接地材料腐蚀分析

由于接地装置长期处于地下恶劣的运行环境中，极容易被腐蚀（图7-8），所以腐蚀是接地材料面临的最大危险，一旦腐蚀，不但7.3.1.1～7.3.1.3三个主要要求无法达到，还会造成严重后果。近年来，电网中曾发生多起接地不良的事故，其中多数是因为未考虑具体的防腐措施，运行多年后接地网腐蚀严重而使事故扩大。某省某地区供电局的一个变电站，1990—2001年发生较大的停电事故几十起，其中因腐蚀造成的停电事故17起，直接损失上亿元。某地三个220kV变电站因接地不良将变电站内弧光短路事故扩大为全站停电和设备严重损坏事故。

造成腐蚀的原因主要有：①接地网设计中没有充分对潜在的腐蚀情况进行考虑而合理选择导体的材料及截面积；②对接地网没有采取必要的防腐措施。随着腐蚀的发生，导体有效截面不断减小，以致不能满足热稳定的要求。当工频接地短路电流或雷电流流经接地网时，可能因发热导致接地体或接地引线断裂，引起一、二次设备事故，同时局部电位升高，高压向低压反击，使事故扩大，造成巨大的经济损失，给运营人员的人身安全带来巨大隐患。因此，有必要对接地体在土壤中的腐蚀机理进行详细分析。

大多情况下，容易发生腐蚀的部位有：①接地线及其固定部件；②各接地体间焊接头；③电缆沟内的均压带；④水平接地体。引起材料腐蚀的主要原因为：土壤、大气、海水、杂散电流等，其中，对于陆上风电场主要考虑土壤和杂散电流的腐蚀，海上风电场则主要考虑海水和大气的腐蚀。

7.3.2.1　土壤环境引起的腐蚀

对于陆上的电力设备，包括陆上风电机组，其接地网均埋设于地面下的土壤中，因此土壤应作为腐蚀的主要考虑介质。土壤使材料发生腐蚀的特性称为土壤的腐蚀性。

1.土壤的特性

土壤是由气、固、液组成的复杂系统，其作为一种特殊的电解质，具有多相性、不均匀性、相对固定性三个特点。

土壤的多相性表现在土壤是由土粒、土壤溶液、土壤气体、有机物、无机物、带电胶粒和非胶体粗粒等在内的多种成分组成的极为复杂的多相体系，其中无机物主要为黏土矿物、氧化物（氧化铁、氧化锰、氧化锌、氧化铝、氧化硅等），不同的土壤颗粒大小相差较大。同时，在土壤的颗粒间具有大量的毛细管微孔或孔隙，孔隙中充满水分和空气，具有胶体的特性。其中，水分在土壤中能以多种形式存在，可直接渗浸孔隙或在孔壁上形成水膜，也可以生成水化物或者以胶体形成水状态存在。由于水的胶体形成作用，土壤并不是分散孤立的颗粒，而是各种有机物、无机物的胶凝物质颗粒的聚集体。土壤中的胶体带有电荷，并吸附一定数量的异号离子，加上有水的存在，土壤将成为离子导体，因此土壤可认为是一种腐蚀性电解质。

土壤的性质和结构具有极大的不均匀性。从微观上看，存在着土壤颗粒大小、土壤颗粒间孔隙结构（如空气、水分、盐类等）、结构紧密程度的差异。从大范围看，一个土体的整个剖面包括若干土层，每个土层的微观结构都有较大差异。因此土壤中的物理、化学性质，尤其与腐蚀有关的电化学性质存在着巨大的变化。当金属与不同性质的土壤接触时，金属的不同部位与土壤接触面上就会产生不同的界面电位，从而存在电位差，在土壤介质中形成回路，形成腐蚀电池。

