杂散电流对接地材料在陕北土壤模拟溶液中腐蚀行为影响

D0L:10.13374.issn1001-053x.2013.10.008 第35卷第10期 北京科技大学学报 Vol.35 No.10 2013年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2013 杂散电流对接地材料在陕北土壤模拟溶液中腐蚀行 为影响 高书君)，王森)，胡亚博)，李志忠2)，吉宏亮，董超芳)☒，李晓刚) 1)北京科技大学新材料技术研究院腐蚀与防护中心，北京100083 2)国家电网公司电网接地工程技术实验室陕西电力科学研究院，西安710054 ☒通信作者，E-mail:cfdong@ustb.edu.cn 摘要采用自行设计的杂散电流模拟装置，测试了距离杂散电流源不同距离的纯锌、纯铜和锌/铜耦接结构在陕北土 壤模拟溶液中的电位和腐蚀电流，并结合电化学阻抗谱对接地材料腐蚀行为进行分析.研究发现接地材料纯锌表面存在 明显的由阴极区向阳极区的过渡，阳极区的试样腐蚀严重：纯铜表面发生电化学反应的阻抗明显高于纯锌，在存在杂散 电流的介质中具有更好的耐蚀性：锌作为牺牲阳极与纯铜接地材料耦接后，会使纯铜表面电位整体负移，原来位于杂散 电流流出区域的纯铜也进入阴极区受到保护. 关键词接地电极：腐蚀：杂散电流：土壤：铜：锌 分类号TG172.84 Effects of stray current on the corrosion behavior of typical grounded materials in northern Shaanxi soil simulation solution GAO Shu-jun),WANG Sen2),HU Ya-bo),LI Zhi-zhong2),JI Hong-liang2),DONG Chao-fang L1Xiao-gang） 1)Corrosion and Protection Center,Institute of Advanced Materials and Technology,University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083,China 2)Power Network Grounding Engineering Technology Lab of State Grid Corporation,Shaanxi Electric Power Research Institute, Xi'an 710054,China Corresponding author,E-mail:cfdong@ustb.edu.cn ABSTRACT The potential and corrosion current of pure zinc,pure copper and zinc/copper coupling structures with different distances to the stray current source in northern Shaanxi soil simulation solution were studied with a self-made stray current simulating instrument.Electrochemical impedance spectroscopy (EIS)was used to analyze the corrosion behavior of these grounded materials.It is found that there exists an obvious transition from the cathode to anode in the surface of pure zinc as a grounding material,and samples are seriously corroded in the anodic zone.The electrochemical reaction resistance of pure copper is much higher than that of zinc,revealing that copper has a better corrosion resistance in stray current containing media.When zinc is used as a sacrificial anode material and coupled with Cu,the potential of Cu is shifted to the more cathodic part.Previous Cu which located at the exit zone of stray current steps to the cathodic zone and then it is protected. KEY WORDS grounding electrodes;corrosion;stray current;soils;copper;zinc 电力接地系统是保证变电站和电网安全运行的重要组成部分.随着电力容量增大和电压等级的 收稿日期：2012-08-17 基金项目：国家电网公司2009年度科技项目“接地网材料和结构、防腐性能技术研究

第 35 卷 第 10 期 北 京 科 技 大 学 学 报 Vol. 35 No. 10 2013 年 10 月 Journal of University of Science and Technology Beijing Oct. 2013 杂散电流对接地材料在陕北土壤模拟溶液中腐蚀行 为影响 高书君1)，王 森2)，胡亚博1)，李志忠2)，吉宏亮2)，董超芳1) ，李晓刚1) 1) 北京科技大学新材料技术研究院腐蚀与防护中心，北京 100083 2) 国家电网公司电网接地工程技术实验室陕西电力科学研究院，西安 710054 通信作者，E-mail: cfdong@ustb.edu.cn 摘 要 采用自行设计的杂散电流模拟装置，测试了距离杂散电流源不同距离的纯锌、纯铜和锌/铜耦接结构在陕北土 壤模拟溶液中的电位和腐蚀电流，并结合电化学阻抗谱对接地材料腐蚀行为进行分析. 研究发现接地材料纯锌表面存在 明显的由阴极区向阳极区的过渡，阳极区的试样腐蚀严重；纯铜表面发生电化学反应的阻抗明显高于纯锌，在存在杂散 电流的介质中具有更好的耐蚀性；锌作为牺牲阳极与纯铜接地材料耦接后，会使纯铜表面电位整体负移，原来位于杂散 电流流出区域的纯铜也进入阴极区受到保护. 