刘 欣,裴 锋,田 旭,朱亦晨,刘光明,李财芳,贾蕗路

(1. 国网江西省电力有限公司 电力科学研究院，南昌 330096； 2. 南昌航空大学 材料科学与工程学院，南昌 330063)

输变电设备的接地装置是防雷接地、工作接地和保护接地三者的统一体[1]。若变电站的接地装置发生腐蚀，极易导致电力安全事故的发生，进而威胁人身安全[2-3]。近年来，电力系统不断向超高压、大容量和远距离的方向发展，对电网稳定性和经济性的要求也日益提高，锌包钢、铜包钢、不锈钢覆层钢、铝镁合金覆层钢等一大批新型的接地材料不断涌现[4-6]。与传统接地材料(碳钢、镀锌钢)相比，新型接地材料在土壤中的腐蚀数据积累相对较少，腐蚀测试方法和评价体系尚不完善。

目前，西方发达国家对于接地材料的腐蚀性能已经进行了深入研究，并建立了全面的防护工程标准和相应的法律制度[7]。但我国的土壤腐蚀环境复杂多变，土壤理化性质与国外存在较大差异[8-9]。完全照搬西方的管理和检测制度，难以保证服役于我国复杂土壤环境中接地材料的可靠性。因此,开发简便、可靠和规范化的土壤加速腐蚀试验方法，研究接地材料室内外腐蚀试验的相关性及相应的腐蚀评价方法，对于新型接地材料在我国典型土壤环境中的腐蚀数据积累及腐蚀评价工作具有重要意义[10-12]。

本工作通过现场埋设试验和室内加速腐蚀试验，并结合失重法测定了接地材料在我国四种典型土壤中的腐蚀速率，得出了接地材料在室内外土壤中腐蚀试验的相关性及腐蚀评价方法。以期提出通用的接地材料耐蚀性测试方法和评估体系，从而对各接地材料进行分级评估，指导工程应用。

1 试验

1.1 试样及土壤

试验材料为碳钢、铜、镀锌钢(锌层厚度为0.2 mm)、铜包钢(铜层厚度为0.2 mm)、锌包钢(锌层厚度为1 mm)、锌镁合金铜覆钢(锌镁合金层厚度为1 mm，铜层厚度为0.2 mm)和不锈钢包钢(不锈钢层厚度为0.2 mm)。在进行土壤加速腐蚀试验前用丙酮和无水酒精将试样仔细清洗干净后吹干，放入干燥器中备用。其中，对于锌包钢、铜包钢等具有金属覆盖层的试样，用704硅胶对基材暴露区域进行涂封，以防止电偶腐蚀对试验结果产生影响。

试验土壤分别取自武汉、天津、南昌和成都，土壤取样均按中国土壤腐蚀试验网站标准，取自地表下0.6～1.0 m处无碎石和杂草等异物的深层土壤，经化验其主要离子含量及理化参数如表1所示。采集的土样经自然干燥、研磨后过20目筛(0.83 mm)，然后置于110 ℃烘箱中干燥6 h，与蒸馏水按比例混合得到含水量(质量分数)为25%的试验土壤。

表1 土壤的理化分析结果Tab. 1 Physical and chemical analysis results of soils

1.2 试验方法

现场埋样腐蚀试验地点分别在武汉、天津、南昌和成都市内，试验流程均按中国土壤腐蚀试验网站标准进行，试样埋设深度为0.6 m，设置4个平行试样，四个地区埋片腐蚀试验的周期分别为356 d、322 d、296 d和338 d。室内加速腐蚀试验在LHS-70C型恒温恒湿箱中进行，试验土壤温度控制在45 ℃，相对湿度为85%。采用如图1所示的试验装置进行腐蚀试验，试样平行放置于试验土壤中，各方向土壤厚度均为50 mm，共设置15 d和30 d两个试验周期，各周期的平行试样为3个。试验过程中每隔24 h测量一次含水率，定期加入蒸馏水以补充土壤中蒸发的水分。

图1 试验装置示意图Fig. 1 Schematic drawing of test device

腐蚀试验结束后,用软毛刷轻轻刷去与试样表面结合不紧密的土壤颗粒，按GB/T 16545-2015《金属和合金的腐蚀 腐蚀试样上腐蚀产物的清除》将试样表面的腐蚀产物清除干净，各接地材料清洗液配方及清洗参数见表2。清除腐蚀产物后，采用失重法计算试样的平均腐蚀速率，见式(1)。

(1)

式中：W0为腐蚀试验前试样的原始质量(g)；W1为腐蚀试验后，去除腐蚀产物后的试样质量(g)；S为试样的暴露表面积(dm2)；t为试样的腐蚀时间(a)；V为试样的平均腐蚀速率(g·dm-2·a-1)。

2 结果与讨论

2.1 室内外腐蚀试验数据及拟合结果

由于现场埋样的土壤环境与接地材料实际服役环境基本一致，得到的腐蚀速率能够反映材料的真实耐蚀性。由表3可见，室内外土壤腐蚀试验得出的接地材料耐蚀性规律具有良好的一致性，七种接地材料腐蚀速率由大到小依次为碳钢>镀锌钢>锌包钢>锌镁合金铜覆钢>铜包钢>铜>不锈钢包钢。

