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接地降阻劑用量對輸電桿塔接地電阻影響試驗報告

發布時間:2020-07-02 瀏覽次數:2564次

接地降阻劑用量對輸電桿塔接地電阻影響試驗報告

    接地降阻劑在變電所及輸電線路的接地網上已應有多年,并取得了良好的接地降阻效果。但是該型接地降阻劑開發初期使用的線路,例如湖北省咸寧和十堰供電局所屬的若干基輸電鐵塔接地網在四年運行后經開挖發現,接地網鋼材出現銹蝕和接地電阻升高的現象。為分析此現象的原因,并進一步采用相應的改進措施,我們進行了專門的試驗研究,現綜述如下:
    一、腐蝕原因的分析及有關的試驗結果
    1、裸鋼試片和包覆接地降阻劑鋼試片的埋地腐蝕試驗
    在惡劣的土壤條件下(土壤電阻率<0.1Ω·m,土壤處于潮濕狀態),將裸鋼試片(4×16×49 mm)和包覆接地降阻劑鋼試片埋于地下(埋入深度約0.6 m,埋入時間724小時),所得結果如表1所示。兩種鋼試片的銹蝕情況可由照片1和2看出(照片見后面的彩頁)。
表1    裸鋼試片和包覆接地降阻劑鋼試片的埋地腐蝕試驗
編 號
裸  鋼  試  片
包 覆 降 阻 劑 鋼 試 片
g/m2·hr
mm/a
g/m2·hr
mm/a
1
0.997
1.120
0.0017
0.0019
2
0.775
0.848
0.0017
0.0019
平均
0.876
0.984
0.0017
0.0019
    由上述結果可清楚地看出,該接地降阻劑對包覆在其內的鋼材具有良好的防蝕性能。
    2、鋼試片和包覆接地降阻劑鋼試片埋入土壤中的電化學特性
    接地網鋼材在土壤中的腐蝕屬電化學腐蝕,因而測量鋼試片在土壤中電極電位隨時間的變化值可判斷鋼材在土壤中是處在活化(銹蝕)或鈍化(防蝕)狀態。測量是用銅/硫酸銅參比電極和萬用表進行的。當土壤中鋼試片的自然腐蝕電位向正值方向(即向負值減小的方向)變化時,說明鋼試片正在發生鈍化過程;相反,當鋼試片的自然腐蝕電位向負值方向(即向更負的方向)變化時,即說明土壤中的鋼試片是處在活化狀態,即正在發生銹蝕過程。裸鋼試片和包覆接地降阻劑的鋼試片在土壤中的電位隨自然腐蝕時間的變化情況如表2所示。由表2可看出,接地降阻劑對埋入其中的鋼試片有自然鈍化作用。
表2    裸鋼試片和包覆接地降阻劑鋼試片在土壤中的電極電位變化
測量時間
包覆降阻劑鋼試片電位(mV)
裸鋼試片電位(mV)
99.04.26
-206.4
-609.5
99.04.30
-203.5
-632.1
99.05.04
-199.6
-636.8
99.05.07
-192.8
-640.0
99.05.10
-155.1
-643.4
99.05.15
-144.6
-645.4
99.05.18
-137.2
-651.0
99.05.20
-129.7
-658.8
99.05.23
-100.1
-661.0
99.05.27
-661.3
    3、CC系列接地降阻劑屬導電型無機硅酸鹽類材料(又稱導電混凝土),其某些物理化學和電化學特性,例如水浸出液的pH值、加水硬化特性、鋼的自然鈍化特性等都與鋼筋混凝土中鋼筋的腐蝕特性相近似,因此可用研究混凝土內鋼筋的腐蝕方法來研究包覆CC系列接地降阻劑的鋼材腐蝕情況。圖1是包覆CC導電混凝土接地降阻劑的鋼試片上有不同寬度的裂縫時的鋼電位隨時間的變化。由該圖可看出,當導電混凝土上沒有裂紋時,鋼在其中有自然鈍化作用,不僅電位值較正,而且隨時間的延長而向正值變化(曲線1)。隨著裂縫寬度的增大,電位值更負(曲線7)。而裸鋼(即未包覆導電混凝土)的電位達到-600mV(曲線1)。按照鋼筋電位和腐蝕性判斷標準(表3),可知裸鋼埋在土壤內必然會受到腐蝕。在沒有裂縫的導電混凝土內通常由于自然鈍化作用而不易受腐蝕;若導電混凝土留有縫隙,就會造成其內部鋼材的腐蝕,裂縫愈寬,腐蝕愈嚴重。裂縫寬度與鋼材上腐蝕坑的平均深度如圖2所示??梢钥闯?,混凝土裂縫愈寬,鋼筋上腐蝕孔的平均深度愈深,亦即腐蝕愈嚴重。
表3    混凝土鋼筋電位和腐蝕性
項          目
來源
混凝土鋼筋電位,mV
高于-200
-200~-300
低于-300
美國ASTM876-77
判       別
90%不腐蝕
不確定
90%腐蝕
混凝土鋼筋電位,mV
0~-300
-300~-400
-400~-700
蘇州水泥制品研究院
判       別
不腐蝕
不確定
腐蝕
 