关键词 接地电极；腐蚀；杂散电流；土壤；铜；锌 分类号 TG172.84 Effects of stray current on the corrosion behavior of typical grounded materials in northern Shaanxi soil simulation solution GAO Shu-jun1) , WANG Sen2) , HU Ya-bo1) , LI Zhi-zhong2) , JI Hong-liang2) , DONG Chao-fang1) , LI Xiao-gang1) 1) Corrosion and Protection Center, Institute of Advanced Materials and Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Power Network Grounding Engineering Technology Lab of State Grid Corporation, Shaanxi Electric Power Research Institute, Xi’an 710054, China Corresponding author, E-mail: cfdong@ustb.edu.cn ABSTRACT The potential and corrosion current of pure zinc, pure copper and zinc/copper coupling structures with different distances to the stray current source in northern Shaanxi soil simulation solution were studied with a self-made stray current simulating instrument. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was used to analyze the corrosion behavior of these grounded materials. It is found that there exists an obvious transition from the cathode to anode in the surface of pure zinc as a grounding material, and samples are seriously corroded in the anodic zone. The electrochemical reaction resistance of pure copper is much higher than that of zinc, revealing that copper has a better corrosion resistance in stray current containing media. When zinc is used as a sacrificial anode material and coupled with Cu, the potential of Cu is shifted to the more cathodic part. Previous Cu which located at the exit zone of stray current steps to the cathodic zone and then it is protected. KEY WORDS grounding electrodes; corrosion; stray current; soils; copper; zinc 电力接地系统是保证变电站和电网安全运行 的重要组成部分. 随着电力容量增大和电压等级的 收稿日期：2012-08-17 基金项目：国家电网公司 2009 年度科技项目 “接地网材料和结构、防腐性能技术研究” DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2013.10.008

·1328 北京科技大学学报 第35卷 升高，电力接地的安全性就显得尤为重要.杂散电样，每两个试样之间间隔10mm,其余白色部分为 流是指不按预定线路流通的电流，在变电站附近大 有机玻璃.试样经砂纸打磨至800#后用硅胶将试 量存在，对接地材料的腐蚀产生很重要的影响，会 样与有机玻璃间的缝隙密封，乙醇冲洗，吹干待用. 电解材料并大大加速其腐蚀过程，导致接地极的有 由于试样在长度方向上远远大于宽度方向，可以认 效面积减小，严重时会使接地材料发生锈蚀断裂， 为试样表面的电流都是沿着宽度方向的，是一维的 直至丧失原有的泄流和排流能力.在遭受雷电或短 电流.试样背部焊有导线，并和图2中的标准 路时，会在短时间内摧毁变压器、发电机等大型电 102电阻相连 气设备，击穿放电并引发火灾，引发大面积电网事 有机玻璃 Zn 故，并对工作人员生命产生严重威胁，造成巨大的 经济损失和社会影响-同.因此，为了电力系统的 安全运行，杂散电流对接地装置的腐蚀问题在近些 年得到了越来越多的关注. 实际检测中，电力系统更多的是交流杂散电 流，且交流引起的腐蚀比直流引起的腐蚀要小得 多可.关于杂散电流对土壤中金属的腐蚀行为， 很多学者也做了大量相关的研究8-1.Attia等8 针对实际工程中埋地管线的失效行为的分析表明， 图1实验用试样结构示意图 杂散电流流出的部位会出现埋地管线的严重局部腐 Fig.1 Schematic diagram of samples for experiment 蚀：Bertolini等9研究了钢在混凝土中的杂散电流 1.2实验溶液 腐蚀行为时发现，当环境中存在C一时，杂散电流 对腐蚀行为的影响会更加明显；Fu和Cheng1o研 实验溶液采用陕北土壤模拟溶液.模拟溶液 究了交流电对涂层缺陷处腐蚀电位及极化曲线的影 成分为（质量分数，%）：0.0014C1-,0.0026 响：姜子涛等研究了交流电对Q235钢腐蚀电 S0,0.1013HC03-,0.0035N03-.实验溶液均 位的影响，交流电会引起Q235钢腐蚀电位的明显 用分析纯NaCl、Na2SO4、NaHCO3、NaNO3和去离 偏移.但是，目前的研究大多集中在杂散电流对埋 子水配制，用NaOH将pH值调整为9.50. 地材料以及阴极保护系统的电位影响上2-13)，而 1.3杂散电流腐蚀测试 电位只有转换成电流，才能更明确地反应埋地材料 实验采用的杂散电流模拟装置如图2所示.其 的腐蚀行为.因此，本文使用模拟杂散电流装置，同 中电解槽两湍的两个石墨分别和ps12型恒电流仪 时监测不同位置接地材料的电位和电流，研究了杂 的正负极相连，实验过程中施加20mA恒电流直 散电流条件下接地材料的腐蚀行为. 