图7-8　接地体腐蚀情况

与大气、海水具有流动性有所区别，土壤的固体部分对于埋设在土壤中的金属表面，可以认为是相对固定不动的，具有一定的相对固定性。

2.土壤腐蚀类型

土壤腐蚀和其他介质中的电化学腐蚀过程一样，因金属和介质的电化学性质不均形成腐蚀原电池，这是腐蚀发生的根本原因。其具体腐蚀过程是由于接地网与电解质（湿土）接触，因此有可能在接地网和电解质界面发生阳极溶解过程（氧化），这时如果界面上有相应的阴极还原过程配合，则电解质（湿土）起作用，接地网自身则导通电子，从而就构成了一种自发原电池，使接地网材料的阳极溶解持续进行，产生腐蚀现象。

在腐蚀过程中，阳极的接地网材料（以碳钢材料为主）被氧化成为正价的铁离子进入介质，最终成为难溶的腐蚀产物（一般是铁的氧化物或水化物），留在接地网表面。金属腐蚀学中，习惯把阴极接受金属材料中的电子而被还原的物质称为去极化剂，土壤中最常见的去极化剂是氧气（O2）。

根据所处环境土壤是否均匀，土壤的电化学腐蚀可分为微观电池引起的腐蚀和宏观电池引起的腐蚀两种。

（1）微观电池引起的腐蚀。对于体积不大的接地材料而言，可以认为其所处土壤介质是均匀的，不会出现上述提到的土壤电化学性质的差异。但由于金属导体的组成、结构、物理状态不均匀或表面膜不完整，微电池腐蚀是一种普遍存在的腐蚀形式。但由于反应只在微观状态下进行，电池反应微弱，同时又是均匀腐蚀，在实践中一般不会造成严重的危害，故主要考虑宏观电池腐蚀。

（2）宏观电池引起的腐蚀。除了有可能发生上述的微观电池腐蚀外，由于土壤介质的宏观不均匀性所引起的腐蚀宏观电池，在土壤腐蚀中往往产生更大的危害。在土壤中起作用的腐蚀宏观电池有下列类型：

1）较大距离的腐蚀宏观电池。对于面积很大的接地网或较长的接地材料，因土壤介质具有不均匀性，接地网的不同部位接触成分及性质不同的土壤，从而在土壤A进入土壤B的地方，形成电池，电流流动过程为：钢→土壤A→土壤B→钢。

如果是因为氧的渗透性不同造成的氧浓差电池，则埋在密实、潮湿的土壤中的钢材就倾向于作为阳极而被腐蚀。如果土壤含有硫化物、有机酸或工业污水，使得土壤电化学性质发生变化，也能形成宏观电池。同时，土壤的电导率越高，腐蚀电流的数值就越大。另外，对于处在土壤电阻率较高的风电机组来说，为了降低接地电阻，通常会将接地装置与外接地网相连，这也相当于面积很大的接地网，容易发生宏观电池腐蚀。

2）因土壤的局部不均匀引起的腐蚀宏观电池。土壤中常存在石块、固体颗粒等夹杂物，影响了氧的渗透性，如果夹杂物的适气性比土壤本体差，该地区就构成腐蚀宏观电池的阳极，而和土壤本体接触的金属就构成阴极。图7-9所示为土壤局部不均匀造成的氧浓差腐蚀电池，该土壤中石块等夹杂物下面的金属。因此，在实际工程中，回填接地体的土壤时，应注意尽量不要夹杂太多杂物。

图7-9　土壤局部不均匀造成的氧浓差腐蚀电池

3）埋设深度不同及边缘效应所引起的腐蚀宏观电池。由于接地体埋设深度的差异同样会引起氧的浓度差，离地面较深部位有更严重的局部腐蚀，甚至在直径较大的水平接地导体上，也能看到导体的下部比上部的腐蚀更严重，如图7-10所示。