    4、腐蝕原因分析
   (1) CC系列接地降阻劑又稱導電混凝土,具有混凝土的某些理化特性,其水浸出液pH>12,同時該接地降阻劑還含有一定量的緩蝕劑。包覆在接地降阻劑內的接地網鋼材,在高堿性環境下將發生自然鈍化作用。因此,就一般地質環境來說,其腐蝕速度是很低的(如表1所示),不足以對接地網構成威脅。
   (2) 根據圖1和圖2試驗結果可得出結論,由于包覆接地降阻劑時施工不良造成接地體周邊的接地降阻劑出現裂縫或蜂窩,會對接地體的腐蝕產生重要影響。照片3和4是施工良好的接地降阻劑(接地體鋼材的腐蝕速度為0.0019 mm/a)和施工不良的接地降阻劑(已發現接地體鋼材有銹蝕)的剖開情況(照片見后面的彩頁)??梢钥闯?,在包覆接地降阻劑的施工過程中若加水比例過少或在包覆過程中對接地降阻劑振搗不均,陡有可能留下裂縫或蜂窩的隱患,從而造成接地體鋼材的腐蝕。由于鐵銹的電阻率高于純鐵的電阻率,所以一旦接地體發生銹蝕,必然會引起接地電阻的升高。
   (3) 使用接地降阻劑發生腐蝕的另一原因,是一些單位為節省費用而減少接地降阻劑的用量,造成包覆接地降阻劑的厚度不夠,使得較薄處或根本沒有包裹處的接地體處在土壤介質中,由于介質不同而引起電化學的不均勻性,造成電化學腐蝕電池。這種腐蝕情況也會發生在有的施工單位利用電纜溝內預埋扁鋼作接地連線(易形成電化學腐蝕電池)。
   (4) 使用接地降阻劑發生腐蝕的第三個原因,是接地引下線的腐蝕。在地網包覆接地降阻劑的同時,往往接地引下線并未采取任何防腐措施,致使在接地引下線入地與主地網連接的這一段導體發生腐蝕(見后面彩頁照片5)。包覆接地降阻劑的主地網圓鋼表面形成暗灰色鈍化膜如照片6所示,該鈍化膜掃描電鏡檢測如照片7所示(見后面彩頁)。
    按照通常的防腐原則,為了防止上述兩種情況的發生,必須將未包接地降阻劑的地網或接地引下線(包括電纜溝預留扁鋼)外表面做絕緣處理。我們的經驗表明,采用水泥砂漿包覆裸露的這段鋼導體是有效的(水泥砂漿和接地降阻劑之間不得留有縫隙,具體操作方法詳見接地降阻劑施工說明書)。
   (5)腐蝕過程機理
    埋于土壤中的鋼接地體上發生的腐蝕屬于電化學腐蝕,電化學腐蝕是由于腐蝕電池進行電化學反應的結果。在包覆接地降阻劑的接地體上,裂縫和蜂窩的存在使得空氣中的氧氣和土壤中的水分很容易通過這些縫隙到達鋼體表面,而接地降阻劑緊密的部分則水分和氧氣難達到鋼體表面。在這種情況下,鋼體的富氧部分是腐蝕電池的陽極,而缺氧部分則是腐蝕電池的陰極。陽極發生腐蝕,產生Fe2O3或FeOOH腐蝕產物。這些腐蝕產物比金屬鐵的體積大,會進一步造成已固化降阻劑的崩裂,而使陽極區的面積進一步擴大,從而使鋼體的腐蝕更大的擴展。
    二、接地降阻劑與陰極保護的配合使用
    1、 由于接地降阻劑是導電型無機硅酸鹽粉末物質,具有一定的粒度,所以,即使在包覆工藝最佳的條件下,也不能使接地網鋼體與土壤等外界環境完全隔離,因此鋼體仍有一定的腐蝕速度,盡管其數值可能很微小。若遇到土壤環境較惡劣(鹽堿地或海邊附近氯離子含量較高的地方)或存在雜散電流及接地鋼體存在較大內應力,以及接地降阻劑包裹不良存在裂縫和蜂窩的情況下,都有可能引起接地網鋼體的腐蝕。此種情況與鋼筋混凝土中鋼筋的腐蝕情況是相似的,在這種情況下,將接地降阻劑與陰極保護配合使用是防止接地網鋼體腐蝕的有效方法。在混凝土鋼筋的防蝕實踐中已證明,陰極保護具有防止電化學腐蝕,雜散電流腐蝕,應力腐蝕的功效。
    在國內外的一些著作中已多次提到陰極保護在電力系統接地裝置防腐保護中的應用,例如《電力系統接地技術》一書(解廣潤編著),《電力工程電氣設計手冊,電氣一次部分》(水利電力部西北電力設計院編),"按腐蝕條件選擇鋼接地裝置截面"《電站》(俄)1978.No.7,"電力系統的腐蝕控制"《Electric Machines and Power System》(英)1999,以及"變電所地網技術的發展綜述"《中國電力》1997. No.7。我國核工業標準《EJ451-88三十萬千瓦壓水堆核電廠地下金屬構筑物區域陰極保護設計規范》已將接地網的陰極保護納入該設計規范。
    2、陰極保護的基本原理
    在一般情況下,接地網鋼體的腐蝕系金屬在土壤中進行的電化學腐蝕,腐蝕電池內的陽極電流來自于鐵的溶解(腐蝕),即Fe=Fe2++2 e,其電流密度可根據鐵的腐蝕量計算出來。
 
