接地裝置是電力系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分。我國(guó)普遍采用的接地網(wǎng)材料為碳鋼、鍍鋅鋼等，這些材料在土壤環(huán)境中很容易發(fā)生腐蝕，導(dǎo)致電力安全事故的發(fā)生，進(jìn)而威脅人身安全，給電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成威脅。

目前，我國(guó)對(duì)接地網(wǎng)電氣連接故障點(diǎn)及腐蝕診斷還沒有形成系統(tǒng)、完備的方法，一般采用開挖檢測(cè)的方法進(jìn)行，這往往造成人力物力的無效耗費(fèi)。如何延長(zhǎng)接地網(wǎng)的使用壽命、確保其安全性，已成為電力部門急待解決的難題。

近年來，為延長(zhǎng)接地網(wǎng)的使用壽命和確保其安全性，研究人員對(duì)接地網(wǎng)開展了很多工作。一方面，從改善接地材料的耐腐蝕性能出發(fā)，采用了鋅包鋼、銅包鋼、不銹鋼覆層鋼、鋁鎂合金覆層鋼等新型的耐蝕性接地材料；另一方面，研究接地網(wǎng)材料的腐蝕行為與機(jī)理，建立接地材料腐蝕評(píng)估與預(yù)測(cè)方法，以指導(dǎo)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)接地網(wǎng)的選材。雖然這些措施有利于延長(zhǎng)接地材料的使用壽命，對(duì)電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)具有重要意義。然而，在實(shí)際接地系統(tǒng)應(yīng)用中，我國(guó)不同區(qū)域土壤介質(zhì)與環(huán)境條件差異較大，且目前我國(guó)對(duì)于不同接地材料（特別是新型接地材料）的腐蝕數(shù)據(jù)積累并不充分，因此僅僅靠上述措施仍然無法完全解決延長(zhǎng)接地網(wǎng)的使用壽命和確保電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)的問題。

通過現(xiàn)場(chǎng)原位腐蝕監(jiān)測(cè)可以得到接地網(wǎng)材料在服役環(huán)境中的腐蝕數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)比實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)和加速腐蝕試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)更接近于實(shí)際情況。因此，現(xiàn)場(chǎng)原位腐蝕監(jiān)測(cè)對(duì)于不同接地材料在不同介質(zhì)環(huán)境中的腐蝕數(shù)據(jù)積累具有重要意義。

傳統(tǒng)電化學(xué)腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)如線性極化法、恒電流階躍法和電化學(xué)阻抗法等是通過現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)與接地網(wǎng)相同材料的電極進(jìn)行測(cè)量，得到接地網(wǎng)材料的腐蝕數(shù)據(jù)。但這些方法得到的不是實(shí)際埋設(shè)接地網(wǎng)金屬的腐蝕數(shù)據(jù)。近年來，應(yīng)用于混凝土鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的護(hù)環(huán)電極方法開始被用于接地網(wǎng)金屬的腐蝕監(jiān)測(cè)。

護(hù)環(huán)電極腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)以現(xiàn)場(chǎng)接地網(wǎng)金屬為工作電極，通過添加一個(gè)輔助電極及護(hù)環(huán)電極將中心輔助電極的電力線限制在預(yù)定接地金屬表面積內(nèi)，從而解決了被測(cè)接地網(wǎng)金屬面積不確定的問題，獲得了實(shí)際埋設(shè)的接地網(wǎng)金屬的極化電阻，進(jìn)而得到其腐蝕速率。

試驗(yàn)材料與現(xiàn)場(chǎng)土壤性質(zhì)

采用市購普通熱浸鍍鋅圓鋼（ф10 mm）為試驗(yàn)材料，其基體為Q235鋼，表面鍍鋅層厚度為60~70 μm。將鍍鋅圓鋼分別加工成自腐蝕試樣、模擬接地網(wǎng)和電化學(xué)監(jiān)測(cè)探頭。

武漢土壤為棕壤土，取開挖現(xiàn)場(chǎng)深度0.6 m的土壤樣品，分析得到土壤的基本性質(zhì)如下：pH 6.9，電阻率4247 Ω·cm，含水量21%，飽和含水量43%，總鹽含量30%。從土壤性質(zhì)來看，試驗(yàn)土壤屬于低腐蝕性土壤。

