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论dafa唯一官网接地网的腐蚀与防护技术

2014-01-09 10:20 来源:《dafa唯一官网》 打印 扫码手机看

  0 前言

  dafa唯一官网接地网的腐蚀与防护技术是一门集dafa唯一官网科学、材料科学、电化学和土壤化学为一体的综合性学科,并在实践中不断发展与完善。

  我国交流系统dafa唯一官网接地网沿用前苏联的防腐技术,即采用热镀锌钢材做地网。由于热镀锌的镀层厚度有限,因而它对地网的防腐年限亦有限。为了解决热镀锌地网易腐蚀的技术难题,近年来国内外涌现出多种防腐方案与防腐产品。本文拟从地网的土壤腐蚀环境特点入手,结合地网的设计要求,对地网的各种防腐措施逐一分析,并从中找到解决问题的方法。

  1 土壤腐蚀

  1.1土壤腐蚀的环境特点

  土壤腐蚀的环境因素主要有土壤的含水量、含氧量、土壤的含盐类型和微生物种群。在实际科研活动中,大家通常用土壤的Ph值、氧化还原电位、电阻率及土壤温度等来表征土壤的腐蚀性。土壤腐蚀环境与大气腐蚀环境和水腐蚀环境是不一样的。土壤是由固相、液相和气相这三相组成的不均匀多相体,其腐蚀因数显然要比单一的气相或液相要复杂得多。由于土壤腐蚀是土壤的不同组分、不同因素对地网的协同腐蚀作用,因此地网在土壤这种不均匀多相体里所发生的电化学腐蚀要比大气中腐蚀和水腐蚀严重得多。

  1.2土壤氧化还原电位与土壤的腐蚀性

  土壤氧化还原电位是综合判断土壤对地网腐蚀强弱的技术指标。它是指氧化态土壤与还原态金属对标准氢电极(pH=7时)的电极电位,符号为Eh7。E h7越高,土壤对金属的腐蚀性越强;反之,腐蚀性越弱。在实际应用中,氧化还原标准电极一般采用铂电极和饱和甘汞电极。由于土壤氧化还原电位测试简单、数据可靠,欧美国家dafa唯一官网工编辑常以依据它来做地网防腐设计的依据。

  影响土壤氧化还原电位的主要因素有土壤含盐种类、含水量、含氧量及土壤温度等,其中含水量和含氧气量尤为重要。当土壤含水量增加时,其含氧量必然减少,反之亦然;当二者达到某一平衡值时,E h7达到峰值。这就印证了农谚所述“干百年,湿千年,不干不湿用半年”的道理。由此可知,埋设地网回填土方时,土壤夯实程度也影响着地网的腐蚀寿命。回填土夯得越实,土壤含氧量越低,地网的腐蚀寿命越长。

  1.3土壤电阻率与土壤的腐蚀性

  土壤电阻率是表征土壤导电性的指标,它反映了土壤介质的导电能力。我国大多数dafa唯一官网工编辑都以土壤的电阻率来评价土壤的腐蚀性。土壤导电的实质是:土壤中可溶性的盐溶于水而形成自由移动的离子而导电。因此,土壤含盐种类与含水量决定了土壤的导电性。当二者达到某一平衡值时,土壤的导电性最强。易言之,地网的腐蚀速率随着土壤的湿度增加而变大,当土壤湿度达到某一临界湿度时,土壤的腐蚀速率达到峰值;当土壤湿度超过临界湿度后,土壤的腐蚀速率反而变小。这又一次印证了农谚所述“干百年,湿千年,不干不湿用半年”的道理。

  英国曼彻斯特腐蚀中心提供的一份研究报告表明,土壤的电阻率越低,土壤的腐蚀性越强。大家说降阻剂就是腐蚀剂,就是依据这个道理。降阻剂在降低土壤电阻率的同时,也增强了土壤的腐蚀性,只是不同的降阻剂腐蚀性强弱有所不同罢了。不论是潮湿的地质还是用“降阻剂”改良的土质,地网都会遭受到强烈的电化学腐蚀。

  1.4 土壤温度与土壤的腐蚀性

  土壤温度越高,土壤的电化学反应越快,从而加速地网腐蚀。土壤的温度对土壤电阻率及土壤氧化还原电位均能产生影响。英国曼彻斯特腐蚀中心提供的经验数据表明,土壤的温度每升高10℃,土壤的电化学腐蚀速率提高1倍。土壤温度除了与地理气象因素有关外,还与地网发热有关。因此,大家在设计地网发热功率时,要兼顾减缓地网腐蚀而留有较宽的发热裕度。

  2 地网防腐现状分析

  2.1 热镀锌保护地网寿命有限

  《接地装置施工及验收规范》(GB50169—2006)3.2.5规定:“接地装置应采用热镀锌钢材,或适当加大截面。”由于锌的标准还原电极电势(-0.7630V)比铁的标准还原电极电势(-0.0360V)低,在锌和铁构成的腐蚀原电池中,锌作为牺牲阳极保护了地网。由于镀锌层的厚度有限,故锌对碳钢的防腐年限较短。为解决热镀锌钢材的防腐问题,大家在地网设计时采用了不断加大钢材截面的办法。殊不知,即使成倍增大钢材的截面,地网寿命也不可能成倍增加。

