防腐材料应用的要求与优化措施

接地体作为防雷接地系统中的重要一环，必须保证其稳定性、长效性和寿命，然而无论是陆上还是海上风电设施，都会受到来自土壤、大气、海水等介质各种因素的强腐蚀，严重影响其长期稳定运行。因此，对于接地装置有必要采取一定的防腐蚀保护措施。

7.3.3.1　接地材料的腐蚀机理分析

对于接地材料的腐蚀可以总结为两大腐蚀机理，即化学腐蚀与电化学腐蚀，其中以氧为去极化剂发生的电化学反应为主。

1.化学腐蚀

化学腐蚀属于在自然环境中发生的腐蚀，是接地装置金属表面和周围环境中的非电解质接触而直接进行单纯的化学反应，同时是一种自发性的腐蚀。化学腐蚀的特点是金属表面原子与非电解质氧化剂直接发生氧化还原反应，产生腐蚀产物。此过程中，电子的传递在金属原子与氧化剂间直接进行，不产生电流。一般来说，单纯的化学腐蚀考虑较少。

2.电化学腐蚀

电化学腐蚀的机理实际上就是原电池反应的原理。当存在少量水分时，土壤水即成为一种电解质溶液。接地装置金属部分在地下要延伸一定距离，由于土壤的不均匀性，导体会遭遇不同的土壤环境，即有可能因氧气浓度差或温度差形成完整的原电池腐蚀系统。

（1）阳极反应。金属接地材料作为阳极失去电子发生电化学过程。在接地材料的原电池腐蚀系统，接地材料作为阳极失去电子被氧化，化合价升高，成为水合阳离子，转入电解质溶液，失去原来的原子特性。

不难理解，在酸性土壤中，铁直接以二价离子形式存在于电解质溶液中；在中性或碱性土壤环境中，阳极反应生成的二价铁离子与氢氧根离子反应生成氢氧化亚铁，氢氧化亚铁在土壤中的氧和水的作用下进一步反应生成氢氧化铁，最后转化成稳定的氧化铁等腐蚀产物。

（2）阴极反应。在电化学腐蚀过程中，阴极的去极化剂得到电子被还原的过程，称为阴极反应过程，其中H+和氧气是接地材料电化学腐蚀常见的阴极去极化剂。

黄铜发生选择性腐蚀时，溶解的Cu2+将在黄铜表面重新沉积，形成一层疏松的红色海绵铜，这层海绵铜作为电池的附加阴极，促进了原电池反应的发生。

一般情况下，要发生电化学腐蚀，既要有电位较低的金属作为阳极被还原成金属离子，发生溶解，还要有能保证阴极过程持续进行的还原剂，阳极和阴极之间有电子流动，反应才能持续发生。其中阴极反应主要是以析氢腐蚀和吸氧腐蚀为主。导体的EM必须低于H+的EH才能引起氢离子被还原析出氢气的反应过程，发生吸氧腐蚀的必要条件是金属在溶液中的平衡电位比0.805V低；常用的金属电极材料在水中的标准电极电位的排列顺序为Mg＜Al＜Fe＜H2＜Cu。

7.3.3.2　达到良好防腐效果的措施

以上对接地导体在各介质中腐蚀的基本原理和影响因素、接地导体的腐蚀基本机理进行了分析，为了满足接地网的正常使用寿命和其他应用要求，在设计接地网时应考虑采取一定的防腐措施。

1.注意接地网的选址和选材

（1）选址。接地网的敷设选址应该尽可能地远离强腐蚀和污染区域。值得注意的是，要尽量保证接地网埋深的效果，足够的深度既可以降低接地电阻，同时下层土壤比上层土壤含氧量少，从而降低腐蚀速度。同时，工程中埋入接地极后回填土要用细土并夯实，减少氧气的渗透量，减少氧气的浓度差，从而减缓腐蚀。

（2）选材。对接地材料的选择应进行全面的技术经济分析比较。与我国主要采用钢材料作为接地体相比，国外发达国家选用在土壤中耐腐蚀的铜材料（图7-20），既有优点也存在着缺点。