試樣制備

1 自腐蝕試樣

將上述鍍鋅圓鋼材料加工成ф10 mm×50 mm的自腐蝕試樣（36個(gè)），加工過程中不破壞鍍鋅圓鋼原有表面狀態(tài)。使用無水乙醇、丙酮擦洗試樣表面，用冷風(fēng)吹干后，置于干燥器中24小時(shí)。用TG328A分析天平（精度0.1 mg）對(duì)試樣進(jìn)行稱量，結(jié)果取3次稱量平均值。對(duì)稱量后的試樣兩端進(jìn)行絕緣封裝，留出工作面積11.0 cm2（ф10 mm×35 mm）。封裝完成后的試樣可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)。

2 模擬接地網(wǎng)

模擬接地網(wǎng)為兩根ф10 mm×2 m鍍鋅圓鋼（圓鋼1和圓鋼2）。每根鍍鋅圓鋼兩端鉆孔，配螺栓。將焊有接線片的兩根電纜（VV1000 1×10，長(zhǎng)度2 m）連接到螺栓上（兩端各連1根），確認(rèn)導(dǎo)線與鍍鋅圓鋼的電連接。用無水乙醇、丙酮清洗試樣，再用環(huán)氧重防腐蝕涂料涂封螺栓連接處。待試樣表面涂層干燥后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)。

3 電化學(xué)監(jiān)測(cè)探頭

將鍍鋅圓鋼加工成ф10 mm×50 mm的電極試樣，在試樣一端焊接銅導(dǎo)電（長(zhǎng)度2 m），用環(huán)氧樹脂封裝試樣兩端，留出工作面積11.0 cm2（ф10 mm×35 mm）。電化學(xué)監(jiān)測(cè)探頭由3支電極試樣按等邊三角形排列（彼此間距約2 cm）組成，共制備了3組電化學(xué)監(jiān)測(cè)探頭。

現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)布局

在室外開挖3.0 m×0.7 m×0.6 m的土坑，按圖1所示位置埋設(shè)試樣。模擬接地網(wǎng)（2 m鍍鋅圓鋼）位于土坑中央，兩端的連接電纜用ф30 mm×3 mm的電纜護(hù)管保護(hù)引出地面。在鍍鋅圓鋼兩端和中部同深度（0.6 m）位置，等距離埋設(shè)電化學(xué)監(jiān)測(cè)探頭3組（編號(hào)1~3），測(cè)試導(dǎo)線同樣用ф30 mm×3 mm的電纜護(hù)管保護(hù)引出地面。自腐蝕試樣平躺埋設(shè)，每3個(gè)自腐蝕試樣為一組，每組試樣間隔約0.2 m。在兩根鍍鋅圓鋼中部正上方留出ф50 cm，深度45 cm的空間用于護(hù)環(huán)電極測(cè)量。將開挖的土壤按順序回填，盡可能保持土壤原始狀態(tài)。記錄回填完成時(shí)間作為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試起始時(shí)間。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)試樣埋設(shè)位置示意圖

電化學(xué)測(cè)試

電化學(xué)測(cè)試在CS353便攜式電化學(xué)工作站進(jìn)行。試樣埋設(shè)后，以便攜式飽和硫酸銅電極為參比電極測(cè)量模擬接地網(wǎng)和電化學(xué)監(jiān)測(cè)探頭的自腐蝕電位（Ecorr）。分別測(cè)量3組電化學(xué)監(jiān)測(cè)探頭的電化學(xué)阻抗（EIS），測(cè)量時(shí)激勵(lì)信號(hào)為幅值±10 mV的正弦波，測(cè)試頻率范圍為0.01～105 Hz。然后采用Zview2.0軟件擬合處理EIS數(shù)據(jù)。

測(cè)量得到模擬接地網(wǎng)中2根圓鋼的自腐蝕電位隨時(shí)間的變化曲線類似，3組電化學(xué)監(jiān)測(cè)探頭的曲線也類似。因此以模擬接地網(wǎng)（圓鋼2）兩端以及電化學(xué)監(jiān)測(cè)探頭2中各電極為例，對(duì)其自腐蝕電位進(jìn)行說明，如圖2所示。