流电来模拟土壤中的直流杂散电流，为了后面的表 述方便，将图2中靠近正极石墨的两个试样位置从 目前，我国的接地材料主要是铜包钢、锌包钢 左到右依次定义为L1和L2,中间的试样位置定义 等铜锌体系为主4.本文选用纯锌和纯铜为实验 材料.在自行设计的杂散电流模拟装置中，分别研 参比电极 究了体系中存在杂散电流时，纯锌作为接地材料和 作为铜接地体的牺牲阳极两种情况下的腐蚀行为. 1实验材料与方法 石墨 电极 溶液 1.1实验材料 试样 实验材料为纯铜和纯锌，进行阻抗谱测量的电 化学试样尺寸为10mm×10mm×5mm.试样背部 焊接导线后，用环氧树脂封样，只露出1cm2的工 作面积接触溶液.试样经砂纸打磨至800#后，乙醇 ▣▣ 冲洗，吹干待用 杂散电流模拟实验的试样示意图如图1所示 图2杂散电流腐蚀模拟实验装置示意图 Fig.2 Schematic diagram of experimental apparatus for 图1中灰色部分为五个50mm×2mm的长条状试 simulating stray current corrosion

· 1328 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 升高，电力接地的安全性就显得尤为重要. 杂散电 流是指不按预定线路流通的电流，在变电站附近大 量存在，对接地材料的腐蚀产生很重要的影响，会 电解材料并大大加速其腐蚀过程，导致接地极的有 效面积减小，严重时会使接地材料发生锈蚀断裂， 直至丧失原有的泄流和排流能力. 在遭受雷电或短 路时，会在短时间内摧毁变压器、发电机等大型电 气设备，击穿放电并引发火灾，引发大面积电网事 故，并对工作人员生命产生严重威胁，造成巨大的 经济损失和社会影响 [1−6] . 因此，为了电力系统的 安全运行，杂散电流对接地装置的腐蚀问题在近些 年得到了越来越多的关注. 实际检测中，电力系统更多的是交流杂散电 流，且交流引起的腐蚀比直流引起的腐蚀要小得 多 [7] . 关于杂散电流对土壤中金属的腐蚀行为， 很多学者也做了大量相关的研究 [8−11].Attia 等 [8] 针对实际工程中埋地管线的失效行为的分析表明， 杂散电流流出的部位会出现埋地管线的严重局部腐 蚀；Bertolini 等 [9] 研究了钢在混凝土中的杂散电流 腐蚀行为时发现，当环境中存在 Cl− 时，杂散电流 对腐蚀行为的影响会更加明显；Fu 和 Cheng[10] 研 究了交流电对涂层缺陷处腐蚀电位及极化曲线的影 响；姜子涛等 [11] 研究了交流电对 Q235 钢腐蚀电 位的影响，交流电会引起 Q235 钢腐蚀电位的明显 偏移. 但是，目前的研究大多集中在杂散电流对埋 地材料以及阴极保护系统的电位影响上 [12−13]，而 电位只有转换成电流，才能更明确地反应埋地材料 的腐蚀行为. 因此，本文使用模拟杂散电流装置，同 时监测不同位置接地材料的电位和电流，研究了杂 散电流条件下接地材料的腐蚀行为. 目前，我国的接地材料主要是铜包钢、锌包钢 等铜锌体系为主 [14] . 本文选用纯锌和纯铜为实验 材料. 在自行设计的杂散电流模拟装置中，分别研 究了体系中存在杂散电流时，纯锌作为接地材料和 作为铜接地体的牺牲阳极两种情况下的腐蚀行为. 1 实验材料与方法 1.1 实验材料 实验材料为纯铜和纯锌，进行阻抗谱测量的电 化学试样尺寸为 10 mm×10 mm×5 mm. 试样背部 焊接导线后，用环氧树脂封样，只露出 1 cm2 的工 作面积接触溶液. 试样经砂纸打磨至 800#后，乙醇 冲洗，吹干待用. 杂散电流模拟实验的试样示意图如图 1 所示. 图 1 中灰色部分为五个 50 mm×2 mm 的长条状试 样，每两个试样之间间隔 10 mm，其余白色部分为 有机玻璃. 试样经砂纸打磨至 800#后用硅胶将试 样与有机玻璃间的缝隙密封，乙醇冲洗，吹干待用. 由于试样在长度方向上远远大于宽度方向，可以认 为试样表面的电流都是沿着宽度方向的，是一维的 电流 [15] . 试样背部焊有导线，并和图 2 中的标准 10 Ω 电阻相连. 图 1 实验用试样结构示意图 Fig.1 Schematic diagram of samples for experiment 1.2 实验溶液 实验溶液采用陕北土壤模拟溶液. 模拟溶液 成分为 (质量分数， %)： 0.0014 Cl−， 0.0026 SO2− 4 ，0.1013 HCO3−，0.0035 NO3−. 实验溶液均 用分析纯 NaCl、Na2SO4、NaHCO3、NaNO3 和去离 子水配制，用 NaOH 将 pH 值调整为 9.50. 1.3 杂散电流腐蚀测试 实验采用的杂散电流模拟装置如图 2 所示. 其 中电解槽两端的两个石墨分别和 ps12 型恒电流仪 的正负极相连，实验过程中施加 20 mA 恒电流直 流电来模拟土壤中的直流杂散电流，为了后面的表 述方便，将图 2 中靠近正极石墨的两个试样位置从 左到右依次定义为 L1 和 L2，中间的试样位置定义 图 2 杂散电流腐蚀模拟实验装置示意图 Fig.2 Schematic diagram of experimental apparatus for simulating stray current corrosion

第10期 高书君等：杂散电流对接地材料在陕北土壤模拟溶液中腐蚀行为影响 ·1329· 为M,右侧的两个试样位置从右到左依次为R1和 U,2 极化曲线 R2.实验过程中利用万用表测量标准电阻上的电压 -0.4 杂散电流下的电流一电位关系 以及每个试样相对于参比电极的电压，换算后得到 -0.6 通过每个试样表面的电位和电流密度. -0.8 1.4交流阻抗谱测试 -1.0 R2 采用三电极体系进行阻抗谱测试.试样为工作 -1.2 M 电极，铂片为辅助电极，参比电极采用饱和甘汞电 极(SCE).实验在Princeton生产的2273电化学工 -1.4 L2 L1■ 作站上进行.极化条件下的阻抗谱测试前，先将试 -1.6 4 3 -2 -1 0 样在测试的极化电位下稳定30min.待腐蚀电流 lg/(mAcm】 稳定后，进行阻抗谱测试.测试的频率范围为100 图4 实验测量值与极化曲线的对比 kHz~1Hz,交流扰动为10mV.开路电位下的阻抗 Fig.4 Contrast between measured values and the polariza- 谱测试前，先将试样在溶液中稳定30min.待开路 tion curve 电位稳定后，进行阻抗谱测试.测试的频率范围为 100kHz~10mHz,交流扰动为10mV. 400 2实验结果与讨论 2.1杂散电流条件下纯锌的腐蚀行为 月s 200 图3给出了纯锌作为接地材料在陕北土壤模拟 中使用时，不同位置试样在20mA杂散电流条件下 的电位和电流密度.