接地網(wǎng)腐蝕性評價方法與腐蝕速率預(yù)測

陳敬友,陳 超,吳 迪,胡家元,韓 升,司戰(zhàn)超

(1. 重慶大學 電氣工程學院,重慶 400044； 2. 國網(wǎng)浙江平湖市供電有限公司,平湖 314200；3. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司 電力科學研究院,杭州 310014)

隨著經(jīng)濟和工業(yè)的高速發(fā)展，我國對變電站容量的需求不斷擴大，進而對接地網(wǎng)安全運行和接地體熱穩(wěn)定性的要求也越來越高。因為受到資源、經(jīng)濟等條件的限制，我國接地網(wǎng)所用材料主要為普通碳鋼或者鍍鋅碳鋼[1]。對于運行多年的接地網(wǎng)而言，土壤環(huán)境中的電化學腐蝕以及電網(wǎng)設(shè)備運行中泄流造成的腐蝕使得接地體截面減小甚至斷裂，造成接地性能不良，不能滿足熱穩(wěn)定性的要求，電路電流將會燒壞地網(wǎng)，使得變電站內(nèi)出現(xiàn)高電位差，造成其他主設(shè)備發(fā)生毀壞，還會危及人身安全，并且由于接地網(wǎng)埋設(shè)在地下，翻修改造也十分困難[2]。因此，解決接地網(wǎng)腐蝕問題和評估接地網(wǎng)運行狀態(tài)已成為變電站和發(fā)電廠避免事故發(fā)生采取的主要措施，其中接地網(wǎng)腐蝕性評價和腐蝕速率預(yù)測是接地網(wǎng)運行狀態(tài)評估的重要內(nèi)容之一[3]。

目前金屬設(shè)備壽命預(yù)測研究主要集中在石油管道及橋梁結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域，國內(nèi)外關(guān)于接地網(wǎng)壽命預(yù)測的研究較少[4]。接地網(wǎng)壽命預(yù)測的重點和難點在于其腐蝕速率的確定，然而影響接地網(wǎng)腐蝕速率的因素較多，且多種因素相互作用又導(dǎo)致實際情況更加復(fù)雜，因此必須將土壤腐蝕特點和接地網(wǎng)材料性質(zhì)相互結(jié)合，才能更好地評估接地網(wǎng)的剩余壽命。

本工作通過借鑒其他領(lǐng)域壽命預(yù)測的研究成果并結(jié)合目前國內(nèi)外對土壤腐蝕性的各種評價指標和評價方法，提出一種專門針對接地網(wǎng)的八指標綜合評分法以評估接地網(wǎng)在土壤中的腐蝕狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上，將評分分值和腐蝕速率聯(lián)系起來，初步建立了一套接地網(wǎng)剩余壽命預(yù)測模型。經(jīng)過驗證，評分分值和腐蝕速率間具有良好的一致性，通過建立評分與腐蝕速率的函數(shù)關(guān)系可以實現(xiàn)對接地網(wǎng)腐蝕速率的預(yù)測，最終達到對接地網(wǎng)壽命進行評估的目的。

1 接地網(wǎng)的腐蝕機理及影響因素

1.1 腐蝕機理

接地網(wǎng)在土壤中的腐蝕主要有宏電池腐蝕、微電池腐蝕、雜散電流腐蝕和微生物腐蝕等四種形式[5-6]。腐蝕的根本原因都是土壤和碳鋼金屬的結(jié)構(gòu)、組成和性質(zhì)的不均勻性導(dǎo)致埋在土壤中的接地網(wǎng)表面不同部位形成了不同的電極電位，通過土壤介質(zhì)構(gòu)成回路，形成腐蝕電池。如圖1所示，其中電位較低的部位成為陽極區(qū)，電位較高的部位成為陰極區(qū)，此外，接地網(wǎng)兼有均壓和泄流作用，所以還會發(fā)生金屬的電解腐蝕[7]。因此，接地網(wǎng)腐蝕的本質(zhì)都是電化學腐蝕，其陽極過程是碳鋼接地網(wǎng)溶解并釋放電子：

(1)

圖1 碳鋼在不同土壤中形成的濃差電池Fig. 1 Concentration cell formed by carbon steel in different soils

在中性或堿性土壤中，鐵離子與氫氧根離子進一步生成氫氧化亞鐵：

(2)

當陽極區(qū)有氧氣存在時，氫氧化亞鐵將被氧化成溶解度更小的氫氧化鐵：

(3)

陰極過程主要為氧的去極化作用：

(4)

在含有硫酸鹽還原菌(SRB)的土壤中，陰極過程還可能發(fā)生硫酸根離子的還原：

(5)

另外，土壤中的CO2-、S2-、HCO3-也可以與陽極區(qū)附近的鐵離子反應(yīng)，生成不溶于水的腐蝕產(chǎn)物。因此，接地網(wǎng)腐蝕的最終產(chǎn)物主要為鐵的氧化物、氫氧化物以及鐵離子與土壤中的陰離子結(jié)合生成不溶于水的物質(zhì)[8]。