(a) 模擬接地網(wǎng)  (b) 電化學(xué)監(jiān)測(cè)探頭

圖2 武漢土壤中鍍鋅圓鋼自腐蝕電位隨時(shí)間的變化曲線

從圖2可見，在埋設(shè)初期（小于40天），自腐蝕電位比較負(fù)，在-1.2～-1.0 V，該數(shù)值范圍為鍍鋅層的自腐蝕電位；埋設(shè)時(shí)間超過40天后，自腐蝕電位開始明顯正移。其中，埋設(shè)時(shí)間為40～60天時(shí)，自腐蝕電位正移幅度最大，這是由于鍍鋅層被逐漸破壞，基體Q235鋼暴露于土壤介質(zhì)中，二者偶合導(dǎo)致的結(jié)果；埋設(shè)時(shí)間超過90天后，自腐蝕電位在-0.9～-0.6 V區(qū)域波動(dòng)，其數(shù)值更接近Q235鋼的自腐蝕電位，這說明此時(shí)試樣表面的鍍鋅層已經(jīng)大部分被破壞。

定期測(cè)量3組電化學(xué)監(jiān)測(cè)探頭的EIS，通過Zview2.0軟件擬合得到極化電阻Rp，并計(jì)算3組探頭極化電阻的均值和方差，結(jié)果如圖3所示。

(a) 極化電阻  (b) 極化電阻均值與方差

圖3 武漢土壤中鍍鋅圓鋼電化學(xué)監(jiān)測(cè)探頭測(cè)量的極化電阻及其均值和方差隨時(shí)間的變化曲線

從圖3(a)可見，由于3個(gè)探頭的埋設(shè)位置和狀態(tài)存在差異，其極化電阻之間有差異，但總體變化趨勢(shì)是基本一致的。從圖3(b)可見，在埋設(shè)初期（小于40天），極化電阻均值呈先增大后減小再增大的變化趨勢(shì)，埋設(shè)40天后則呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。

結(jié)合圖2中自腐蝕電位數(shù)據(jù)來看，埋設(shè)初期試樣主要表現(xiàn)出鍍鋅層的腐蝕行為，這期間極化電阻的變化正好反映了鍍鋅層逐漸被腐蝕破壞的過程。埋設(shè)40天后，自腐蝕電位開始明顯正移，此時(shí)Q235鋼基體的影響逐漸增強(qiáng)，鍍鋅層腐蝕加速，極化電阻較小。隨后極化電阻逐漸增大，這可能與試樣表面生長(zhǎng)的腐蝕產(chǎn)物對(duì)腐蝕的抑制作用有關(guān)。

護(hù)環(huán)電極測(cè)試

試樣埋設(shè)后，采用CST700護(hù)環(huán)測(cè)試儀測(cè)量模擬接地網(wǎng)的極化電阻。護(hù)環(huán)電極如圖4所示，圖中RE1，RE2，RE3均為飽和Cu/CuSO4參比電極，CE為輔助電極，GE為護(hù)環(huán)電極。在地面（測(cè)量深度即護(hù)環(huán)電極距離接地網(wǎng)距離0.6 m）和中心預(yù)留位置（測(cè)量深度0.15 m）分別測(cè)量模擬接地網(wǎng)的極化電阻，測(cè)量中護(hù)環(huán)面積均選擇5.4 cm2，觀察測(cè)量深度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

圖4 護(hù)環(huán)電極示意

由測(cè)量結(jié)果可知，埋設(shè)時(shí)間為38天和165天時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大偏差，其他測(cè)量數(shù)據(jù)的相對(duì)偏差在-38%~29%。

實(shí)際測(cè)量中，影響護(hù)環(huán)電極測(cè)試數(shù)據(jù)的因素較多，如測(cè)試距離和土壤含水率都會(huì)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)產(chǎn)生明顯影響。埋設(shè)時(shí)間為38天時(shí)，是夏季土壤含水率很低的時(shí)間，這會(huì)影響護(hù)環(huán)電極發(fā)送電流在土壤中的分布，導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)偏離很大。此外，測(cè)試時(shí)難以保證護(hù)環(huán)電極放置位置正好處于接地網(wǎng)試樣的正上方，這會(huì)影響其實(shí)際的投影面積。總體來看，護(hù)環(huán)電極測(cè)量的極化電阻數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，但如果條件控制得當(dāng)，得到的數(shù)據(jù)與電化學(xué)監(jiān)測(cè)探頭測(cè)量的數(shù)據(jù)是具有可比性的。