图4给出了测量值与极化曲线 400 的对比结果.由两图对比可以看出：测得的电流和 -1.6 -1.4 A 200 电位与极化曲线的数据基本吻合：而且位于L1和 -1.2 E/V (SCE) -1.0 Rez/(Q-cm2) L2试样的电位比极化曲线上的自腐蚀电位更负，说 明电极位于阴极区，表面发生的是阴极反应：而位 图5纯锌在不同极化电位下的交流阻抗谱 于R1和R2试样的电位比自腐蚀电位更正，说明 Fig.5 EIS spectra of pure zinc under different polarization potentials 电极位于阳极区，表面发生的是阳极反应，试样严 重腐蚀. 图6为其等效电路图.其中，R表示溶液电阻；Rt 图5是采用交流阻抗的方法得到的纯锌试样在 表示电荷转移电阻；Q为常相位元件表示试样表 测试得到的五个不同电位(-1.498、-1.365、-1.224、 面与电解质溶液两相间的界面双电层电容，Q= -1.083和-0.950V)极化条件下的交流阻抗谱. (jw)一"/Y,w为频率，n为弥散系数，Y%为电容. 500 -0.9 拟合结果见表1.交流阻抗谱图均表现为一个时间 400 ·电流密度 ·一电位 -1.0 常数的电化学反应容抗弧.由图5可以看出当极化 300 电位为-1.498和-1.365V时，试样表面以阴极反 200 11 应为主.因为实验溶液为碱性溶液，阴极反应主要 100 -1.2 为吸氧反应.且随着极化电位的正移，容抗弧半径 0 -1.3 增加，表明腐蚀电流减小，电荷转移电阻增大，试 -100 -1.4 样表面进行电化学反应的阻力增加，能够进入试样 -200 内部的杂散电流减少.当极化电位为-1.224、-1.083 -300 -1.5 L2 M 和-0.950V时，试样逐步进入阳极区，而且随 试样位置 图320mA直流杂散电流条件下不同位置纯锌试样表面的 Q R 电位和电流密度 Fig.3 Potential and current density of different locations on the surface of pure zinc samples at the condition of 20 mA DC 图6 交流阻抗的等效电路图 stray current Fig.6 Equivalent circuit for EIS

第 10 期 高书君等：杂散电流对接地材料在陕北土壤模拟溶液中腐蚀行为影响 1329 ·· 为 M，右侧的两个试样位置从右到左依次为 R1 和 R2. 实验过程中利用万用表测量标准电阻上的电压 以及每个试样相对于参比电极的电压，换算后得到 通过每个试样表面的电位和电流密度. 1.4 交流阻抗谱测试 采用三电极体系进行阻抗谱测试. 试样为工作 电极，铂片为辅助电极，参比电极采用饱和甘汞电 极 (SCE). 实验在 Princeton 生产的 2273 电化学工 作站上进行. 极化条件下的阻抗谱测试前，先将试 样在测试的极化电位下稳定 30 min. 待腐蚀电流 稳定后，进行阻抗谱测试. 测试的频率范围为 100 kHz∼1 Hz，交流扰动为 10 mV. 开路电位下的阻抗 谱测试前，先将试样在溶液中稳定 30 min. 待开路 电位稳定后，进行阻抗谱测试. 测试的频率范围为 100 kHz∼10 mHz，交流扰动为 10 mV. 2 实验结果与讨论 2.1 杂散电流条件下纯锌的腐蚀行为 图 3 给出了纯锌作为接地材料在陕北土壤模拟 中使用时，不同位置试样在 20 mA 杂散电流条件下 的电位和电流密度. 图 4 给出了测量值与极化曲线 的对比结果. 由两图对比可以看出：测得的电流和 电位与极化曲线的数据基本吻合；而且位于 L1 和 L2 试样的电位比极化曲线上的自腐蚀电位更负，说 明电极位于阴极区，表面发生的是阴极反应；而位 于 R1 和 R2 试样的电位比自腐蚀电位更正，说明 电极位于阳极区，表面发生的是阳极反应，试样严 重腐蚀. 图 5 是采用交流阻抗的方法得到的纯锌试样在 测试得到的五个不同电位 (–1.498、–1.365、–1.224、 –1.083 和 –0.950 V) 极化条件下的交流阻抗谱. 图 3 20 mA 直流杂散电流条件下不同位置纯锌试样表面的 电位和电流密度 Fig.3 Potential and current density of different locations on the surface of pure zinc samples at the condition of 20 mA DC stray current 图 4 实验测量值与极化曲线的对比 Fig.4 Contrast between measured values and the polariza￾tion curve 图 5 纯锌在不同极化电位下的交流阻抗谱 Fig.5 EIS spectra of pure zinc under different polarization potentials 图 6 为其等效电路图. 其中，Rs 表示溶液电阻；Rct 表示电荷转移电阻；Q 为常相位元件表示试样表 面与电解质溶液两相间的界面双电层电容， Q= (jω) −n/Yo，ω 为频率，n 为弥散系数，Y0 为电容. 拟合结果见表 1. 交流阻抗谱图均表现为一个时间 常数的电化学反应容抗弧. 由图 5 可以看出当极化 电位为 –1.498 和 –1.365 V 时，试样表面以阴极反 应为主. 因为实验溶液为碱性溶液，阴极反应主要 为吸氧反应. 且随着极化电位的正移，容抗弧半径 增加，表明腐蚀电流减小，电荷转移电阻增大，试 样表面进行电化学反应的阻力增加，能够进入试样 内部的杂散电流 减少. 当极化电位为 –1.224、–1.083 和 –0.950 V 时， 试样逐步进入阳极区， 而且随 图 6 交流阻抗的等效电路图 Fig.6 Equivalent circuit for EIS