图7-10　因埋设深度而引起的氧浓度腐蚀电池

A—接地导体或金属管道

图7-11　温差所造成的腐蚀电池

4）接地金属所处状态的差异引起的腐蚀宏观电池。由于土壤中异种金属的形状、温差、应力存在差异，可能形成腐蚀宏观电池，造成局部腐蚀。如新、旧接地网相互连接时，新埋接地体因其表面尚未形成腐蚀产物的保护层，可成为阳极而受腐蚀，构成电偶腐蚀。图7-11所示为温差所造成的腐蚀电池，高温区接地体容易成为阳极而受到腐蚀。这种情况常发生在地热较高或靠近供热管道等土壤。

5）含盐量不同引起的腐蚀宏观电池。对于盐碱地区的接地体，盐分在土壤剖面中的分布不均匀，有时同一剖面的含盐量相差两个数量级，同时电解质浓度大，此时因盐浓度差形成的腐蚀宏观电池引起的腐蚀相当严重。图7-12所示为含盐量不同引起的土壤腐蚀原理图。

图7-12　含盐量不同引起的土壤腐蚀

3.微生物引起的腐蚀

土壤中微生物对接地金属的腐蚀是在微生物的生命活动参与下所发生的腐蚀过程，多发生在地势较低的沼泽地带及有机质含量较高的土壤中。微生物自身对金属并不直接具有侵蚀作用，而是其生命活动的结果参与腐蚀的间接过程。具体为：微生物在生命活动中生成的H2S、CO2、酸性物质会腐蚀金属；微生物的生命活动会改变土壤中氧的渗透性和含氧量，有利于较为缺氧的地下深处的阴极反应；某些微生物还将参与电化学腐蚀过程。微生物主要有好氧型铁细菌、锰细菌和厌氧型的硫酸盐还原菌。其中，硫酸盐还原菌是腐蚀性最强的微生物。

4.影响土壤腐蚀的因素

影响土壤腐蚀的因素有很多，而且，这些影响因素不是孤立作用，而是相互协同作用、相互影响，各种因素的腐蚀无法截然分开。其中主要包括以下几个方面：

（1）土壤中含水量。土壤中含水量是对土壤腐蚀的影响，有以下几个方面：

1）土壤中的水分是使土壤成为电解质、造成电化学腐蚀的先决条件。盐碱溶解的水化作用、阳极溶解的金属离子的水化作用、土壤中宏腐蚀电池的形成、土壤中电解质的离解等都需要水。

2）土壤中的水是土壤性质变化的重要因素。水分在土壤中能以多种形式存在，如水膜、胶体。水在土壤中不同部位形成不同的复合体，其性质经常变化，如交替干湿、膨胀和收缩、分散和聚合。土壤中水分也会运动，造成了溶质浓度的再分配。因此，土壤含水量是一个经常变化的物理因素，其波动会导致一系列土壤物理化学性质的变化，从而给土壤中的腐蚀带来变化性和不确定性。

3）土壤含水量对钢铁的电极电位、土壤导体和极化电阻均有一定影响。

4）土壤中含水量对氧浓差腐蚀电池的形成造成影响。土壤中水、气两者并不相容，土壤中含水量的变化影响了氧气渗透量的变化，从而，对阴极极化产生影响。土壤中含水量的变化会引起土壤含盐量以及温度的变化，这将促进盐浓差电池和温差电池的形成。含水量还明显影响氧化还原电位、土壤溶液离子的数量和活度，影响微生物的活度状况。