图7-20　铜质接地棒

1）选铜材料作为接地体的优点如下：

a.铜接地装置比钢接地装置使用寿命长。铜不仅具有良好的导电性，而且具有优异的化学稳定性，其在土壤中的腐蚀速率仅为钢铁的1/5～1/10，使用寿命长达50年以上。相反，钢接地装置在防腐方面不尽如人意，碳钢在一般土壤中的年平均腐蚀在0.2mm左右，接地装置寿命往往达不到设计寿命，一般在10年左右，如某市电力公司调查表明，220kV变电站钢材料接地装置的使用寿命仅为5～7年。

b.铜接地装置运行维护工作量较小。由于镀锌钢接地装置性能不稳定，因此规程制定了严格的检查、试验项目，如《电力设备预防性试验规程》（DL/T 596—2005）要求钢接地装置每6年进行一次接地电阻测试，每8年开挖检查一次。相反，如果采用较稳定的铜接地装置，运行维护工作量将大大减小。

c.铜接地装置的接触电位差和跨步电位差相对较小。铜材相对磁导率为1，钢材相对磁导率为636，而接地装置的电位差随着相对磁导率的增大而增大，因此铜接地装置的接触电位差和跨步电位差相对较小，保证了运行维护人员的安全。

2）选铜材料作为接地体的缺点如下：

a.铜材远比钢材贵。考虑经济因素，铜材价格约为钢材的20多倍，铜材接地网的造价远远高于钢材接地网。同时，我国的铜矿资源相对匮乏，因此在我国铜质接地体难以大规模推广。

b.铜质接地网容易造成电偶腐蚀。本书前文提到，采用不同的材料时，在两种不同金属电气连接后形成电偶腐蚀作用，电位较低的金属发生溶解而腐蚀，从而影响其他钢结构的使用寿命，特别是电厂其他钢结构如地下循环水管和接地网。

c.铜属于重金属，在长期的使用过程中会产生重金属污染，对土壤造成损害。考虑环保因素，在现今非常注重环境保护的社会环境下铜材料接地网不值得提倡。

2.用覆盖层保护

由于在电化学腐蚀过程中，接地导体通常作为原电池系统的阳极被腐蚀，因此在导体表面用覆盖层保护是防止导体腐蚀普遍而又重要的方法。覆盖层可以使导体与外界隔离，以阻碍金属表面原子失去电子被还原，从而被腐蚀。

覆盖可分为金属覆盖层和非金属覆盖层两类。

（1）金属覆盖层。用耐腐蚀性强的金属或合金作为覆盖层，覆盖在容易发生腐蚀的导体表面，如电镀铜钢导体、镀锌钢导体等。采用金属覆盖层时，必须注意覆盖层的完整性，因为一旦覆盖层出现破损等不完整情况时，表面的两种金属便形成原电池，从而腐蚀接地材料。目前，采用热镀锌减缓腐蚀速度是一种最常见的做法。表面的热镀锌使接地网得到保护，但是效果不是很明显，原因如下：

1）锌的抗腐蚀能力较强，在一般土壤中的年平均腐蚀仅有0.065mm，然而我国目前的热镀锌厚度通常在0.05～0.06mm。同时，锌材料只是比较适用于碱性环境，而对酸性环境的耐腐蚀能力比较差，一般镀层对防腐也只起1年的保护作用（土质状况较好的地区也不会超出3～5年）。

2）由于存在着金属材料的杂散电流腐蚀，在杂散电流的作用下，热镀锌层很快就电解腐蚀掉，因此其耐蚀性能与未加镀锌层的普通碳钢相比提高极少，不能明显改善接地网的防腐性能。

