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　　電氣工程接地用銅覆鋼腐蝕性能研究馬光韓鈺聶京凱陳新李現(xiàn)兵（中國電力科學(xué)研究院電工與新材料研究所，北京１００１９２）摘要：銅覆鋼復(fù)合材料以優(yōu)異的耐腐蝕性能、較高的性價比成為交流電氣工程理想的接地材料，但從國內(nèi)的研究及應(yīng)用狀況來看，針對銅覆鋼接地材料的相關(guān)研究相對較少．導(dǎo)致其應(yīng)用未達到預(yù)期效果。針對銅覆鋼材料的腐蝕壽命問題．本文對銅覆鋼接地材料在典型土壤和中性鹽霧條件下的耐腐蝕性進行了試驗研究和分析評價。研究結(jié)果表明，銅覆鋼材料在典型土壤中具有較高的酎腐蝕性，在保證銅層厚度條件下可滿足設(shè)計要求，銅層厚度應(yīng)根據(jù)當?shù)赝寥栏g數(shù)據(jù)進行設(shè)計；銅覆鋼材料在堿性及中性腐蝕條件下易出現(xiàn)鈍化層．其耐腐蝕性要大干同等級酸性土壤條件下，５００ｈ鹽霧試驗后腐蝕輕微．電阻事變化很低。關(guān)鍵詞：電氣工程；接地材料；銅覆鋼；腐蝕性能。Ｏ前言隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電氣接地工程的接地短路電流不斷增大，對接地系統(tǒng)的安全可靠性提出了更高要求。接地裝置腐蝕是造成接地系統(tǒng)發(fā)生事故的重要原岡，全國各地多次因接地裝置腐蝕發(fā)生事故，逐漸暴露出接地裝置嚴重腐蝕是目前我國接地系統(tǒng)最為突出的問趔卜３１。我國電氣工程的接地系統(tǒng)多采用熱鍍鋅鋼，但鍍鋅鋼在腐蝕較嚴重的堿性土壤地區(qū)和高腐蝕介質(zhì)的中性土壤地區(qū)，已不能滿足接地系統(tǒng)的安全使用要求。國外傳統(tǒng)的做法是采用純銅，但純銅價格昂貴且屬于戰(zhàn)略性資源，若大面積采用銅材，即大幅增加建設(shè)成本又浪費了大量戰(zhàn)略資源。銅覆鋼材料是為了替代銅材在部分領(lǐng)域的應(yīng)用而開發(fā)的一種復(fù)合材料卜引，兼具銅的高耐蝕性、高導(dǎo)電率以及鐵的高強度、價格低等優(yōu)點，綜合性能高、成本較低，最重要的意義在于大幅度節(jié)約了戰(zhàn)略性銅材。美國從二十世紀七十年代開始進行銅覆鋼（Ｃｏｐｐｅ卜ｃｌａｄＳｔｅｅｌ）接地棒的開發(fā)、標準化與應(yīng)用工作，標準體系健全并進行了大最的應(yīng)用。目前，國內(nèi)在變電站接地系統(tǒng)逐漸開始嘗試使用銅覆鋼材料，但由于銅覆鋼材料生產(chǎn)工藝較多，銅層質(zhì)量各不相同，而銅層的耐腐蝕性能直接關(guān)系接地裝置的使用壽命。