图7-13所示为运用德国DIN50929评价标准对某土壤进行土壤腐蚀性评价的拟合结果。

图7-13　土壤的腐蚀数据及拟合结果

图7-14所示为碱性土壤中钢的腐蚀率与含水率的关系曲线。

图7-14　碱性土壤中钢的腐蚀率与含水率的关系

从图7-14可以看出，接地网材料腐蚀在含水量适中时腐蚀速率要大一些。这是由于接地金属表面形成了连续非均匀的液相膜，有利于盐碱溶解的水化作用、阳极溶解的金属离子的水化作用，同时液膜的不均匀造成的氧浓差电池有利于阴极和阳极反应物的生成，但又不会因含水量过多而显著改变氧气透气性。相反，含水量增多，有利于在接地金属表面形成一层致密的钝化膜，同时也能阻止氧气的传递渗透，从而降低接地体的腐蚀速率。而在含水量较低的情况下，接地体则因土壤缺少水分，阳极金属难以离子化，土壤盐类也难以离子化，土壤溶液离子数目较少、活度较小，导致腐蚀速率也比较低。综上所述，可以做出结论：最容易发生腐蚀的情况为土壤成半干半湿的状态。

（2）土壤电阻率。土壤电阻率是土壤介质导电能力的反映，是一个综合因素。如图7-15所示，土壤电阻率与土壤腐蚀性之间没有绝对可靠的对应关系，但一般情况下，低土壤电阻率地区的平均年腐蚀率普遍高于高土壤电阻率地区的平均年腐蚀率。(www.xing528.com)

图7-15　土壤平均腐蚀率与土壤电阻率的关系图

根据土壤电阻率评价土壤腐蚀性各国有不同的标准，我国的评价标准见表7-3。

表7-3　土壤电阻率评价标准

另外，当微观腐蚀电池起主导作用时，由于阴阳两极几乎处于同一地点，它们之间的土壤电阻可以忽略不计，而是由多个因素的综合作用的结果；对于宏观腐蚀电池起主导作用的地下腐蚀，由于是阴极与阳极相距较远，土壤电阻率则起主导作用。

（3）土壤的通气性和松紧度。土壤通气性与土壤中金属腐蚀关系比较复杂，一般认为氧是土壤腐蚀的重要因素之一。氧的存在对阴极反应的生成具有较大影响，在以微电池为主的腐蚀中，氧含量越高，腐蚀速率越大。但金属在土壤中的腐蚀主要是宏观电池腐蚀，这主要是由于氧浓差电池引起的。金属在水分较多、含氧量较少的紧实黏土中电位较低，成为阳极区而受到腐蚀。

应注意，钢质导体容易在土壤中发生点蚀，而土壤的通气性对点蚀的发生有一定影响。在透气性良好的土壤中，尽管导体的点蚀速度一开始很大，但随使用时间的增加下降很快。这是由于在氧供应充足的条件下，铁氧化生成三价的氢氧化铁，并以此稳定形式紧密沉积在金属的表面，保护导体不再受腐蚀。

（4）土壤的pH值。土壤的pH值表示了土壤酸碱性的强弱程度。在强酸性土壤中，H+在阴极得到电子还原，其含量直接影响阴极反应。如图7-16和表7-4所示，酸性越高，腐蚀速率越大。在氧的阴极去极化占主导的中性和碱性土壤中，土壤酸度是通过中和阴极过程所形成的OH-而影响阴极极化。阳极反应还原生成的金属离子，其溶解度也因土壤pH值不同而不同。

图7-16　钢的平均年腐蚀率与土壤pH值的关系

表7-4　土壤pH值与腐蚀性的关系

（5）土壤微生物氧化还原电位。土壤中缺氧时，如在密实、潮湿的土层深处，一般来说，由于氧是阴极过程的去极化剂，当氧缺乏时金属腐蚀难于发生并维持。然而，当土壤中存在微生物时，特别是有硫酸盐还原菌时，则会发生强烈的微生物腐蚀。

土壤中的电化学反应实质上也是氧化还原反应。土壤氧化还原电位是一个综合反映土壤介质氧化还原程度的强度指标，一般认为，400mV以上为氧化状况，0～200mV为中等还原状况；0mV以下为强还原状况。土壤的氧化还原电位越低，土壤中的微生物对金属的腐蚀作用就越强，反之亦然，因此可以通过测量土壤还原电位预测土壤的微生物腐蚀能力。

