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八指標(biāo)綜合評(píng)分法：直擊接地網(wǎng)腐蝕性評(píng)價(jià)與腐蝕速率預(yù)測(cè)

2021-04-21 13:40:00 作者：陳敬友來(lái)源：腐蝕與防護(hù) 分享至：

隨著經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的高速發(fā)展，我國(guó)對(duì)變電站容量的需求不斷擴(kuò)大，進(jìn)而對(duì)接地網(wǎng)安全運(yùn)行和接地體熱穩(wěn)定性的要求也越來(lái)越高。因?yàn)槭艿劫Y源、經(jīng)濟(jì)等條件的限制，我國(guó)接地網(wǎng)所用材料主要為普通碳鋼或者鍍鋅碳鋼。對(duì)于運(yùn)行多年的接地網(wǎng)而言，土壤環(huán)境中的電化學(xué)腐蝕以及電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行中泄流造成的腐蝕使得接地體截面減小甚至斷裂，造成接地性能不良，不能滿足熱穩(wěn)定性的要求，電路電流將會(huì)燒壞地網(wǎng)，使得變電站內(nèi)出現(xiàn)高電位差，造成其他主設(shè)備發(fā)生毀壞，還會(huì)危及人身安全，并且由于接地網(wǎng)埋設(shè)在地下，翻修改造也十分困難。因此，解決接地網(wǎng)腐蝕問題和評(píng)估接地網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)已成為變電站和發(fā)電廠避免事故發(fā)生采取的主要措施，其中接地網(wǎng)腐蝕性評(píng)價(jià)和腐蝕速率預(yù)測(cè)是接地網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估的重要內(nèi)容之一。

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目前金屬設(shè)備壽命預(yù)測(cè)研究主要集中在石油管道及橋梁結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外關(guān)于接地網(wǎng)壽命預(yù)測(cè)的研究較少。接地網(wǎng)壽命預(yù)測(cè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于其腐蝕速率的確定，然而影響接地網(wǎng)腐蝕速率的因素較多，且多種因素相互作用又導(dǎo)致實(shí)際情況更加復(fù)雜，因此必須將土壤腐蝕特點(diǎn)和接地網(wǎng)材料性質(zhì)相互結(jié)合，才能更好地評(píng)估接地網(wǎng)的剩余壽命。

重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院、國(guó)網(wǎng)浙江平湖市供電有限公司和國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院的技術(shù)人員通過借鑒其他領(lǐng)域壽命預(yù)測(cè)的研究成果，并結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外對(duì)土壤腐蝕性的各種評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法，提出了一種專門針對(duì)接地網(wǎng)的八指標(biāo)綜合評(píng)分法，以評(píng)估接地網(wǎng)在土壤中的腐蝕狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上，將評(píng)分分值和腐蝕速率聯(lián)系起來(lái)，初步建立了一套接地網(wǎng)剩余壽命預(yù)測(cè)模型。經(jīng)過驗(yàn)證，評(píng)分分值和腐蝕速率間具有良好的一致性，通過建立評(píng)分與腐蝕速率的函數(shù)關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)對(duì)接地網(wǎng)腐蝕速率的預(yù)測(cè)，最終達(dá)到對(duì)接地網(wǎng)壽命進(jìn)行評(píng)估的目的。

接地網(wǎng)的腐蝕機(jī)理

接地網(wǎng)在土壤中的腐蝕主要有宏電池腐蝕、微電池腐蝕、雜散電流腐蝕和微生物腐蝕四種形式。腐蝕的根本原因都是土壤和碳鋼金屬的結(jié)構(gòu)、組成和性質(zhì)的不均勻性導(dǎo)致埋在土壤中的接地網(wǎng)表面不同部位形成了不同的電極電位，通過土壤介質(zhì)構(gòu)成回路，形成腐蝕電池。如圖1所示，其中電位較低的部位成為陽(yáng)極區(qū)，電位較高的部位成為陰極區(qū)，此外，接地網(wǎng)兼有均壓和泄流作用，所以還會(huì)發(fā)生金屬的電解腐蝕。因此，接地網(wǎng)腐蝕的本質(zhì)都是電化學(xué)腐蝕，接地網(wǎng)腐蝕的最終產(chǎn)物主要為鐵的氧化物、氫氧化物以及鐵離子與土壤中的陰離子結(jié)合生成不溶于水的物質(zhì)。