失重法測(cè)試腐蝕速率

每個(gè)月取一組（3個(gè)）埋設(shè)自腐蝕試樣，開挖時(shí)不擾動(dòng)附近的試樣。取出自腐蝕試樣后，清除試樣表面浮土，立即拍照記錄，放入試樣袋中保存。對(duì)于表面鍍鋅層未腐蝕掉的試樣，采用10%過硫酸銨溶液除掉試樣表面的腐蝕產(chǎn)物；對(duì)于鍍鋅層腐蝕試樣，先用酸洗液除掉試樣表面的腐蝕產(chǎn)物，再用水清洗干燥。然后，用TG328A分析天平稱量試樣，再拍照記錄。采用失重法即根據(jù)試樣腐蝕前后質(zhì)量差，計(jì)算自腐蝕試樣的腐蝕速率。

圖5 武漢土壤中鍍鋅圓鋼腐蝕速率隨時(shí)間的變化曲線

從圖5可見，埋設(shè)時(shí)間為1～2月時(shí)，腐蝕速率vcorr較大且稍有增大趨勢(shì)，但埋設(shè)時(shí)間超過2月后，腐蝕速率逐漸減小，埋設(shè)2～3月期間，腐蝕速率減小幅度最大，埋設(shè)3月后，腐蝕速率減小趨勢(shì)變緩。

圖6 鍍鋅圓鋼在武漢土壤中埋設(shè)不同時(shí)間（1~6月）后的腐蝕形貌

從圖6中可以看出，埋設(shè)初期（前3月），鍍鋅層的腐蝕溶解并不均勻。埋設(shè)30天時(shí)，試樣表面部分區(qū)域鍍鋅層已完全被破壞。隨著埋設(shè)時(shí)間延長(zhǎng)，鍍鋅層的破損區(qū)域逐漸增大。在這種狀態(tài)下，鍍鋅層與Q235基體會(huì)形成腐蝕電偶，加速鍍鋅層的溶解破壞，而Q235鋼基體將被保護(hù)。這一時(shí)期，試樣表面仍主要為鍍鋅層，因此測(cè)試得到的自腐蝕電位和腐蝕速率主要反映了鍍鋅層的腐蝕行為。埋設(shè)時(shí)間超過3月后，試樣表面殘留的鍍鋅層已很少。因此，試樣的自腐蝕電位逐漸正移到接近Q235鋼的自腐蝕電位值（見圖2）。但從圖6所示腐蝕形貌來看，埋設(shè)6月時(shí)試樣表面的鍍鋅層并未完全消失。總體來看，各試樣表面沒有出現(xiàn)明顯的局部腐蝕區(qū)域。

數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

根據(jù)腐蝕電化學(xué)原理，極化電阻Rp與試樣的腐蝕電流密度Jcorr呈反比關(guān)系，即Jcorr=B/Rp，其中B為Stern系數(shù)。因此，極化電阻倒數(shù)1/Rp可用來描述腐蝕速率的變化趨勢(shì)。

根據(jù)失重法得到的腐蝕速率是一段時(shí)間內(nèi)的平均值，而電化學(xué)監(jiān)測(cè)探頭得到的極化電阻是某一時(shí)刻的瞬時(shí)值。因此，需根據(jù)連續(xù)測(cè)定的Rp，繪制1/Rp-t曲線，計(jì)算曲線下的面積即對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，然后將積分值除以總的時(shí)間求出這段時(shí)間內(nèi)1/Rp的均值1/Rp均。該均值可以與腐蝕速率的變化趨勢(shì)對(duì)比，同時(shí)還可以根據(jù)vcorr和1/Rp均求出Stern系數(shù)B。

(a) 1/Rp     (b) 1/Rp均

圖7 武漢土壤中鍍鋅圓鋼電化學(xué)監(jiān)測(cè)探頭測(cè)量的1/Rp和1/Rp均隨時(shí)間的變化曲線

從圖7(b)可見，隨埋設(shè)時(shí)間延長(zhǎng)，1/Rp均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，與圖5中腐蝕速率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致。理論上根據(jù)腐蝕速率可得到腐蝕電流密度，再根據(jù)圖7(b)即可得到B。