（2）非金属覆盖层。其主要作用与金属覆盖层类似，目的是为选用密度较大的非金属材料形成覆盖层，将导体与电解质溶液隔离，达到保护效果，如用油漆、沥青和塑料等。在电力系统中，土壤中普遍采用焦油沥青覆盖层。将接地引线表面清理干净，然后涂刷一层密实的沥青，形成一个绝缘护套，即可以将原电池作用大大降低，减慢接地引线本身及由它引起的对接地装置的电化学腐蚀速率。为了增加覆盖层的厚度，往往加入填料或用石棉、玻璃纤维等无机纤维缠绕加固。另外，也可采用聚乙烯塑料带及环氧树脂喷涂等方法。

3.控制反应过程

由原电池分析过程，一旦处于阳极的金属接地体被钝化，将有助于抑制原电池系统的持续反应。若向合金中加入容易钝化的合金元素，或加入阴极性合金元素（贵金属），将促进阳极钝化，如铁中加入铬、不锈钢中加入铜等。

除此之外，加入阳极缓蚀剂也可以进一步控制腐蚀体系的反应过程。缓蚀剂是只要少量加入就能够显著减缓或阻止金属腐蚀的物质，也称为腐蚀抑制剂。其优点在于，保护金属缓蚀剂用量少、见效快、成本较低且使用方便。缺点在于，缓蚀剂的保护效果有强烈的选择性，与金属材料的种类、性质和腐蚀介质的性质、温度、流动情况有密切关系。例如，对钢铁有缓蚀作用的亚硝酸钠或碳酸环乙胺，对铜合金不仅无效，且会加速其腐蚀。目前还没有一种对各种金属都普遍适用的缓蚀剂。

4.实施阴极保护

阴极保护法主要有两种，即牺牲阳极的阴极保护法和外加电流的阴极保护法。

（1）牺牲阳极的阴极保护法。此方法利用的是原电池原理，具体为使用一种比需要保护的接地体金属材料的化学性质更为活泼、电位更低的金属作为牺牲阳极，即此金属材料更加容易失去电子发生氧化反应，具有比被保护构件的金属材料更低的自然腐蚀电位。表7-5为金属和合金在海水中的电偶序。

表7-5　金属和合金在海水中的电偶序(www.xing528.com)

作为牺牲阳极，金属或合金必须满足以下几个要求：

1）要有足够的负电位，且很稳定。

2）工作中阳极极化要小，溶解均匀，产物易脱落。

3）阳极必须有高的电流效应，即实际电容与理论电容的百分比要大。

4）电化学当量高，即单位重量的电容要大。

5）腐蚀产物无毒，不污染环境。

6）材料来源广，加工容易。

7）价格便宜，经济实惠。

把要作为牺牲阳极的金属材料埋在土壤中，再用导线将其与被保护接地体连接起来，形成一个腐蚀原电池系统。牺牲阳极由于性质较活泼失去电子被还原，电子经过导线流向阴极，而溶解得到的正离子经过土壤流向阴极，即向阴极提供了一个阴极保护电流，使作为阴极的被保护构件得到阴极极化，表面富集电子而不再产生离子从而免遭腐蚀。牺牲阳极的阴极保护法原理如图7-21所示。

图7-21　牺牲阳极的阴极保护法原理

牺牲阳极的阴极保护法不需要外部电源，对临近的地下金属构筑物干扰小，不占用地面场地，安装施工简单。然而，牺牲阳极法不适合在土壤电阻率高的环境下使用，保护电流不可调，对覆盖层的质量要求高，并且消耗有色金属，需要定期更换，可能会引起成本的增加。

图7-22所示为使用一年后未实施牺牲阳极阴极保护的试片和实施了牺牲阳极阴极保护的试片效果比较图。从图中可以发现，一年后未实施保护的试片腐蚀已经相当严重，而实施保护的试片表面保护完好，只是有产生结痂的现象。

图7-22　保护效果比较图

（2）外加电流阴极保护法。此方法利用的是电化学原理。外加电流阴极保护系统主要由外加直流电源、辅助阳极和参比电极等几部分组成。将被保护金属接地体与直流电源的负极相连，由直流电源提供阴极保护电流，以使被保护构件阴极极化，表面只发生还原反应，不发生使金属离子化的氧化反应，从而保证接地体不被腐蚀。外加电流的阴极保护法原理如图7-23所示。