圖1 碳鋼在不同土壤中形成的濃差電池

接地網(wǎng)的腐蝕影響因素

土壤電阻率

對(duì)于宏電池腐蝕，特別是兩極相距較遠(yuǎn)時(shí)，土壤作為電解質(zhì)，其電阻率越小，金屬電子越容易丟失，同時(shí)電池內(nèi)部電子遷移速率也會(huì)越快，因此土壤電阻率對(duì)宏電池腐蝕速率起決定性作用。而對(duì)于微電池腐蝕，由于發(fā)生概率較小，土壤電阻率在其中的作用幾乎可以忽略不計(jì)。

土壤含水量

水分是使土壤成為電解質(zhì)，造成電化學(xué)腐蝕的先決條件，無(wú)論是陽(yáng)極還是陰極，水都是電化學(xué)腐蝕不可缺少的反應(yīng)物。當(dāng)土壤中含水量極低時(shí)，接地網(wǎng)腐蝕將以化學(xué)腐蝕為主，而在中性或堿性土壤中，這種腐蝕要比電化學(xué)腐蝕漫長(zhǎng)很多。研究表明，當(dāng)土壤含水量低時(shí)，腐蝕速率隨著含水量的增加而增加，達(dá)到某一含水量時(shí)材料腐蝕速率最大，含水量再增加，其腐蝕速率反而下降，這是因?yàn)楹窟^大會(huì)使土壤膠粒膨脹，孔隙變小，降低土壤中的氧氣含量，阻礙陰極反應(yīng)過程。

土壤含氧量

氧氣作為氧化劑在接地網(wǎng)電化學(xué)腐蝕中起著至關(guān)重要的作用。土壤氧含量越高則氧氣的滲透能力越強(qiáng)，越容易得到更多電子，從而使得金屬接地體失去更多電子，加速接地網(wǎng)腐蝕。因此，土壤氧含量的多少可以影響電化學(xué)陰陽(yáng)極反應(yīng)速率，進(jìn)而影響接地網(wǎng)腐蝕速率。

土壤pH值

當(dāng)埋地金屬的腐蝕取決于微電池腐蝕或距離不長(zhǎng)的宏電池腐蝕時(shí)，腐蝕速率主要受陰極過程控制。而在pH值為6.5~9.0的中性和近中性土壤中，陰極過程主要發(fā)生氧的還原反應(yīng)，氫離子難以得到電子。但當(dāng)土壤酸度過大，pH值較低時(shí)，土壤中氫離子氧化性較強(qiáng)，將析出氫氣，對(duì)金屬膜具有較大的破壞作用，一定程度上加速了接地網(wǎng)的腐蝕。

土壤含鹽量

土壤中的鹽分對(duì)金屬材料的腐蝕影響較大，一方面參與電化學(xué)反應(yīng)，另一方面影響土壤電阻率。土壤含鹽量與電阻率具有明顯的負(fù)相關(guān)性，含鹽量越高，則土壤電阻率越低，腐蝕性越強(qiáng)。除此外，土壤中氯離子和硫酸根離子的氧化性較強(qiáng)，對(duì)金屬材料的鈍性具有較大的破壞作用，可加速土壤腐蝕的陽(yáng)極過程。

雜散電流

雜散電流是存在于土壤介質(zhì)中的一種大小和方向都不固定的電流。土壤中雜散電流主要為直流雜散電流和交流雜散電流，直流雜散電流對(duì)金屬的腐蝕同電解原理一致，即陽(yáng)極為正極，陰極為負(fù)極，其作用時(shí)間、大小直接影響金屬材料的腐蝕速率。對(duì)于接地網(wǎng)而言，長(zhǎng)時(shí)間的直流雜散電流是造成其腐蝕的主要原因之一。

