在我國，隨著電力容量的增大和電壓等級的增高，電力接地系統(tǒng)的安全性和可靠性日益受到重視。長期以來，腐蝕是影響接地系統(tǒng)安全和服役壽命的主要危險之一。由于接地工程是隱蔽工程，因此其長期的安全可靠與否直接影響到電力工程的穩(wěn)定運(yùn)行。接地材料的腐蝕會導(dǎo)致截面變小，接地電阻增大，甚至發(fā)生斷裂，對財產(chǎn)和人身安全造成嚴(yán)重的威脅。接地系統(tǒng)所處的土壤兼具固體、氣體、液體的特性，此外還有可能由于外部因素造成的雜散電流，微生物等等，其腐蝕環(huán)境非常復(fù)雜。土壤環(huán)境中的接地材料腐蝕受到多種因素如含水量、理化性質(zhì)、微生物含量等的影響，造成對接地材料腐蝕程度的差異十分明顯。如碳鋼接地材料在鷹潭酸性紅壤埋設(shè)1 a后的腐蝕速率是大港土壤中的3.8倍。因而，研究接地材料在不同土壤環(huán)境中的腐蝕行為具有重大意義。

陜西省是東西部電網(wǎng)的樞紐站，僅陜西境內(nèi)起點和過境的特高壓電力工程就達(dá)到6條，主要分布在陜南、陜北、關(guān)中地區(qū)。而陜西省土壤地帶性分布規(guī)律性明顯，而關(guān)于陜西不同土壤介質(zhì)對接地材料的腐蝕行為影響鮮有研究。

本工作采用實地投樣的方法，系統(tǒng)研究了Q235碳鋼、鍍銅鋼等典型接地材料在陜西境內(nèi)千陽地區(qū)棕壤、宜川地區(qū)黃綿土和靖邊地區(qū)風(fēng)沙土3種典型土壤中埋設(shè)5個月的腐蝕形貌、點蝕坑深度和腐蝕產(chǎn)物，研究不同土壤介質(zhì)對典型接地材料腐蝕行為的影響，總結(jié)了不同土壤對接地材料行為的影響，為不同工作環(huán)境下接地材料的選材提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持。

1 實驗方法

現(xiàn)場埋樣用的材料為Q235碳鋼、鍍銅鋼，試樣尺寸為100 mm×50 mm×3 mm。Q235碳鋼接地材料經(jīng)切割、銑邊、打孔 （編號）、酸洗、除污除油并干燥，為減少表面狀態(tài)對室外埋藏過程中的影響，將樣品的表面統(tǒng)一用1000#的砂紙進(jìn)行打磨。鍍銅鋼鍍層厚度為0.25 mm,四邊用硅橡膠密封，露出鍍層表面要進(jìn)行除污除油處理。

選取寶雞市千陽地區(qū)棕壤、延安市宜川地區(qū)黃綿土和榆林市靖邊地區(qū)風(fēng)沙土3種陜西省地帶性分布的典型土壤作為埋樣的土壤介質(zhì)。埋樣深度約為1 m,每種材料埋設(shè)4個平行樣，并行排列在同一深度，并垂直插入土壤中，試片之間及試片與坑邊之間的距離不少于15 cm。于2016年9月至2017年2月埋設(shè)5個月后，取回試樣進(jìn)行分析。

采用數(shù)碼相機(jī)和Quanta250環(huán)境掃描電子顯微鏡 （SEM） 來觀察試樣表面的腐蝕形貌，及AMETEK Apollo-X型能譜儀 （EDS） 進(jìn)行成分分析；利用inVia-Reflex激光顯微拉曼光譜儀對腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析，激光波長為532/632 nm;按照標(biāo)準(zhǔn)“GB/T 16545-1996金屬和合金的腐蝕腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除”去除試樣表面的腐蝕產(chǎn)物[10];采用Keyence VK-250激光共聚焦顯微鏡的3D輪廓測量功能來測量點蝕坑深度；SEM下觀察去除產(chǎn)物后的微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀腐蝕形貌分析