(a) 15 d

如图2所示，R2为拟合优度，反映回归直线对观测值的拟合程度，R2值越接近1，说明回归直线对观测值的拟合程度越好。r是这两组数列的皮尔森(pearson)相关系数，反映两组数据关联性的大小，该值接近1或者-1说明数据具有强相关性。经计算可知，15 d室内加速腐蚀试验的回归直线斜率为8.8，30 d室内加速腐蚀试验的回归直线斜率为6.4，两组数据的拟合优度均为0.895。单从皮尔森相关系数考虑，两组数据的相关性都比较好，即室内加速腐蚀速率可以较好地反映真实土壤中材料的腐蚀趋势。但是两组数据的加速比差距较大，即室内加速腐蚀试验的加速比会随着试验周期的改变而发生变化。原因是现场埋设腐蚀试验和室内加速腐蚀试验的埋设地点、试验时间、土壤压实程度、材料氧化层分布和季节等因素都会影响材料的腐蚀速率[14-15]，而且这些因素具有较大的随机性，即使在统一的试验条件下，室内加速试验所得腐蚀速率也很难按加速比直接反推真实土壤中材料的腐蚀速率，需要进行归一化数据处理以规避部分随机因素的影响。

表2 清洗液配方及清洗参数Tab. 2 Formulation and cleaning parameters of rust removal solution

表3 现场埋设试样和室内加速试样的腐蚀速率Tab. 3 Corrosion rates of on-site embedding samples and indoor accelerated samples g·dm-2·a-1

2.2 室内外腐蚀试验归一化数据及拟合结果

归一化的原因是，每次试验都存在随机因素，但是如果每次试验都加入相同规格的碳钢作为对比样，进而求出同条件下接地材料腐蚀速率与碳钢腐蚀速率的比值，就有可能消除部分随机因素造成的影响，从而提高数据的可靠性,如表4所示。此外，我国接地材料绝大多数都采用碳钢材料，这种归一化方法也具有一定的实际意义。

表4 同条件下接地材料与碳钢的腐蚀速率比值Tab. 4 Corrosion rate ratio of grounding material to carbon steel under the same conditions

(a) 15 d

由图3可见，两组数据的拟合优度分别为0.918和0.952，可以得出，利用接地材料腐蚀速率与碳钢腐蚀速率的比值来评价接地材料的耐蚀性明显比直接利用接地材料的腐蚀速率更准确，且30 d加速腐蚀试验比15 d加速腐蚀试验更准确。通过这种数据处理方式得出的结果符合腐蚀试验周期越长则数据可靠性越强的常识性规律。此外，两组数据拟合出的斜率非常接近1，说明这种归一化方法规避了部分加速比变化带来的影响，因此利用加速腐蚀试验进行接地材料评价时，不必考虑加速比这一因素，这进一步提高了试验的可操作性。

2.3 接地材料分级评价法

通过对接地材料与碳钢的腐蚀速率比值进行归一化处理，得到了较为理想的数据拟合结果。但各个点仍存在一定的离散性，使得直接利用接地材料与碳钢的腐蚀速率比值进行接地材料耐蚀性评价依然不够准确。这是由于在进行多种接地材料耐蚀性横向评价时，同一试验条件下数据的准确性和评价方法的普适性不能同时得到保证。一套普适性强的接地材料耐蚀性评价方法，难以精确评估某种接地材料在某种特定土壤中的使用寿命。

分级评价只要求试验数据在某一区间内即可，降低了数据准确性的要求并且提高了评价方法的普适性。因此，可通过分级评价的方法，给出接地材料耐蚀性的优劣区间，从而得出相应的评分。

分级区间的设定原则：(1) 总分100分，分数越高则耐蚀性越好;(2) 耐蚀性最强的不锈钢可获得100分，耐蚀性其次的铜可获得80分，碳钢可获得60分;(3) 现场试验和室内加速试验所得数据的评分尽量保持一致。依据试验结果，提出较为理想的接地材料耐蚀性分级评价，如表5所示，α为接地材料与碳钢的腐蚀速率比值。

表5 接地材料耐蚀性分级评价Tab. 5 Grounding material corrosion resistance evaluation classification

由图4可知，接地材料总体打分结果基本满足分级区间设定的三个原则。以现场埋设所得的28个评分为基准值，15 d加速腐蚀试验评分中有4个失准，准确率为85.7%；30 d加速腐蚀试验评分中有1个失准，准确率为96.4%。

图4 室内加速试验与现场埋设试验的腐蚀评分对比Fig. 4 Corrosion scores comparison of indoor accelerated test and on-site embedding test

3 结论

(1) 本工作设计的室内土壤加速腐蚀试验能较好地模拟材料在真实土壤环境中的腐蚀行为，并且对材料耐土壤腐蚀的性能做出分级评价，得到了良好的室内外腐蚀试验相关性。

(2) 当接地材料进行加速腐蚀试验时，宜采用埋放相同规格的碳钢标准件同时进行腐蚀试验的方式，以接地材料/碳钢的腐蚀速率比值作为耐蚀性的评价标准，从而减少试验随机因素对结果造成的影响，进一步提高评价结果的可靠性。

(3) 使用此方法对本工作中的接地材料进行评分，并以现场埋设试验所得评分作为参考，15 d加速腐蚀试验评分准确率为85.7%，30 d加速腐蚀试验评分准确率为96.4%。