因此，有必要對各種工藝生產(chǎn)的銅覆鋼材料進行耐腐蝕性研究，以考核各種工藝銅覆鋼材料在典型土壤腐蝕條件下的銅層質(zhì)量，以期為變電站接地用銅覆鋼材料的質(zhì)量標準的制定、設(shè)計及使用等提供參考。１試驗材料及方法１．１試驗材料試驗用材料包括電鍍銅覆鋼、水平連鑄銅覆鋼、套管冷拉（以下簡稱冷拉）銅覆鋼三種。鹽霧腐蝕試驗用材料為帶接頭的連鑄及冷拉銅覆鋼，連接方式采用放熱焊接。１．２試驗方法采用德國ＺａｈｎｅｒＩＭ６型電化學(xué)工作站進行電化學(xué)加速腐蝕試驗，腐蝕介質(zhì)為采集土壤與去離子水ｌ：ｌ配置后沉淀的泥漿，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為Ｐｔ電極，掃描速度０．５ｍＶ／ｓ。測試極化曲線后利用ｔａｆｅｌ外推法估算腐蝕電位、腐蝕電流，見圖１，利用估算的腐蝕電流計算平均腐蝕速度，３個平行樣品取平均值。試驗土壤采用四種典型土壤，土壤來源分別為：江西鷹潭土壤埋置試驗站、黑龍江大慶城區(qū)、天津塘沽海岸及北京良鄉(xiāng)鹽堿地。１３０＞Ｅ、乞２山Ｌｃ馮（ｉ，釁）圖１極化曲線測試的腐蝕電位和腐蝕電流采用Ⅺ（ｘ進行鹽霧腐蝕試驗，參考ＧＢ／Ｔ１０１２５—１９９７，ＩＥＥＥ８３７．２００２進行中性鹽霧試驗，腐蝕介質(zhì)為去離子配置的５％ＮａＣｌ，連續(xù)噴霧５００ｈ，試驗結(jié)束后觀察試樣表面形貌，試驗前后測試電阻率，進行電阻率對比。連鑄銅覆鋼進行現(xiàn)場埋置試驗，現(xiàn)場埋置試驗在南京土壤研究所鷹潭土壤埋置試驗站進行，試驗周期半年，以失重量計算材料的·Ｆ均腐蝕速度。．２試驗與結(jié)果２．１土壤性質(zhì)檢測對四種典犁土壤進行土壤性質(zhì)鑒定，見表ｌ。由表ｌ可見，四種典型上壤中，鷹潭土壤ｐＨ僅為４．８１，屬于南方典型的酸性土壤；大慶土壤ｐＨ為８．２４，鹽分及各種離子含量高，十壤電阻率僅為９．６Ｑ·ｍ，屬于強腐蝕堿性土壤；塘沽＿｝二壤ｐＨ為８．２９，其鹽分及各種離子含最極高，電阻率極低，儀為１．６Ｑ·ｍ，屬于腐蝕性極強的土壤；北京良鄉(xiāng)土壤ｐＨ為８．５６，同樣為堿性土壤，但其鹽分和各種能離子含量較低，電阻率較高，為９１．８Ｑ·ｍ，屬于較弱腐蝕性堿性土壤。參考ＤＩＮ５０９２９—１９８５《金屬腐蝕：在外部腐蝕條件下金屬材料的腐蝕概率》，綜合電阻率、ｐＨ值、酸堿度、中性鹽、硫酸鹽等岡索．對四種土壤的腐蝕性進行評價如表２。按德國ＤＩＮ標準評定，土壤等級分為Ｉａ極弱腐蝕、Ｉｂ弱腐蝕，ＩＩ級腐蝕和ＩＩＩ級強腐蝕四大類。項目選取的四種代表性土壤包含了ＩＩＩ級強腐蝕的海岸鹽漬土壤（塘沽），１ＩＩ級強腐蝕的堿性蘇打鹽土（大慶），Ｉｌ級腐蝕的酸性紅壤（鷹潭），Ｉｂ級弱腐蝕的堿性黃土（北京良鄉(xiāng)）。另外，對于銅及銅合金而言，酸性土壤腐蝕性要大于同等級的中性及堿性土壤。表１四種典型土壤土壤性質(zhì)檢測結(jié)果＼參數(shù)Ｃｌ－ＮＯ，。