圖1和2分別為Q235碳鋼和鍍銅鋼在3種土壤環(huán)境中埋設(shè)5個月后的表面宏觀形貌圖。從圖中可看出，Q235碳鋼試樣在千陽土壤中，表面上有明顯的均勻紅褐色疏松的銹層產(chǎn)生；在宜川土壤中，試樣表面僅存在特別少量的斑點狀紅銹；在靖邊土壤中，也存在明顯的褐紅色銹，且由于土壤空隙度不同形成局部銹蝕的現(xiàn)象。而鍍銅鋼在千陽和靖邊土壤中，表面生成斑點狀的綠銹，與基體結(jié)合非常緊密，以極少量的局部腐蝕為主，在宜川土壤中未產(chǎn)生明顯的銹。

2.2 微觀腐蝕形貌分析

圖3和4為Q235碳鋼在3種土壤環(huán)境中埋設(shè)5個月后的腐蝕微觀形貌。由圖可見，碳鋼在千陽、宜川土壤中局部區(qū)域分布著大塊分層的腐蝕產(chǎn)物，底層腐蝕產(chǎn)物較為緊密，表層腐蝕產(chǎn)物相對疏松。在靖邊土壤中，腐蝕產(chǎn)物呈現(xiàn)顆粒狀，與另外兩種土壤中的腐蝕產(chǎn)物形貌不同。由去除表面腐蝕產(chǎn)物后的微觀形貌可以看出，3種土壤中Q235碳鋼表面均出現(xiàn)銹層的大面積脫落，出現(xiàn)較深的點蝕坑，點蝕坑也較為平整。除宜川土壤外，其他土壤中Q235碳鋼表面，在大的點蝕坑底部及附近區(qū)域出現(xiàn)一些更多的小坑。可以推測，基體表面初期形成大量小而淺的點蝕坑，后連通一片，最后形成較深的潰瘍狀點蝕坑。

從圖5中可以看出，經(jīng)過5個月埋設(shè)后，鍍銅鋼在宜川土壤中未見明顯的腐蝕產(chǎn)物，而在千陽土壤中腐蝕產(chǎn)物以團(tuán)狀的方式團(tuán)聚在一起，形成丘陵狀腐蝕產(chǎn)物層，零散分布在試樣表面；在靖邊土壤中產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物相對致密，呈顆粒狀。

2.3 腐蝕產(chǎn)物分析

圖6和7給出了Q235碳鋼、鍍銅鋼在3種土壤中的腐蝕產(chǎn)物EDS能譜分析結(jié)果。從圖中可以看出，Q235碳鋼表面的腐蝕產(chǎn)物中，含量最多的元素為Fe、O,還有少量來自土壤或基體的C、Si、Ca等，因此在Q235碳鋼表面銹主要為Fe的腐蝕產(chǎn)物。鍍銅鋼的腐蝕產(chǎn)物中主要含有Cu、O、C等元素。

激光拉曼光譜能夠原位分析腐蝕產(chǎn)物微量相成分，尤其對表面很薄的銹層有較好的靈敏度和分辨率。圖8所示的為3種土壤環(huán)境中Q235碳鋼腐蝕產(chǎn)物拉曼光譜分析結(jié)果，千陽土壤中，腐蝕產(chǎn)物主要峰值為：253、265、380、420、526、645、1054和1307 cm-1,對比鐵的氧化物拉曼光譜的特征峰位，253、380、526、1054和1307 cm-1符合γ-FeOOH的特征峰值，265、645 cm-1符合α-Fe2O3的特征峰值，526 cm-1符合Fe3O4的特征峰值。結(jié)合EDS和拉曼分析可以得出，Q235碳鋼在寶雞土壤中埋設(shè)初期的主要腐蝕產(chǎn)物為γ-FeOOH、γ-Fe2O3、Fe3O4。

Q235碳鋼在宜川土壤中腐蝕產(chǎn)物拉曼光譜分析結(jié)果顯示，主要峰值為：218、269、286、320、385、505、560和1309 cm-1[13],主要峰值符合α-FeOOH、γ-FeOOH、α-Fe2O3的特征峰值。此外還存在Fe3O4的特征峰值。在靖邊土壤中腐蝕產(chǎn)物主要峰值為：245、265、392、660、711、1073和1304 cm-1,符合γ-FeOOH、γ-Fe2O3、Fe3O4的特征峰值。