 

     式中: ——陽極(即金屬的自腐蝕)電流密度,A/m2
            ——按失重計算的腐蝕速度,g/m2·hr
            ——法拉第常數,96500庫侖
            ——金屬的原子量,Fe=56
            ——金屬溶解為離子的價數,Fe=2
     按表1的數值可分別計算出陽極(腐蝕)電流密度如表4所示。      表4    裸鋼試片和包覆接地降阻劑鋼試片腐蝕電流密度計算結果
裸   鋼   試   片
包  覆  降  阻  劑  鋼  試  片
腐蝕速率g/m2·hr
腐蝕電流密度mA/m2
腐蝕速率g/m2·hr
腐蝕電流密度mA/m2
0.876
832.6
0.0017
1.63
    應指出的是,依埋地腐蝕環境的不同,鋼的腐蝕量可能有較大的差別,則陽極(腐蝕)電流密度也會有較大的不同。例如在另外某變電所進行的裸鋼試片埋地試驗(埋地234天),所得鋼腐蝕速度為0.01916 g/m2·hr,計算得腐蝕電流密度為18.34 m A/m2。為達到防護的目的,向腐蝕電池輸入一陰極電流,使其電流密度等于陽極電流密度,從而使腐蝕電池的陰極和陽極達到平衡狀態而停止工作,此時金屬的腐蝕速度應為最低。
輸入陰極電流的方式有兩種,即外加電流法和犧牲陽極法。由于犧牲陽極法具有設備簡單,費用低和不需專門維護,所以在石油天然氣地下管道,鋼筋混凝土設施等工程中已獲得廣泛的應用。
    3、接地降阻劑和陰極保護配合使用的初步試驗結果
   (1)為驗證陰極保護效果,在十堰供電局龍胡13#輸電鐵塔附近進行了埋地鋼試片的犧牲陽極陰極保護模擬試驗。試驗裝置如圖3所示,其中扁鋼尺寸為25×4,圓鋼為 φ8,單片鋼試片面積約0.002m2。共進行裸鋼試片和包覆102型導電混凝土接地降阻劑鋼試片兩組試驗。犧牲陽極選用武漢環宇防腐公司的ZAC-5型鋅鋁鎘合金犧牲陽極,其規格成分和性能如表5所示。試驗裝置埋地深度0.5~0.6米,為保證犧牲陽極有良好的輸出電流,將犧牲陽極插入填料包內,然后一起埋入地下。填料包配方為石膏75%,膨潤土20%,硫酸5%。試驗時間共158天。實測犧牲陽極輸出電流5.95mA,陽極對地開路電位-1.49V。試驗結果如表6所示。
 