（6）土壤中的盐分和组成。土壤中的可溶性盐除了对土壤介质导电过程起作用外，还参与电化学反应，从而对土壤腐蚀性有一定的影响。一般情况下，可溶盐含量增加，导电性增加，宏观电池的腐蚀性增大。与此同时，可溶盐在土壤中的移动和集聚，使土壤中盐含量分布不均，导致盐浓差电池的产生。另外，土壤盐分对金属电极的电位、溶解氧和微生物的活动均有一定的影响。

土壤中可溶性盐的种类很多，而它们对土壤腐蚀性的影响不完全相同，因此还要注意可溶性盐的组成。

氯离子是土壤中腐蚀性最强的一种阴离子。氯化物对金属材料的钝性破坏很大，促进土壤腐蚀的阳极过程，并能渗透通过金属的腐蚀层，与钢铁反应生成可溶性产物。

硫酸盐不仅能破坏金属表面的保护膜，也能促进钢铁腐蚀。但土壤中的硫酸盐对铅的腐蚀有抑制作用，因为硫酸盐、硅酸盐、碳酸盐能使铅表面钝化。另外，如果土壤中含有硫化物则会引起金属的严重腐蚀。上述提到，硫离子会与钢铁反应生成硫化铁，这与微生物硫酸盐还原菌的腐蚀作用有关。

土壤中含有硝酸盐时会使铁和铜导体形成钝化膜，但会引起铅的腐蚀。

（7）土壤温度。金属材料在土壤中的腐蚀主要是电化学过程，温度升高无疑会加快反应过程。同时，直流接地装置长期有较大的电流通过，将使温度升高，从而进一步使接地装置的腐蚀速率增加。另外，土壤温度还影响微生物的生理活动。由于不同的微生物都有一个适宜的温度，当土壤温度低于零下时，微生物的活动将趋于停滞，随着温度的提高，微生物的活动增强，腐蚀作用增大。

7.3.2.2　大气引起的腐蚀

金属材料与所处的自然大气环境因环境因素的作用而引起的变质或破损称为大气腐蚀。主要是金属材料受大气中所含的水分、氧气和腐蚀性介质（包括NaCl、SO2、CO2、烟尘、表面沉积物）的联合作用引起的破坏。

大气腐蚀按腐蚀反应可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。除了在干燥的大气环境中发生氧化、硫化等属于化学反应外，大气腐蚀基本上属于电化学性腐蚀范围。有别于全浸电解液中的电化学腐蚀，大气腐蚀是一种液膜下的电化学腐蚀，由于金属表面上存在了一层饱和了氧的电解质薄膜，使大气腐蚀以氧优先作为去极化剂进行腐蚀。

大气的主要成分是水和氧，二者均是决定大气腐蚀速度和历程的主要因素，其中水膜的厚度直接影响大气腐蚀过程。因此本书根据腐蚀金属表面的潮湿程度把大气腐蚀分为“干的”“潮的”和“湿的”三种类型进行论述。

1.干的大气腐蚀

干的大气腐蚀也称为干的氧化和低温度下的腐蚀，属于化学性质的常温氧化，即金属表面上没有水膜存在时的大气腐蚀。在清洁而又干燥的室温大气中，大多数金属生成一层极薄的氧化膜。

2.潮的大气腐蚀

潮的大气腐蚀在相对湿度在100%以下，金属在肉眼不可见的薄水膜下进行的腐蚀，如铁在没有被雨、雪淋到而生锈。这种水膜是由于毛细管作用、吸附作用或化学凝聚作用而在金属表面上形成的。因此，这类腐蚀在超过临界相对湿度时，污物的存在能强烈地促使腐蚀速度增大，而且污物还会使临界湿度值降低。