·1330 北京科技大学学报 第35卷 表1不同极化电位下的电化学拟合结果 Table 1 Fitting results from the equivalent circuit under different polarization potentials 极化电位/V(SCE) Rs/(S.cm2) o/(2-1.S".cm-2) n Ret/(S.cm2) -1.498 31.79 6.218×10-5 1 463.800 -1.365 32.65 9.284×10-5 0.9566 811.500 -1.224 31.58 4.124×10-4 0.6748 124.300 -1.083 32.12 1.967×10-3 0.8083 16.060 -0.950 31.89 2.673×10-4 0.7723 3.421 着阳极极化电位变正，容抗弧半径减小，表明腐蚀 果和实验实测结果的对比如图9所示.由图可以 电流增大，电荷转移电阻减小，特别是在-0.950V 看到，每个试样的电位的计算值与实验值相差在 的极化条件下，弧半径几乎为零，试样表面锌失去 80~100mV之间，相对误差在10%以内，证明 电子的阳极反应很容易发生，腐蚀严重，这和图3 BEASY数值模拟可以成为求解阴极保护电位模型 中的测试结果是一致的. 的有效方法，能够有效地预测阴极保护被保护体表 边界元法是20世纪80年代初在阴极保护领域 面电位分布，并以此验证阳极布置效果， 出现的一种数值计算方法，在阴极保护电位的计算 -0.8 方面得到了广泛的应用16-1).边界元法通常是采 。一模拟值 -0.9 ·一实验值 用BEASY模拟软件按照边界元模型对上述实验过 -1.0 程做进一步计算模拟.根据图2装置，建立如图7 -1.1 所示的模型图和网格划分图. -1.2 以图4中的极化曲线作为边界条件，将实验数 过 据等间距选取后导入BEASY软件的极化数据库， -1.3 在杂散电流设定为20mA恒定直流电的条件下， -1.4 ◆ 计算得到各试样表面电位分布结果见图8.计算结 -1.5 Ll L2 M R2 R1 试样位置 图9计算结果与实验结果的对比 Fig.9 Contrast between calculation and experiment results (a) (b) 2.2锌作为牺牲阳极在杂散电流下的腐蚀行为 牺牲阳极的阴极保护措施是接地极防护的一 图7 BEASY软件建立模型图(a)和网格划分图(b) Fig.7 Model diagram(a)and grid division diagram(b)built 种重要措施18.为了研究Z如牺牲阳极与Cu接地 by BEASY software 极耦接后，材料在杂散电流条件下的腐蚀行为，本 节中的试样排布采用两种形式：一种为全铜系列， 试样排布为+/Cu/Cu/Cu/Cu/Cu/-:另一种为阴极 保护系列，试样排布为+/Cu/Cu/Cu/Zm/Cu/-.通 过测定两种情况下各个试样表面的电位和通过试样 的电流，研究牺牲阳极的腐蚀行为以及牺牲阳极的 引入对于R1位置的纯铜试样可能产生的影响. 平均电位/V(SCE 850.97 纯铜作为全部接地材料在相同条件下使用时， 各试样表面的电位和电流密度如图10所示.通过 与图3中锌试样表面的电流进行对比可以看出：R1 位置锌的腐蚀电流密度为475.67uAcm-2,远大 -1399.1 于同一位置铜的腐蚀电流密度16.67μAcm-2,说 图8 BEASY软件计算的表面电位 明即使在杂散电流存在的条件下，铜的耐腐蚀性也 Fig.8 Surface potential distribution calculated by BEASY 远高于锌.图11为开路电位下纯铜和纯锌在陕北土 software

· 1330 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 表 1 不同极化电位下的电化学拟合结果 Table 1 Fitting results from the equivalent circuit under different polarization potentials 极化电位/V(SCE) Rs/(Ω·cm2 ) Y0/(Ω−1 ·S n·cm−2 ) n Rct/(Ω·cm2 ) –1.498 31.79 6.218×10−5 1 463.800 –1.365 32.65 9.284×10−5 0.9566 811.500 –1.224 31.58 4.124×10−4 0.6748 124.300 –1.083 32.12 1.967×10−3 0.8083 16.060 –0.950 31.89 2.673×10−4 0.7723 3.421 着阳极极化电位变正，容抗弧半径减小，表明腐蚀 电流增大，电荷转移电阻减小，特别是在 –0.950 V 的极化条件下，弧半径几乎为零，试样表面锌失去 电子的阳极反应很容易发生，腐蚀严重，这和图 3 中的测试结果是一致的. 边界元法是 20 世纪 80 年代初在阴极保护领域 出现的一种数值计算方法，在阴极保护电位的计算 方面得到了广泛的应用 [16−17] . 边界元法通常是采 用 BEASY 模拟软件按照边界元模型对上述实验过 程做进一步计算模拟. 根据图 2 装置，建立如图 7 所示的模型图和网格划分图. 以图 4 中的极化曲线作为边界条件，将实验数 据等间距选取后导入 BEASY 软件的极化数据库， 在杂散电流设定为 20 mA 恒定直流电的条件下， 计算得到各试样表面电位分布结果见图 8. 计算结 图 7 BEASY 软件建立模型图 (a) 和网格划分图 (b) Fig.7 Model diagram (a) and grid division diagram (b) built by BEASY software 图 8 BEASY 软件计算的表面电位 Fig.8 Surface potential distribution calculated by BEASY software 果和实验实测结果的对比如图 9 所示. 由图可以 看到，每个试样的电位的计算值与实验值相差在 80∼100 mV 之间， 相对误差在 10%以内， 证明 BEASY 数值模拟可以成为求解阴极保护电位模型 的有效方法，能够有效地预测阴极保护被保护体表 面电位分布, 并以此验证阳极布置效果. 图 9 计算结果与实验结果的对比 Fig.9 Contrast between calculation and experiment results 2.2 锌作为牺牲阳极在杂散电流下的腐蚀行为 牺牲阳极的阴极保护措施是接地极防护的一 种重要措施 [18] . 为了研究 Zn 牺牲阳极与 Cu 接地 极耦接后，材料在杂散电流条件下的腐蚀行为，本 节中的试样排布采用两种形式：一种为全铜系列， 试样排布为 +/Cu/Cu/Cu/Cu/Cu/–；另一种为阴极 保护系列，试样排布为 +/Cu/Cu/Cu/Zn/Cu/–. 通 过测定两种情况下各个试样表面的电位和通过试样 的电流，研究牺牲阳极的腐蚀行为以及牺牲阳极的 引入对于 R1 位置的纯铜试样可能产生的影响. 纯铜作为全部接地材料在相同条件下使用时， 各试样表面的电位和电流密度如图 10 所示. 通过 与图 3 中锌试样表面的电流进行对比可以看出：R1 位置锌的腐蚀电流密度为 475.67 µA·cm−2，远大 于同一位置铜的腐蚀电流密度 16.67 µA·cm−2，说 明即使在杂散电流存在的条件下，铜的耐腐蚀性也 远高于锌. 图 11 为开路电位下纯铜和纯锌在陕北土