鍍鋅圓鋼腐蝕后，鍍鋅層與基體Q235鋼之間形成電偶，對(duì)腐蝕數(shù)據(jù)的影響較大。根據(jù)埋設(shè)1月的腐蝕速率（1.246 g·dm-2·a-1）和1/Rp均（4.391×10-5 Ω-1·cm-2），按鋅溶解計(jì)算，得到Jcorr為1.167×10-6 A·cm-2，B為0.0266 V。這些結(jié)果進(jìn)一步說明埋設(shè)1月時(shí)試樣主要表現(xiàn)出鍍鋅層的腐蝕行為。

但根據(jù)埋設(shè)2～6月的數(shù)據(jù)計(jì)算的B迅速增大，根據(jù)埋設(shè)4～6月的數(shù)據(jù)計(jì)算的B遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過B的正常范圍（0.017～0.026 V）。可見，此時(shí)用上面的方法估算Jcorr是不可行的。

盡管如此，根據(jù)法拉第定律可知腐蝕速率vcorr與Jcorr之間應(yīng)該是線性關(guān)系，而Jcorr與1/Rp均也呈線性關(guān)系。因此，vcorr與1/Rp均之間也應(yīng)該滿足線性關(guān)系，通過兩者之間的線性關(guān)系可以觀察其相關(guān)性。圖8為鍍鋅圓鋼失重法得到的vcorr與電化學(xué)監(jiān)測(cè)探頭得到的1/Rp均之間的關(guān)系圖。圖中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的埋設(shè)時(shí)間相同。

圖8 鍍鋅圓鋼失重法得到的vcorr與電化學(xué)監(jiān)測(cè)探頭得到的1/Rp均之間的關(guān)系

線性擬合得到兩者之間的關(guān)系式為：vcorr=0.7397+0.1262×105×1/Rp均。其擬合度為0.928，皮爾森（Pearson）相關(guān)系數(shù)為0.9634，這說明電化學(xué)監(jiān)測(cè)探頭得到的極化電阻與失重法得到的腐蝕速率之間具有較好的相關(guān)性。

從圖8中也可見，埋設(shè)2月的數(shù)據(jù)偏離較大，這很可能與Zn-Q235之間電偶作用的影響較大有關(guān)。盡管如此，由于vcorr與1/Rp均之間有較好的線性關(guān)系，仍然可以通過Rp的測(cè)量來觀察鍍鋅圓鋼腐蝕速率的變化。

結(jié) 論

(1) 鍍鋅圓鋼在武漢土壤中埋設(shè)早期的自腐蝕速率較大（約1.26 g·dm-2·a-1），隨后逐漸減小。表面鍍鋅層溶解不均勻，在埋設(shè)1月時(shí)表面鍍鋅層已出現(xiàn)破損，但此時(shí)試樣仍表現(xiàn)出鍍鋅層的腐蝕行為（自腐蝕電位為-1.2~-1.0 V）。埋設(shè)3月后，試樣表面殘留的鍍鋅層已很少，逐漸表現(xiàn)出Q235鋼的腐蝕行為（自腐蝕電位為-0.8~-0.7 V）。

(2) 電化學(xué)監(jiān)測(cè)探頭得到的極化電阻與失重法得到的腐蝕速率之間的相關(guān)性較好。由于鍍鋅層破損后會(huì)與Q235鋼基體形成電偶，因此不能按傳統(tǒng)方法根據(jù)極化電阻得到腐蝕速率，但可以根據(jù)腐蝕速率與極化電阻倒數(shù)均值之間的線性關(guān)系來計(jì)算得到腐蝕速率。

(3) 現(xiàn)場(chǎng)采用護(hù)環(huán)電極法測(cè)量極化電阻的影響因素較多，特別是測(cè)量深度和投影面積的影響很大。本研究中在條件合適的情況下，護(hù)環(huán)電極法測(cè)量得到的極化電阻與電化學(xué)監(jiān)測(cè)探頭測(cè)量的極化電阻具有可比性。