其他因素

除了以上因素外，接地網(wǎng)在土壤中的腐蝕速率還可能受氣候條件、環(huán)境溫度、通風(fēng)狀況、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤酸度、土壤微生物等因素的影響。而這些因素最終作用結(jié)果又會(huì)反映在土壤中各種理化性質(zhì)的變化上。各種因素的相互作用使得接地網(wǎng)在土壤中的腐蝕規(guī)律變得更加復(fù)雜多樣。

接地網(wǎng)的腐蝕評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)鋼鐵材料在土壤中耐蝕性的方法主要是失重法和最大孔蝕深度法。這兩種評(píng)價(jià)方法不僅客觀直接而且能比較準(zhǔn)確地反映土壤的腐蝕性，因而被廣泛運(yùn)用，同時(shí)也被作為衡量其他評(píng)價(jià)方法和新的試驗(yàn)手段是否可靠的標(biāo)準(zhǔn)。但兩種方法必須通過埋片并等待較長(zhǎng)時(shí)間后才能得到結(jié)果，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在工作運(yùn)用中也不方便，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)腐蝕速率的預(yù)測(cè)。因此，為了實(shí)現(xiàn)土壤腐蝕性的預(yù)測(cè)，減少時(shí)間和人力成本，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了許多其他評(píng)價(jià)方法。

長(zhǎng)期以來(lái)，研究者習(xí)慣于用土壤理化性質(zhì)來(lái)預(yù)測(cè)其腐蝕性，許多國(guó)家在考察土壤腐蝕性時(shí)仍在參考某些單項(xiàng)指標(biāo)，如土壤電阻率、含水量、含鹽量等。在某些特定場(chǎng)合，單相指標(biāo)評(píng)價(jià)方法十分方便也較為可靠。但由于土壤腐蝕介質(zhì)本身的特殊性和復(fù)雜性，金屬材料土壤腐蝕因素不僅種類多，而且各因素間存在著交互作用，實(shí)際情況十分復(fù)雜，因此單相指標(biāo)評(píng)價(jià)土壤腐蝕性具有很大的局限性，且往往容易誤判。目前國(guó)內(nèi)外許多研究越來(lái)越傾向于多項(xiàng)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)土壤腐蝕性，其中最具有代表性的是德國(guó)的Baeckman綜合評(píng)分指標(biāo)和美國(guó)的ANSI A21.5土壤腐蝕性評(píng)價(jià)法。前者由于考慮的因素過多，而某些因素測(cè)量存在困難，實(shí)際運(yùn)用十分不便，而后者則主要傾向于評(píng)價(jià)埋地管道耐蝕性。因此，目前國(guó)內(nèi)外尚缺少一套專門針對(duì)接地網(wǎng)的專一、有效的評(píng)價(jià)方法。

本工作參考了國(guó)內(nèi)外的單指標(biāo)評(píng)價(jià)方法和Baeckman評(píng)分法，在此基礎(chǔ)上，基于接地網(wǎng)腐蝕機(jī)理和影響因素，提出了一套專門針對(duì)接地網(wǎng)的使用范圍廣、實(shí)施難度低的八指標(biāo)綜合評(píng)分法，其具體內(nèi)容見表1。

表1 接地網(wǎng)腐蝕的八指標(biāo)綜合評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

具體規(guī)則如下：

01采取十分制，負(fù)值代表對(duì)腐蝕有抑制作用，正值代表對(duì)腐蝕促進(jìn)作用；

02評(píng)分越高腐蝕越嚴(yán)重；

03權(quán)重系數(shù)λi 滿足：

04最終評(píng)分：

接地網(wǎng)的腐蝕速率預(yù)測(cè)