第10期 高书君等：杂散电流对接地材料在陕北土壤模拟溶液中腐蚀行为影响 1331· 0.0 表面发生电化学反应的阻抗高于纯锌，相同条件下 10 电落密度 进入试样内部的杂散电流也会减少 -0.1 相同杂散电流条件下，阴极保护系列中各试样 0 的电位和电流密度如图12所示.由图中的数据也 0.32 可以看出：锌牺牲阳极和接地体铜耦接后，由于锌 -10 更容易失去电子被腐蚀，接地体纯铜的电位整体负 -0.4 移，包括R1位置的铜在内的接地材料全部处于阴 -20 ◆ 极区：只有牺牲阳极的纯Z如表面的电位处于阳极 ◆ -0.5 30 区.在杂散电流条件下，锌起到了排流的作用，抑制 L1 L2 M R2 R1 了杂散电流对铜的腐蚀作用，牺牲阳极的加入能够 试样位置 有效地降低杂散电流对纯铜接地材料腐蚀的影响. 图1020mA直流杂散电流条件下不同位置纯铜试样表面 3结论 的电位和电流密度 (1)介质中存在杂散电流时，纯锌和纯铜都会 Fig.10 Potential and current density of the surface of pure 在杂散电流流出端出现严重的局部腐蚀；随着锌表 copper samples at different locations under the condition of 面电位的正移，阴极区腐蚀电流减小，而阳极区则 20 mA DC stray current 更容易腐蚀：纯铜表面发生电化学反应的阻抗高于 壤模拟溶液中的交流阻抗谱.从图中可以看出纯铜 纯锌，具有更好的耐蚀性 10000 (n)-铜 180 (b)一锌 8000 160 140 6000 120 100 4000 80 60 2000 40 0 0 5000 10000150002000025000 0 100 200 300 400 500 ReZ/(Q.cm) Rez/(Q.cm2) 图11 开路电位下纯铜(a)和纯锌(b)在陕北土壤模拟溶液中的交流阻抗谱 Fig.11 EIS of pure copper(a)and pure zinc(b)at open circuit potential in northern Shaanxi soil simulation solution 0.4 1000上·-电流密度 (2)锌可以作为牺牲阳极，与铜耦接后，纯铜接 800 一电位 0.6 地材料表面电位整体负移，原来位于阳极区的试样 600 400 也会受到保护，表明锌可以用作牺牲阳极起到排流 0.8 200 作用，从而能够有效地降低杂散电流对铜接地材料 0 -1.0 腐蚀的影响. -200 -1.2 -400 600 -1.4 -800 参考文献 -1000 -1.6 L1 L2 M R2 R1 试样位置 [1]Yan F J,Li X G.Corrosion and protection of grounding net in electric system.Shandong Electr Power,2007(1): 图12 阴极保护系列中不同位置试样表面的电位和电流 9 密度 (闫凤洁，李辛庚.电力接地网腐蚀与防护技术的进展.山 东电力技术.2007(1上：9) Fig.12 Potential and current density of the surface of sam- ples at different location in cathodic protection series [2]Tao W L,Li Z L,Li L J.Situation and perspectives of

第 10 期 高书君等：杂散电流对接地材料在陕北土壤模拟溶液中腐蚀行为影响 1331 ·· 图 10 20 mA 直流杂散电流条件下不同位置纯铜试样表面 的电位和电流密度 Fig.10 Potential and current density of the surface of pure copper samples at different locations under the condition of 20 mA DC stray current 壤模拟溶液中的交流阻抗谱. 从图中可以看出纯铜 表面发生电化学反应的阻抗高于纯锌，相同条件下 进入试样内部的杂散电流也会减少. 相同杂散电流条件下，阴极保护系列中各试样 的电位和电流密度如图 12 所示. 由图中的数据也 可以看出：锌牺牲阳极和接地体铜耦接后，由于锌 更容易失去电子被腐蚀，接地体纯铜的电位整体负 移，包括 R1 位置的铜在内的接地材料全部处于阴 极区；只有牺牲阳极的纯 Zn 表面的电位处于阳极 区. 在杂散电流条件下，锌起到了排流的作用，抑制 了杂散电流对铜的腐蚀作用，牺牲阳极的加入能够 有效地降低杂散电流对纯铜接地材料腐蚀的影响. 3 结论 (1) 介质中存在杂散电流时，纯锌和纯铜都会 在杂散电流流出端出现严重的局部腐蚀；随着锌表 面电位的正移，阴极区腐蚀电流减小，而阳极区则 更容易腐蚀；纯铜表面发生电化学反应的阻抗高于 纯锌，具有更好的耐蚀性. 图 11 开路电位下纯铜 (a) 和纯锌 (b) 在陕北土壤模拟溶液中的交流阻抗谱 Fig.11 EIS of pure copper (a) and pure zinc (b) at open circuit potential in northern Shaanxi soil simulation solution 图 12 阴极保护系列中不同位置试样表面的电位和电流 密度 Fig.12 Potential and current density of the surface of sam￾ples at different location in cathodic protection series (2) 锌可以作为牺牲阳极，与铜耦接后，纯铜接 地材料表面电位整体负移，原来位于阳极区的试样 也会受到保护，表明锌可以用作牺牲阳极起到排流 作用，从而能够有效地降低杂散电流对铜接地材料 腐蚀的影响. 参 考 文 献 [1] Yan F J, Li X G. Corrosion and protection of grounding net in electric system. Shandong Electr Power, 2007(1): 9 (闫凤洁，李辛庚. 电力接地网腐蚀与防护技术的进展. 山 东电力技术, 2007(1): 9) [2] Tao W L, Li Z L, Li L J. Situation and perspectives of