表5    鋅鋁鎘合金犧牲陽極化學成分、性能和規格
化學元素
Al
Cd
最大雜質含量,%
Zn
Fe
Cu
Pd
Si
含   量%
0.3~0.6
0.05~0.1
0.005
0.005
0.005
0.125
余     量
項    目
開路電位V(SCE)
工作電位V(SCE)
理論電容量A.h/kg
實際電容量A.h/kg
電流效率%
性能參數
-1.05~-1.09
-1.00~-1.05
820
≥760
≥95
尺寸(mm):(40+48)×44×600                   重量(kg):8.5
表6    未加和加陰極保護的鋼試樣腐蝕速率mm/年
編    號
未加陰極保護裸鋼片
加陰極保護裸鋼片
加陰極保護的包降阻劑鋼試片
1
0.195
0.060
8.95×10-5
2
0.189
0.041
6.22×10-4
3
0.182
0.040
3.11×10-4
平    均
0.187
0.047
3.41×10-4
外觀現象
試片表面有桔黃色銹層,銹層下有腐蝕坑
試片表面光亮,但邊角有少許腐蝕點
試片表面光亮
    為說明電流密度對腐蝕速率的影響,曾在省電力試驗研究院內的一塊濕地(洗車場)按同樣的陰極保護試驗裝置進行埋地腐蝕試驗,但是是用蓄電池外加電流取代鋅合金犧牲陽極以便控制電流密度。試驗時間724小時,試驗結果如表7所示。埋地包覆降阻劑鋼試片對地電極電位變化如表8所示。埋地裸鋼片的陰極保護試驗結果如表9所示。
   (2)試驗結果討論
   (1)由表8和9可看出,加陰極保護的埋地裸鋼片,隨陰極電流密度的增加,腐蝕速率降低,而且對地電極電位更向負值變化。由于保護電流密度和保護電位未達到要求的數值(蓄電池容量不足),所以鋼試片的保護尚未達到滿意的程度。鋼構筑物所需保護的電流密度和保護電位如表10和表11所示。
   (2)由表7可看出,包導電混凝土接地降阻劑的鋼試片在施加陰極保護后,不僅腐蝕速率大幅度降低,而且所需的保護電流密度也很小,其原因是導電混凝土使鋼試片產生自鈍化作用,降低腐蝕速率,從而可使所需的電流密度降低;同時,由于導電混凝土覆蓋層使保護電流和電位分布更均勻,因而使鋼表面的保護更完整,即使得邊角等局部易發生腐蝕的部位也受到了良好的保護。
   (3)包覆降阻劑和未包覆接地降阻劑的鋼試片施加陰極保護時,經剖開后發現,前者試片表面仍光亮如初,而后者表面上覆蓋一層鋼灰色氧化保護膜,其原因在于陰極電流將會使氧化保護膜還原,包覆接地降阻劑施加陰極保護的鋼試片外觀如照片8所示(照片見后面的彩頁),未包覆接地降阻劑施加陰極保護的鋼試片外觀如照片9所示(照片見后面的彩頁)。據國外文獻(《腐蝕》(美)1970.Vol.26.NO.10 )介紹,在陰極電流作用下,不僅磁性氧化鐵(Fe3O4)可還原為鐵,而且作為銹層主要成分的FeOOH也被還原為Fe3O4。
   (4)無論是采用導電混凝土接地降阻劑或導電防腐涂料,當土壤介質電阻率較低或浸蝕性離子(例如Cl-及SO4-等)濃度較高,即土壤的浸蝕性較強時,如施工質量不高或接地降阻劑及涂料填料粒度較大,導致在包覆和涂覆的導電涂料有縫隙或孔隙時,將會影響鋼體的使用壽命,在這種情況下陰極保護將會防止縫隙或孔隙腐蝕。在縫隙或孔隙內介質歐姆電阻較低的情況下,保護電流可能深入至縫底,將縫隙內的金屬極化到免蝕區而得到保護;在縫隙內介質歐姆電阻較高的情況下,保護電流雖難以深入縫底,但陰極保護卻可通過氧耗盡機理以及pH上升和鈍化機理來抑制縫隙內金屬的腐蝕。因此,將導電混凝土或導電防腐涂料與陰極保護結合起來,是比較理想的防腐措施。
表7    不同電流密度陰極保護腐蝕試驗結果(mm/年)
未加陰極保護裸鋼片
包覆接地降阻劑鋼試片
陰極保護電流密度
Ik=0mA/m2
陰極保護電流密度
Ik=0mA/m2
陰極保護電流密度
Ik=1.5mA/m2
陰極保護電流密度
Ik=2.5mA/m2
0.984
0.0019
0.0012
0.00065
試片表面有桔黃色銹層,銹層下有腐蝕坑
試片表面有鋼灰色鈍化膜
試片表面光亮
試片表面光亮
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