3.湿的大气腐蚀　

湿的大气腐蚀是在相对湿度为100%附近或水分（雨、飞沫等）直接落在金属表面上时，水分在金属表面上凝聚成肉眼可见的液膜时的大气腐蚀。

潮的和湿的大气腐蚀都属于电化学腐蚀，表面液膜层厚度不同决定了它们的腐蚀速度不同。

图7-17　大气腐蚀速度与金属表面上的水膜厚度的关系

总结三种情况下大气腐蚀如图7-17所示：区域Ⅰ水膜厚度过小，没有延续的电解质液膜，相当于干的大气腐蚀，腐蚀速度较慢；区域Ⅱ，金属表面有一层很薄的电解质液膜存在，且液膜易于氧的扩散进入界面，相当于潮的大气腐蚀，腐蚀速度剧增；区域Ⅲ，液膜厚度已达到明显可见的程度，相当于湿的大气腐蚀。随着水膜厚度的增加，氧的扩散阻力加大，腐蚀速度开始下降；当液膜进一步变厚时，即区域Ⅳ，相当于金属全沉浸在电解液中的腐蚀，腐蚀速度下降平缓。

7.3.2.3　海水引起的腐蚀

对于海上风电场的接地体来说，海水是要考虑的主要腐蚀介质。海水的含盐量较大，盐分中的主要物质为NaCl，占总盐度的77.8%。而Cl-对接地体的腐蚀性很强。在海水中，Cl-容易破坏金属面的钝化膜，导致孔蚀和缝隙腐蚀的发生，只有少数易钝化金属，如钛、锆等，才能在海水中保持钝态。图7-18所示为钢接地体的腐蚀率与Cl-浓度的关系。

图7-18　钢接地体的腐蚀率与Cl-浓度的关系

7.3.2.4　杂散电流引起的腐蚀

杂散电流是指在土壤介质中存在的一种大小方向都不固定的电流，这种电流对材料的腐蚀称为杂散电流腐蚀，也可以简称为电腐蚀，是电化学腐蚀的一种特殊形式。根据杂散电流的性质，可分为直流电流腐蚀和交流电流腐蚀。直流设备（如电解槽、电气化铁路、电车、直流电焊设备等）经常会因绝缘不良而产生入地的杂散电流，这种电流使从土壤流入接地体的部位成为阴极而受到保护，而电流经金属接地体再流进的大地因为是阳极而遭受腐蚀，和普通电化学过程中作为阳极的金属会发生腐蚀的原理基本一致，如图7-19所示。

图7-19　杂散电流引起的腐蚀

反应的机理为：当铁在阳极被氧化成离子态进入土壤后，和土壤中的OH-生成氢氧化亚铁，再进一步与氧气和水结合成三价的氢氧化铁——一种红褐色的固体稳定稀松组织附在导体表面，铁阳极因而逐渐消耗。

杂散电流的腐蚀程度比自然腐蚀大得多，据资料表明，1A的电流一年能消耗10kg的铁、11kg的铜或者37kg的铅。壁厚8～9mm的钢管，快则2～3个月就会腐蚀穿孔。

交流杂散电流通过接地体时也会使接地体产生腐蚀，其机理比直流腐蚀复杂，但一般认为交流腐蚀的强度比直流腐蚀小得多，通常可以忽略不计。

7.3.2.5　降阻材料引起的腐蚀

考虑到一些降阻材料将与接地材料紧密接合，如果降阻材料对接地材料有较强的腐蚀性，将减少接地装置的使用年限，甚至发生接地不良的事故。

某些降阻材料所含凝胶质中的成分具有阴极去极化作用，会加速阴极反应，从而使腐蚀增强。在具体工程中，为了增强某些降阻材料的降阻指标，常常加大降阻材料中无机盐的含量，若所使用的无机盐类能够促进电化学腐蚀的发生，降阻材料就会加速接地体的腐蚀。

降阻材料对接地体的腐蚀效果分为有腐蚀、无腐蚀和有防腐保护作用三种。实际工程中，要注意不应该选择对接地材料有腐蚀作用的降阻材料，最好使用对接地材料具有防腐保护作用的降阻材料。