基于上述八指標(biāo)綜合評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)文獻(xiàn)資料中的14個(gè)變電站的土壤腐蝕性進(jìn)行打分評(píng)價(jià)，對(duì)于無(wú)污染、非強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或含鹽量極高的常規(guī)疏松土質(zhì)，接地網(wǎng)腐蝕主要由電化學(xué)反應(yīng)引起，而土壤電阻率、含水量、含氧率及氧化還原電位是影響反應(yīng)速率的主要因素。因此權(quán)重系數(shù)（λ）1~8分別取0.2?0.15?0.15?0.1?0.1?0.05?0.05?0.2，最終評(píng)價(jià)結(jié)果如表2所示，分值與腐蝕速率的關(guān)系曲線如圖2所示。

表2 碳鋼在全國(guó)14個(gè)站的腐蝕速率及評(píng)分

圖2 分值與腐蝕速率的關(guān)系

由圖2可見，通過八指標(biāo)綜合評(píng)分法得出的評(píng)分與實(shí)測(cè)腐蝕速率有良好的線性關(guān)系，這說(shuō)明綜合評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)具有實(shí)用性。因此，可以通過建立評(píng)分與腐蝕速率的關(guān)系以實(shí)現(xiàn)對(duì)接地網(wǎng)腐蝕速率的預(yù)測(cè)，最終達(dá)到接地網(wǎng)壽命評(píng)估的目的。

表2中的數(shù)據(jù)通過擬合得到評(píng)分與腐蝕速率的關(guān)系式如下：

vcorr =0.921Z-0.16838

為驗(yàn)證上式的適用性和準(zhǔn)確性，選取文獻(xiàn)資料中的8個(gè)變電站進(jìn)行打分評(píng)價(jià)，并通過上式預(yù)測(cè)其腐蝕速率。結(jié)果如表3所示。

表3 腐蝕速率預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果

從表3可以看出，腐蝕速率預(yù)測(cè)的與實(shí)測(cè)值的誤差為2%～14%，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，采用上述關(guān)系式對(duì)接地網(wǎng)的腐蝕速率進(jìn)行預(yù)測(cè)是可行的。造成誤差主要有以下原因：

（1）樣本容量太少，無(wú)法得到更準(zhǔn)確的擬合關(guān)系。

（2）采用評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)得到的測(cè)量結(jié)果與評(píng)分間的對(duì)應(yīng)關(guān)系存在躍遷，測(cè)量結(jié)果分級(jí)還不夠細(xì)，當(dāng)測(cè)量數(shù)值位于兩級(jí)之間時(shí)評(píng)分具有誤差。

（3）由于雜散電流大小和方向的不固定性，在實(shí)際情況中難以測(cè)量，因此評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)忽略了各區(qū)域雜散電流的差異，認(rèn)為其造成的影響相近。

結(jié)論

影響接地網(wǎng)在土壤中腐蝕速率的因素是復(fù)雜多樣的，只靠單一指標(biāo)無(wú)法實(shí)現(xiàn)腐蝕速率的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

接地網(wǎng)在土壤中的腐蝕以電化學(xué)腐蝕為主，因此電化學(xué)參數(shù)如土壤電阻率、氧化還原電位等與接地網(wǎng)腐蝕速率間有更為密切的聯(lián)系。

八指標(biāo)綜合評(píng)分法得出的評(píng)分與實(shí)測(cè)腐蝕速率有良好的線性關(guān)系，該評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)具有一定的使用價(jià)值。

在八指標(biāo)綜合評(píng)分法的基礎(chǔ)上建立評(píng)分與腐蝕速率的關(guān)系以實(shí)現(xiàn)對(duì)接地網(wǎng)腐蝕速率的預(yù)測(cè)，但存在一定誤差且適用范圍受樣本容量的限制。因此需擴(kuò)大樣本容量，改進(jìn)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，建立更準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果與評(píng)分關(guān)系。

作者：陳敬友，陳超，吳迪，胡家元，韓升，司戰(zhàn)超

重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院

國(guó)網(wǎng)浙江平湖市供電有限公司

國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院

第一作者：陳敬友，碩士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)接地網(wǎng)腐蝕診斷與壽命預(yù)測(cè)分析。

來(lái)源：《腐蝕與防護(hù)》2021年3期

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