1.2 腐蝕影響因素

1.2.1 土壤電阻率

對于宏電池腐蝕，特別是兩極相距較遠時，土壤作為電解質(zhì)，其電阻率越小，金屬電子越容易丟失，同時電池內(nèi)部電子遷移速率也會越快，因此土壤電阻率對宏電池腐蝕速率起決定性作用。而對于微電池腐蝕，由于發(fā)生概率較小，土壤電阻率在其中的作用幾乎可以忽略不計。

1.2.2 土壤含水量

水分是使土壤成為電解質(zhì)，造成電化學腐蝕的先決條件。由1.1節(jié)可知，無論是陽極還是陰極，水都是電化學腐蝕不可缺少的反應(yīng)物。當土壤中含水量極低時，接地網(wǎng)腐蝕將以化學腐蝕為主，而在中性或堿性土壤中，這種腐蝕要比電化學腐蝕漫長很多。研究表明，當土壤含水量低時，腐蝕速率隨著含水量的增加而增加，達到某一含水量時材料腐蝕速率最大，含水量再增加,其腐蝕速率反而下降，這是因為含水量過大會使土壤膠粒膨脹，孔隙變小，降低土壤中的氧氣含量，阻礙陰極反應(yīng)過程[9]。

1.2.3 土壤含氧量

由1.1節(jié)可知，氧氣作為氧化劑在接地網(wǎng)電化學腐蝕中起著至關(guān)重要的作用。土壤氧含量越高則氧氣的滲透能力越強，越容易得到更多電子，從而使得金屬接地體失去更多電子，加速接地網(wǎng)腐蝕。因此,土壤氧含量的多少可以影響電化學陰陽極反應(yīng)速率，進而影響接地網(wǎng)腐蝕速率。

1.2.4 土壤pH

當埋地金屬的腐蝕取決于微電池腐蝕或距離不長的宏電池腐蝕時，腐蝕速率主要受陰極過程控制[10]。而在pH為6.5～9.0的中性和近中性土壤中，陰極過程主要發(fā)生氧的還原反應(yīng)，氫離子難以得到電子。但當土壤酸度過大，pH較低時，土壤中氫離子氧化性較強，將析出氫氣，對金屬膜具有較大的破壞作用，一定程度上加速了接地網(wǎng)的腐蝕。

1.2.5 土壤含鹽量

土壤中的鹽分對金屬材料的腐蝕影響較大，一方面參與電化學反應(yīng)，另一方面影響土壤電阻率。土壤含鹽量與電阻率具有明顯的負相關(guān)性,含鹽量越高，則土壤電阻率越低，腐蝕性越強。除此外，土壤中氯離子和硫酸根離子的氧化性較強，對金屬材料的鈍性具有較大的破壞作用，可加速土壤腐蝕的陽極過程[11]。

1.2.6 雜散電流

雜散電流是存在于土壤介質(zhì)中的一種大小和方向都不固定的電流。土壤中雜散電流主要為直流雜散電流和交流雜散電流，直流雜散電流對金屬的腐蝕同電解原理一致，即陽極為正極，陰極為負極，其作用時間、大小直接影響金屬材料的腐蝕速率。對于接地網(wǎng)而言，長時間的直流雜散電流是造成其腐蝕的主要原因之一。

1.2.7 其他因素

除了以上因素外，接地網(wǎng)在土壤中的腐蝕速率還可能受氣候條件、環(huán)境溫度、通風狀況、土壤有機質(zhì)含量、土壤酸度、土壤微生物等因素的影響。而這些因素最終作用結(jié)果又會反映在土壤中各種理化性質(zhì)的變化上。各種因素的相互作用使得接地網(wǎng)在土壤中的腐蝕規(guī)律變得更加復(fù)雜多樣[12]。

2 接地網(wǎng)腐蝕評價及預(yù)測

2.1 接地網(wǎng)腐蝕評價

評價鋼鐵材料在土壤中耐蝕性的方法主要是失重法和最大孔蝕深度法。這兩種評價方法不僅客觀直接而且能比較準確地反映土壤的腐蝕性，因而被廣泛運用，同時也被作為衡量其他評價方法和新的試驗手段是否可靠的標準[13]。但兩種方法必須通過埋片并等待較長時間后才能得到結(jié)果，不僅費時費力，在工作運用中也不方便，更無法實現(xiàn)腐蝕速率的預(yù)測。因此，為了實現(xiàn)土壤腐蝕性的預(yù)測，減少時間和人力成本，國內(nèi)外學者提出了許多其他評價方法。