ＳＯｄ’ＨＣ０３’鹽分ＣａＫＭｇＮａ電阻率弋ｐＨｍｇ／ｌ（ｇｍｇ／Ｉ（ｇｍ‖ｋｇｍｇ瓜ｇ‖ｋｇｍｇ／ｌ（ｇｍｇ／ｌ（ｇｍｇ瓜ｇｍｇ／ｌ（ｇ值Ｑ·ｍ土壤＼＼鷹潭１３２２８．９２５．９３．３８Ｏ．０８５７．４４３．９５Ｏ．７７８３．８０４．８１３１９．５大慶４８２６７．Ｏ１５４１１１７３．２４５４３１３５．７１６ｌ３６７８．２４９．６塘沽１１６ｌ１４４１８８０２０６１６．５４４４６４８１２５７８１５８．２９１．６良鄉(xiāng)４．１６２３．５１３．１１７１０．４２５７８．６３．２２１０．６５．９７８．５６９１．８１３１表２四種典型土壤腐蝕性評價鷹潭大慶塘沽良鄉(xiāng)土壤性質(zhì)酸性紅壤堿性蘇打鹽土堿性濱海鹽漬土堿性黃土ＤＩＮ標準綜合岡素評價Ｉｌ級腐蝕ＩＩｌ級強腐蝕ＩＩＩ級強腐蝕Ｉｂ級弱腐蝕２．２土壤腐蝕性能試驗對電鍍、連鑄及冷拉銅覆鋼材料進行四種典型土壤的電化學(xué)加速腐蝕試驗，試驗結(jié)果見表４。由表４可以看出，銅覆鋼材料在大部分土壤中具有較高的耐蝕性；另外，銅覆鋼在堿性土壤中易出現(xiàn)鈍化層，鈍化層有助于緩解銅層的腐蝕，但在酸性土壤中不宜出現(xiàn)鈍化層，這也說明了銅及銅合金在酸性土壤中的腐蝕程度要大于相同腐蝕等級條件下堿性土壤。從估算的平均腐蝕來看，銅覆鋼材料在塘沽海岸這種極高腐蝕區(qū)域的腐蝕速度要遠高于其他區(qū)域，因此，在極強腐蝕區(qū)域，應(yīng)加大銅層厚度或直接使用銅材：在良鄉(xiāng)等較弱、一般腐蝕的中性及酸性腐蝕介質(zhì)條件下，相對較小的銅層厚度即可滿足３０年設(shè)計壽命要求：在大慶等較強中性、堿性腐蝕介質(zhì)下和鷹潭等一般腐蝕性酸性土壤中，在保證銅層厚度條件下應(yīng)可滿足３０年設(shè)計壽命要求。對比連鑄銅覆鋼材料電化學(xué)測試結(jié)果與鷹潭士壤埋置試驗站現(xiàn)場埋置數(shù)據(jù)見表５，可以看出，電化學(xué)試驗所得的平均腐蝕速度與現(xiàn)場埋置腐蝕速度相比應(yīng)是偏高的。分析電化學(xué)試驗平均腐蝕速度高于實際腐蝕速度的原因在于：一方面，電解作用、土壤含水量增加造成土壤腐蝕速度增大，另一方面，由于銅在大部分土壤中存在鈍化現(xiàn)象，鈍化層可以有效的保護銅層被繼續(xù)腐蝕，因此，電化學(xué)測試估算的平均腐蝕速度較高。鑒于現(xiàn)場埋置試驗的試驗周期較長，可通過電化學(xué)試驗估算銅覆鋼材料銅層的使用年限，此方法估算的銅層厚度是偏于保守的，可為銅層厚度的選擇、設(shè)計提供參考。表４電化學(xué)加速腐蝕試驗結(jié)果樣品類型電鍍銅覆鋼連鑄銅覆鋼土壤類型鷹潭大慶良鄉(xiāng)塘沽鷹潭大慶良鄉(xiāng)塘沽電化學(xué)測試的腐蝕速Ｏ．０１０Ｏ．０１６０．００６Ｏ．０４００．０２３Ｏ．０１４Ｏ．０１３０．０３９度Ｖ。。