图7-23　外加电流的阴极保护法原理

外加电流阴极保护系统中辅助阳极的作用是把电子输送到阴极，即被保护的金属构件上，其与牺牲阳极的阴极保护法所用的阳极材料要求截然不同。外加电流法的辅助阳极材料应具有以下特点：导电性好、耐腐蚀性好、寿命长、一定电压下单位面积通过的电流大、阳极极化小、有一定的机械强度、可供长期使用、易于加工、来源方便、价格便宜。常用的辅助阳极材料有钢、石墨、高硅铁、磁性氧化铁等。

外加电流阴极保护系统中的参比电极用来与直流电源配合，测试出被保护金属构件的电位，便于调节电源的输出电压，以确保金属构件得到充分的保护。因此，参比电极要求可逆性好，不易极化，坚固耐用，能在长期使用中保持电位稳定、准确、灵敏。常用的参比电极有Cu/CuSO4电极，Ag/AgCl电极等。

外加电流的阴极保护法输出的保护电流可以连续调节，且可以满足较大的电流保护密度要求，保护范围大，不受大地电阻率大小的限制，对覆盖层质量要求相对较低。然而，此方法对临近的地下金属构筑物干扰大，且有可能出现过保护。

（3）牺牲阳极的阴极保护法和外加电流的阴极保护法比较。两种方法的优缺点比较见表7-6。

表7-6　牺牲阳极和外加电流优缺点比较

5.提高接地体的热稳定性

作为接地体的应用要求之一，腐蚀体系热力学稳定性的高低取决于金属本身和介质条件。例如，在钢中加铜、在铜中加金，即在金属中加入电位较高的金属元素，从而提高金属接地体的电极电位。

6.外涂导电防腐材料

导电防腐涂料是指电导率在10～103S/cm以上的具有导体和半导体性能的涂料，主要由基体树脂、导电填料、溶剂及添加剂组成。近几年，国内外对导电防腐涂料的技术研究发展很快，有望成为广泛用于接地装置防腐应用的新技术。其特点是涂料具备很低的电阻率，又具备对酸、盐的抗腐蚀，同时由于用量很少，施工较简单、价格适中，可以认为是目前接地装_置防腐中较为经济的一种措施。

7.GPF-94高效膨润土降阻防腐剂

GPF-94高效膨润土降阻防腐剂作为新型接地装置防腐材料，从本质上讲，它属于一种物理保护类型，相当于物理降阻剂兼做接地装置的外围防腐层。

（1）三个最基本的技术特点。

1）导电性能良好，电阻率尽量低于土壤电阻率并与被保护的金属的电阻率相接近。

2）防腐性能良好，对钢质接地体的腐蚀率不大于0.0025mm/a，对土壤中广泛存在酸、碱、盐等环境有较强的耐受能力。

3）现场施工工艺简单易行，机械强度适当，价格适宜，同时对环境没有任何污染。

（2）防腐机理。

1）调整降阻剂的酸碱度呈碱性，pH值为10左右，氢离子浓度小，腐蚀电位高，使析氢腐蚀无法存在。

2）由于降阻剂结构密致，在内部的接地体含氧量极少，使接地体基本上不与氧气接触，防止了吸氧腐蚀。

3）降阻剂内含有大量的钾、钙、镁、铝等金属氧化物，它们的金属离子都比铁的标准电极电位低，具有较好的阴极保护作用。

4）在降阻剂中加入了一定比例的无机缓蚀剂及膨润土本身的钝化作用，在钢接地体表面生成一层钝化膜，保护了钢体。

5）接地体添加高效膨润土降阻剂后，相当于添加了一个外围防护层，使接地体不直接与周围土壤接触。因此，当接地体通过大的工频接地短路电流和冲击电流时，电火花发生在降阻剂与土壤之间，从而使接地体免遭电火花腐蚀。