長期以來，研究者習慣于用土壤理化性質(zhì)來預(yù)測其腐蝕性，許多國家在考察土壤腐蝕性時仍在參考某些單項指標，如土壤電阻率、含水量、含鹽量等。在某些特定場合，單相指標評價方法十分方便也較為可靠。但由于土壤腐蝕介質(zhì)本身的特殊性和復(fù)雜性，金屬材料土壤腐蝕因素不僅種類多，而且各因素間存在著交互作用，實際情況十分復(fù)雜，因此單相指標評價土壤腐蝕性具有很大的局限性，且往往容易誤判[14]。目前國內(nèi)外許多研究越來越傾向于多項指標綜合評價土壤腐蝕性，其中最具有代表性的是德國的Baeckman綜合評分指標和美國的ANSIA21.5土壤腐蝕性評價法[15-19]。前者由于考慮的因素過多，而某些因素測量存在困難，實際運用十分不便，而后者則主要傾向于評價埋地管道耐蝕性。因此，目前國內(nèi)外尚缺少一套專門針對接地網(wǎng)的專一、有效的評價方法。

本工作參考了國內(nèi)外的單指標評價方法和Baeckman評分法,在此基礎(chǔ)上，基于接地網(wǎng)腐蝕機理和影響因素，提出了一套專門針對接地網(wǎng)的使用范圍廣、實施難度低的八指標綜合評分法，其具體內(nèi)容見表1，具體規(guī)則如下：

表1 接地網(wǎng)腐蝕的八指標綜合評分標準Tab. 1 Eight indicators comprehensive scoring standard of grounding grid corrosion

(1) 采取十分制，負值代表對腐蝕有抑制作用，正值代表對腐蝕促進作用;

(2) 評分越高腐蝕越嚴重;

(3) 權(quán)重系數(shù)λi滿足：

(6)

(4) 最終評分：

(7)

2.2 接地網(wǎng)腐蝕速率預(yù)測

基于前文建立的接地網(wǎng)腐蝕八指標綜合評分標準，對文獻[9]中14個站的土壤腐蝕性進行打分評價，對于無污染、非強酸、強堿或含鹽量極高的常規(guī)疏松土質(zhì)，接地網(wǎng)腐蝕主要由電化學反應(yīng)引起，而土壤電阻率、含水量、含氧率及氧化還原電位是影響反應(yīng)速率的主要因素。因此權(quán)重系數(shù)(λ)1～ 8分別取0.2、0.15、0.15、0.1、0.1、0.05、0.05、0.2，最終評價結(jié)果如表2所示。

表2 碳鋼在全國14個站的腐蝕速率及評分Tab. 2 The corrosion rates and scores of carbon steels in 14 stations nationwide

由圖2可見，通過八指標綜合評分法得出的評分與實測腐蝕速率有良好的線性關(guān)系，這說明綜合評分標準具有實用性。因此，可以通過建立評分與腐蝕速率的關(guān)系以實現(xiàn)對接地網(wǎng)腐蝕速率的預(yù)測，最終達到接地網(wǎng)壽命評估的目的。表2中的數(shù)據(jù)通過擬合得到評分與腐蝕速率的關(guān)系如式(8)所示：

vcorr=0.921Z-0.168 38

(8)

為驗證上式的適用性和準確性，選取文獻[10]中8個站進行打分評價，并通過式(8)預(yù)測其腐蝕速率。

從表3中可以看出，腐蝕速率預(yù)測的與實測值的誤差為2%～14%，這說明在一定范圍內(nèi),采用式(8)對接地網(wǎng)的腐蝕速率進行預(yù)測是可行的。造成誤差主要有以下原因：

(1) 樣本容量太少，無法得到更準確的擬合關(guān)系。

圖2 分值與腐蝕速率的關(guān)系Fig. 2 The relationship between scores and corrosion rates

表3 腐蝕速率預(yù)測值與實測值的對比結(jié)果Tab. 3 Comparison of predicted values and measured values of corrosion rates

(2) 采用評價標準得到的測量結(jié)果與評分間的對應(yīng)關(guān)系存在躍遷，測量結(jié)果分級還不夠細，當測量數(shù)值位于兩級之間時評分具有誤差。

(3) 由于雜散電流大小和方向的不固定性，在實際情況中難以測量，因此評分標準忽略了各區(qū)域雜散電流的差異，認為其造成的影響相近。

3 結(jié)論

(1) 影響接地網(wǎng)在土壤中腐蝕速率的因素是復(fù)雜多樣的，只靠單一指標無法實現(xiàn)腐蝕速率的準確預(yù)測。

(2) 接地網(wǎng)在土壤中的腐蝕以電化學腐蝕為主，因此電化學參數(shù)如土壤電阻率、氧化還原電位等與接地網(wǎng)腐蝕速率間有更為密切的聯(lián)系。

(3) 八指標綜合評分法得出的評分與實測腐蝕速率有良好的線性關(guān)系，該評分標準具有一定的使用價值。

(4) 在八指標綜合評分法的基礎(chǔ)上建立評分與腐蝕速率的關(guān)系以實現(xiàn)對接地網(wǎng)腐蝕速率的預(yù)測，但存在一定誤差且適用范圍受樣本容量的限制。因此需擴大樣本容量，改進評分標準，建立更準確的測量結(jié)果與評分關(guān)系。