（ｍｍ／ａ）有無鈍化無有有有無無有有估算的腐蝕速度與實略高高高同高高高高際腐蝕速度相比耐蝕性耐蝕性耐蝕性耐蝕性耐蝕性耐蝕性耐蝕性耐蝕性耐蝕性評價優(yōu)秀好優(yōu)秀一般好好好一般樣品類型冷拉銅覆鋼土壤類型鷹潭大慶良鄉(xiāng)塘沽電化學(xué)測試的腐蝕速Ｏ．ＯｌＯ０．０１７Ｏ．００３Ｏ．０３７度Ｖ。（刪〔Ｔｌ／ａ）無鈍化無有有有．耐蝕性耐蝕性耐蝕性耐蝕性耐蝕性評價優(yōu)秀好優(yōu)秀一般１３２裘５《輔錦曩目自化學(xué)■ｔ＃＊與在穗ｉ±臻哩一試鞋％璦場埋ｔ觳镕對Ｅ２３中性鹽霧腐蝕試驗為進一步考棱鍋覆鋼材抖的耐蝕性．參考ＧＢｌ０１２５．ＩＥＥＥ８３７．對對連鑄和冷拉嗣疆鋼（帶放熱焊接接頭進行了中性鹽算腐蝕試驗．５００ｈ苴驗后試樣形虢見圈２。固２銅曩鋼５００ｈ聳霧腐蝕試驗后《ａ）水平毒鑄銅疆鋼：（ｂ）持拉銅疆鍋圖３銅覆鋼５００ｈ腐蝕試驗清除腐蝕產(chǎn)物前形貌（（ａ）連鑄銅覆鋼：（ｂ）冷拉銅覆鋼）試驗前后的試樣形貌見圖２，從圖可以看出，冷拉及水平連鑄銅覆鋼經(jīng)５００ｈ腐蝕試驗后，在銅層表面出現(xiàn)局部區(qū)域的銅綠，這些銅綠為銅的鈍化層可以起保護作用，防止銅層進一步腐蝕。表層的銅綠經(jīng)砂紙輕輕打磨后即可去掉，銅覆鋼材料耐鹽霧腐蝕性能優(yōu)異。鹽霧試驗后，對銅覆鋼（帶接頭）進行電阻測量，見表６，其電阻經(jīng)５００ｈ腐蝕后電阻變化僅為０．０５％．１．８％，５００ｈ鹽霧腐蝕后電阻的變化極低，進一步說明銅覆鋼的耐蝕性優(yōu)異。表６＼試樣５００ｈ腐蝕試驗后銅覆鋼材料電阻率變化冷拉銅覆鋼水平連鑄銅覆鋼、＼電阻（釁）＼＼（不帶接頭部分，Ｌ＝１００ｍｍ，ｕＱ。ｃｍ）（帶接頭，Ｌ＿９０ｍｍ，ｍ·ｃＨｌ）試驗前４ｌ－３４７．５４１．９５６．０５７．９５７．７５００ｈ鹽霧腐蝕試驗后４１．８４７．８４２．１５７．０５８．２５８．３試驗后／試驗前１．０１２１．００６１．００５Ｉ．０１８１．００５１．０１０３結(jié)論（１）銅覆鋼材料具有較高的耐腐蝕性，是一種理想的資源節(jié)約型接地材料，可根據(jù)當?shù)赝寥栏g數(shù)據(jù)進行銅層厚度設(shè)計。（２）銅覆鋼材料在堿性土壤中易出現(xiàn)鈍化層，鈍化層有助于緩解銅層的腐蝕；在酸性土壤中不宜出現(xiàn)鈍化層，其腐蝕程度要大于相同腐蝕等級條件下堿性土壤。（３）對于銅覆鋼接地材料而言，在極強腐蝕區(qū)域，應(yīng)根據(jù)腐蝕數(shù)據(jù)加大銅層厚度或直接使用銅材；在較弱、一般腐蝕等級的中性及堿性腐蝕介質(zhì)條件下，相對較小的銅層厚度既可滿足３０年設(shè)計壽命要求；在較強中性、堿性腐蝕介質(zhì)下和一般腐蝕性酸性土壤中，在保證銅層厚度條件下可滿足３０年設(shè)計壽命要求。（４）經(jīng)５００ｈ鹽霧腐蝕試驗，銅層表面出現(xiàn)鈍化層，腐蝕輕微，電阻率變化很低，耐鹽霧腐蝕性能優(yōu)異。