·1332 北京科技大学学报 第35卷 stray current.Guizhou Chem Ind,2010,35(1):31 47(8):997 (陶文亮，李自立，李龙江.杂散电流研究现状及展望.贵 (姜子涛，杜艳酸，董亮，等.交流电对Q235钢腐蚀电位的 州化工，2010.35(1)：31) 影响规律研究.金属学报，2011,47(8)：997) [3]Yin G Y,Wei Z H.Stray current corrosion and preven- [12]Du CY,Cao B,Wu Y S.Applicability of-850 mV(SCE) tion.Welded Pipe Tube,2008.31(4):74 cathodic protection potential criterion under AC interfer- (伊国耀，魏振宏.杂散电流腐蚀与防护.焊管，2008,31(4)： ence condition.Corros Prot,2009,30(9):655 74) (杜晨阳，曹备，吴荫顺.交流电干扰下-850mV(SCE)阴 [4 Zheng M C.Effect of stray current on corrosion resis- 极保护电位准则的适用性研究.腐蚀与防护，2009,30(9)： tance of grounding grid materials at substation.Corros 655) Prot,2010,31(4):294 [13]Li Z L,Ding Q M,Zhang Y F,et al.Optimal cathodic (郑敏聪.杂散电流对变电站接地网材料耐蚀性的影响.腐 protection potential for X70 steel with AC interference de- 蚀与防护，2010,31(4)：294) termined by electrochemical methods.Corros Prot.2010 5]Tian J X,Lin H S,Zhang Y L,et al.Lab experiments 31(6):436 on alternate stray current corrosion.J Daging Pet Inst, (李自力，丁清苗，张迎芳，等.用电化学方法建立交流 2004.28(6):101 干扰下X70钢的最佳阴极保护电位.腐蚀与防护，2010， (田家祥，林洪山，张玉龙，等.交流杂散电流腐蚀室内实验. 31(6):436) 大庆石油学院学报，2004,28(6)：101) [14]Zhou PP,Wang S,Li ZZ,et al.Review of corrosion re- [6]Wang H Y.System grounding and stray current in sub- sistant metals for grounding.Electr Power Constr,2010, station.Build Electr,2007,26(9):4 31(8):50 (王厚余.变电所的系统接地和杂散电流.建筑电气，2007， (周佩朋，王森，李志忠，等.耐蚀性金属接地材料研究综述 26(9):4) 电力建设，2010,31(8：50) [7]Zhang P F,Yu X C.ANSYS simulation of buried pipelines [15]Song G L,Johannesson B,Hapugoda S,et al.Galvanic under DC stray current condition.Corros Prot,2011, 32(2):146 corrosion of magnesium alloy AZ91D in contact with an (张攀峰，於孝春.受直流杂散电流影响埋地管线的AN- aluminium alloy,steel and zinc.Corros Sci,2004,46(4): 955 SYS模拟.腐蚀与防护，2011,32(2)：146) [8]Attia M S,Ragab A R,El-Raghy S.Failure analysis of [16]DeGiorgi V G,Wimmer S A.Geometric details and mod- buried piping and cold drain vessel.Eng Failure Anal. eling accuracy requirements for shipboard impressed cur- 2011,18(3):933 rent cathodic protection system modeling.Eng Anal [9]Bertolini L,Carsana M,Pedeferri P.Corrosion behaviour Boundary Elem,2005,29(1):15 of steel in concrete in the presence of stray current.Corros [17]DeGiorgi V G,Thomas E D,Lucas K E.Scale effects and Sci,2007,49(3:1056 verification of modeling of ship cathodic protection sys- [10]Fu A Q,Cheng Y F.Effects of alternating current on cor- tems.Eng Anal Boundary Elem,1998,22(1):41 rosion of a coated pipeline steel in a chloride containing [18]Baechman W V,Schwenk W,Prinz W.Handbook of Ca- carbonate/bicarbonate solution.Corros Sci,2010,52(2): thodic Protection.Hu S X,Wang X N,Translated.Bei- 612 jing:Chemical Industry Press,2005 [11]Jiang Z T,Du Y X,Dong L,et al.Effect of AC current on (Baechman W V,Schwenk W,Prinz W.阴极保护手册 corrosion potential of Q235 steel.Acta Metall Sin,2011. 胡士信，王向农，译.北京：化学工业出版社，2005)

