15]，而且這些因素具有較大的隨機性，即使在統一的試驗條件下，室內加速試驗所得腐蝕速率也很難按加速比直接反推真實土壤中材料的腐蝕速率，需要進行歸一化數據處理以規避部分隨機因素的影響。

表2 清洗液配方及清洗參數Tab. 2 Formulation and cleaning parameters of rust removal solution

表3 現場埋設試樣和室內加速試樣的腐蝕速率Tab. 3 Corrosion rates of on-site embedding samples and indoor accelerated samples g·dm-2·a-1

2.2 室內外腐蝕試驗歸一化數據及擬合結果

歸一化的原因是，每次試驗都存在隨機因素，但是如果每次試驗都加入相同規格的碳鋼作為對比樣，進而求出同條件下接地材料腐蝕速率與碳鋼腐蝕速率的比值，就有可能消除部分隨機因素造成的影響，從而提高數據的可靠性,如表4所示。此外，我國接地材料絕大多數都采用碳鋼材料，這種歸一化方法也具有一定的實際意義。

表4 同條件下接地材料與碳鋼的腐蝕速率比值Tab. 4 Corrosion rate ratio of grounding material to carbon steel under the same conditions

(a) 15 d

由圖3可見，兩組數據的擬合優度分別為0.918和0.952，可以得出，利用接地材料腐蝕速率與碳鋼腐蝕速率的比值來評價接地材料的耐蝕性明顯比直接利用接地材料的腐蝕速率更準確，且30 d加速腐蝕試驗比15 d加速腐蝕試驗更準確。通過這種數據處理方式得出的結果符合腐蝕試驗周期越長則數據可靠性越強的常識性規律。此外，兩組數據擬合出的斜率非常接近1，說明這種歸一化方法規避了部分加速比變化帶來的影響，因此利用加速腐蝕試驗進行接地材料評價時，不必考慮加速比這一因素，這進一步提高了試驗的可操作性。

2.3 接地材料分級評價法

通過對接地材料與碳鋼的腐蝕速率比值進行歸一化處理，得到了較為理想的數據擬合結果。但各個點仍存在一定的離散性，使得直接利用接地材料與碳鋼的腐蝕速率比值進行接地材料耐蝕性評價依然不夠準確。這是由于在進行多種接地材料耐蝕性橫向評價時，同一試驗條件下數據的準確性和評價方法的普適性不能同時得到保證。一套普適性強的接地材料耐蝕性評價方法，難以精確評估某種接地材料在某種特定土壤中的使用壽命。

分級評價只要求試驗數據在某一區間內即可，降低了數據準確性的要求并且提高了評價方法的普適性。因此，可通過分級評價的方法，給出接地材料耐蝕性的優劣區間，從而得出相應的評分。

分級區間的設定原則：(1) 總分100分，分數越高則耐蝕性越好;(2) 耐蝕性最強的不銹鋼可獲得100分，耐蝕性其次的銅可獲得80分，碳鋼可獲得60分;(3) 現場試驗和室內加速試驗所得數據的評分盡量保持一致。依據試驗結果，提出較為理想的接地材料耐蝕性分級評價，如表5所示，α為接地材料與碳鋼的腐蝕速率比值。

表5 接地材料耐蝕性分級評價Tab. 5 Grounding material corrosion resistance evaluation classification

由圖4可知，接地材料總體打分結果基本滿足分級區間設定的三個原則。以現場埋設所得的28個評分為基準值，15 d加速腐蝕試驗評分中有4個失準，準確率為85.7%；30 d加速腐蝕試驗評分中有1個失準，準確率為96.4%。

圖4 室內加速試驗與現場埋設試驗的腐蝕評分對比Fig. 4 Corrosion scores comparison of indoor accelerated test and on-site embedding test

3 結論

(1) 本工作設計的室內土壤加速腐蝕試驗能較好地模擬材料在真實土壤環境中的腐蝕行為，并且對材料耐土壤腐蝕的性能做出分級評價，得到了良好的室內外腐蝕試驗相關性。

(2) 當接地材料進行加速腐蝕試驗時，宜采用埋放相同規格的碳鋼標準件同時進行腐蝕試驗的方式，以接地材料/碳鋼的腐蝕速率比值作為耐蝕性的評價標準，從而減少試驗隨機因素對結果造成的影響，進一步提高評價結果的可靠性。

(3) 使用此方法對本工作中的接地材料進行評分，并以現場埋設試驗所得評分作為參考，15 d加速腐蝕試驗評分準確率為85.7%，30 d加速腐蝕試驗評分準確率為96.4%。