鍍銅鋼在宜川土壤中未見明顯腐蝕產(chǎn)物，在其他兩種土壤中主要腐蝕產(chǎn)物為Cu2O和CuCO3?Cu（OH）2,如圖9所示。

2.4 點蝕坑深度測量

運(yùn)用3D激光共聚焦顯微鏡對千陽土壤埋設(shè)5個月的Q235碳鋼腐蝕坑進(jìn)行了測量，如圖10所示。可知去除腐蝕產(chǎn)物后，鍍銅鋼在千陽和靖邊土壤中點蝕坑深度普遍在10 μm左右，在宜川土壤中未見明顯蝕坑，腐蝕較為輕微，Q235碳鋼去除腐蝕產(chǎn)物后發(fā)現(xiàn)極為嚴(yán)重的局部腐蝕，在寶雞土壤中出現(xiàn)深度325 μm的點蝕坑，而在宜川和榆林土壤中最深點蝕坑深度分別為109.98和148.32 μm。

2.5 典型接地材料在陜西土壤中的腐蝕機(jī)理分析

實驗用的3種土壤在土質(zhì)上有很大區(qū)別。千陽地區(qū)土壤比較細(xì)膩，保濕性較好，含水量也最高，其土壤有機(jī)物含量高，微生物數(shù)量多，加之較低的土壤電阻率，對接地材料造成嚴(yán)重的腐蝕；宜川地區(qū)土壤為黃綿土土質(zhì)，土壤疏松，含水量較低，有機(jī)質(zhì)含量低，對接地材料的腐蝕性較差；靖邊地區(qū)土壤為典型風(fēng)沙土，含沙量較大，孔隙率較高，易于外界氧的擴(kuò)散，且呈現(xiàn)鹽堿性，促進(jìn)了接地材料的腐蝕。

Q235在土壤中的初期腐蝕以局部腐蝕為主，并且隨時間延長，腐蝕形貌由局部腐蝕發(fā)展為不均勻的全面腐蝕。其腐蝕產(chǎn)物的形成機(jī)理是：Fe基體首先陽極溶解生成Fe2+,Fe2+與陰極反應(yīng)產(chǎn)物OH-反應(yīng)生成Fe（OH）2,其在有氧的條件下氧化生成FeOOH;部分FeOOH會逐漸脫水形成Fe2O3,或被還原生成Fe3O4。腐蝕反應(yīng)如下：

鍍銅鋼在土壤介質(zhì)埋設(shè)初期，一方面由于銅極易被氧化，容易形成較致密的Cu2O膜層，可以阻擋土壤中腐蝕介質(zhì)與銅基體繼續(xù)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，表現(xiàn)出良好的耐蝕性。另一方面，在堿性土壤介質(zhì)中有一部分Cu2+與HCO3-作用，生成了堿式碳酸銅。腐蝕反應(yīng)如下：

3 結(jié)論

（1）在陜西省3種典型土壤中埋置五個月后，兩種接地材料的耐蝕性為：鍍銅鋼的腐蝕程度遠(yuǎn)低于Q235碳鋼，僅產(chǎn)生少量的腐蝕產(chǎn)物，點蝕深度較小，表現(xiàn)出良好的耐蝕性；Q235碳鋼表現(xiàn)為表面不均勻的全面腐蝕，點蝕程度嚴(yán)重。

（2）陜西省3種典型土壤在含水量、離子含量、孔隙度和有機(jī)質(zhì)含量等方面差異明顯，因而表現(xiàn)出對接地材料的腐蝕性差異，3種土壤對碳鋼材料腐蝕由強(qiáng)到弱依次為千陽土壤>靖邊土壤>宜川土壤。

（3）Q235碳鋼的腐蝕產(chǎn)物主要為Fe2O3,FeOOH、Fe3O4,鍍銅鋼主要為Cu2O和CuCO3?Cu（OH）2。