· 1332 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 stray current. Guizhou Chem Ind, 2010, 35(1): 31 (陶文亮, 李自立，李龙江. 杂散电流研究现状及展望. 贵 州化工, 2010, 35(1): 31) [3] Yin G Y，Wei Z H. Stray current corrosion and preven￾tion. Welded Pipe Tube, 2008, 31(4): 74 (尹国耀, 魏振宏. 杂散电流腐蚀与防护. 焊管, 2008, 31(4): 74) [4] Zheng M C. Effect of stray current on corrosion resis￾tance of grounding grid materials at substation. Corros Prot，2010，31(4): 294 (郑敏聪. 杂散电流对变电站接地网材料耐蚀性的影响. 腐 蚀与防护, 2010, 31(4): 294) [5] Tian J X, Lin H S, Zhang Y L, et al. Lab experiments on alternate stray current corrosion. J Daqing Pet Inst, 2004, 28(6): 101 (田家祥, 林洪山, 张玉龙, 等. 交流杂散电流腐蚀室内实验. 大庆石油学院学报, 2004, 28(6): 101) [6] Wang H Y. System grounding and stray current in sub￾station. Build Electr, 2007, 26(9): 4 (王厚余. 变电所的系统接地和杂散电流. 建筑电气, 2007, 26(9): 4) [7] Zhang P F, Yu X C. ANSYS simulation of buried pipelines under DC stray current condition. Corros Prot, 2011, 32(2): 146 (张攀峰，於孝春. 受直流杂散电流影响埋地管线的 AN￾SYS 模拟. 腐蚀与防护, 2011, 32(2): 146) [8] Attia M S, Ragab A R, El-Raghy S. Failure analysis of buried piping and cold drain vessel. Eng Failure Anal, 2011, 18(3): 933 [9] Bertolini L, Carsana M, Pedeferri P. Corrosion behaviour of steel in concrete in the presence of stray current. Corros Sci, 2007, 49(3): 1056 [10] Fu A Q, Cheng Y F. Effects of alternating current on cor￾rosion of a coated pipeline steel in a chloride containing carbonate/bicarbonate solution. Corros Sci, 2010, 52(2): 612 [11] Jiang Z T, Du Y X, Dong L, et al. Effect of AC current on corrosion potential of Q235 steel. Acta Metall Sin, 2011, 47(8): 997 (姜子涛, 杜艳霞, 董亮, 等. 交流电对 Q235 钢腐蚀电位的 影响规律研究. 金属学报, 2011, 47(8): 997) [12] Du C Y, Cao B, Wu Y S. Applicability of –850 mV (SCE) cathodic protection potential criterion under AC interfer￾ence condition. Corros Prot, 2009, 30(9): 655 (杜晨阳, 曹备, 吴荫顺. 交流电干扰下 –850 mV(SCE) 阴 极保护电位准则的适用性研究. 腐蚀与防护, 2009, 30(9): 655) [13] Li Z L, Ding Q M, Zhang Y F, et al. Optimal cathodic protection potential for X70 steel with AC interference de￾termined by electrochemical methods. Corros Prot, 2010, 31(6): 436 (李自力，丁清苗，张迎芳，等. 用电化学方法建立交流 干扰下 X70 钢的最佳阴极保护电位. 腐蚀与防护，2010, 31(6): 436) [14] Zhou P P, Wang S, Li Z Z, et al. Review of corrosion re￾sistant metals for grounding. Electr Power Constr, 2010, 31(8): 50 (周佩朋, 王森, 李志忠, 等. 耐蚀性金属接地材料研究综述. 电力建设, 2010, 31(8): 50) [15] Song G L, Johannesson B, Hapugoda S, et al. Galvanic corrosion of magnesium alloy AZ91D in contact with an aluminium alloy, steel and zinc. Corros Sci, 2004, 46(4): 955 [16] DeGiorgi V G, Wimmer S A. Geometric details and mod￾eling accuracy requirements for shipboard impressed cur￾rent cathodic protection system modeling. Eng Anal Boundary Elem, 2005，29(1): 15 [17] DeGiorgi V G, Thomas E D, Lucas K E. Scale effects and verification of modeling of ship cathodic protection sys￾tems. Eng Anal Boundary Elem, 1998, 22(1): 41 [18] Baechman W V, Schwenk W, Prinz W. Handbook of Ca￾thodic Protection. Hu S X, Wang X N, Translated. Bei￾jing: Chemical Industry Press, 2005 (Baechman W V, Schwenk W, Prinz W. 阴极保护手册. 胡士信, 王向农, 译. 北京: 化学工业出版社, 2005)