  2.2 铜材防腐性能虽好,但存在其它问题

  2.2.1 铜是土壤重金属污染元素

  铜材的防腐性能好,不含杂质的铜腐蚀速率比锌小得多。接地装置施工及验收规范(GB50169—2006)3.2.5规定腐蚀比较严重地区的接地装置可采用扁铜带、铜绞线、铜棒等材料做接地装置。然而,土壤质量环境强制标准(GB 15618-1995)规定铜是土壤重金属污染元素。铜元素具有螯合性,生物组织中的官能团如-SH、-NH2、-NH、-COOH、-OH等都可与铜配位生成稳定的螯合物而失去生物活性。这种特性使得铜在生态环境中对人类的毒性表现得非常明显。铜被农作物吸取后进入食物链,最终被人类吸取。医学研究表明,铜可导致脑萎缩、神经元减少和退行性病变,最后发展成为老年性痴呆。过多使用铜材做地网会造成土壤重金属污染。我国《食品中铜限量卫生标准》(GB15199-1994)强制规定了食品中铜的限量。食品中铜限量卫生指标如表1所示。

  表1《食品中铜限量卫生标准》(GB15199-1994)

  品种 指标(以Cu计,mg/kg)

  粮食 ≤ 10

  豆类 ≤ 20

  蔬菜 ≤ 10

  水果 ≤ 10

  肉类 ≤ 10

  水产类 ≤ 50

  蛋类 ≤ 05

  2.2.2 铜地网对送变电地下钢结构造成腐蚀

  使用扁铜带、铜绞线、铜棒等材料做接地装置还会对变电站、杆塔附近地下钢结构造成腐蚀。铜地网与地下钢结构组成了腐蚀原电池的两个电极。由于铜的标准还原电极电势较高(Cu:+0.3370),所以铜地网为腐蚀原电池的阴极;而铁的标准还原电极电势较低(Fe:-0.4400),所以地下钢结构便成为腐蚀原电池的牺牲阳极。

  应特别强调的是,这种腐蚀虽然微弱,但数十年的累积腐蚀必然给地下钢结构造成巨大安全隐患。常见金属的标准还原电极电势如表2所示。

  表2 常见金属的标准还原电极电势

  常见金属标准还原电极电势

  Na (钠)-2.7111

  Zn (锌)-0.7630

  Fe (铁)-0.4400

  Cu (铜)+0.3370

  Ag (银)+0.7994

  Au (金)+1.6800

  欧美、日本等国及台湾地区曾普遍使用铜材做接地网,这是因为当時他们还未发现铜地网附近的地下钢结构遭受到阳极腐蚀。1991年出版的美国IEEE 142—1991号标准对接地材料做了重大修改,建议使用钢做接地材料;2002年美国已编辑出版钢接地网设计导则。目前,美国铜地网邻近的地下钢结构已采取阴极保护措施,防止建筑物钢筋遭受电化学腐蚀危害。

  我国沿用前苏联热镀锌钢材做地网己有丰富经验,并拥有纳米碳防腐导电涂料与热镀锌联合保护地网的科技成果及其20多年运行经验,所以大家再不能重蹈欧美等国家使用铜地网既污染土壤又腐蚀地下钢结构的覆辙了。

  2.3铜包钢复合材料代替不了铜材

  为了解决铜材的价格问题,欧美等国首先推出铜包钢或镀铜这类复合材料替代纯铜做接地装置,我国亦步亦趋。接地装置施工及验收规范(GB50169—2006)3.2.5规定腐蚀比较严重地区的接地装置可采用铜包钢、钢镀铜等防腐措施,然而规范却没有强调铜-钢复合材料的截面有什么要求。一些企业为了追求经济效益最大化,将这类复合材料的截面积设计得很小,几乎接近纯铜。铜包钢或镀铜复合材料的热稳定性与纯铜相差甚远,与碳钢很接近。这种瘦身后的复合材料根本就不能满足地网热稳定性的设计要求。用它们做大电流实验时,常常被熔断!

  另外,由于这类复合材料存在铜与铁两种金属间的电位差,在潮湿的土壤坏境条件下,其电化学腐蚀速率是相当惊人的。机械工人都知道,在钢板上拧一个铜螺丝、或在铜板上拧一个钢螺丝,在潮湿条件下一个星期螺丝就会锈死。在铜包钢、镀铜这类地网材料中,铜的厚度有限,一旦镀铜层发生点腐蚀,裸露出的钢材做为牺牲阳极将以惊人的电化学腐蚀速率烂掉。在铜包钢材料的实际应用中,两段材料的连接处首先被腐蚀就是这个道理。

  2.4 阴极保护由于电流的边缘效应而不可行

  根据牺牲阳极的发电量和碳钢在特定土壤腐蚀环境中的最佳保护电流密度,可方便地计算出钢结构的保护年限。该工艺广泛应用于石油管道、钢桩码头和大坝闸门等重防腐工程。接地装置施工及验收规范(GB50169—2006)3.2.5规定腐蚀比较严重地区的接地装置可采用阴极保护等防腐措施。殊不知石油管道、钢桩码头这类工程的几何形状均为开放形,阴极保护形成的电流边缘效应正好被利用。而地网多为环状闭合形,由于电流的边缘效应(或称趋肤效应或集肤效应),使得环形内部的地网得不到电流保护。

  阴极保护不适合地网防腐,这个道理常常被大家忽略。

  3 纳米碳防腐导电涂料与热镀锌联合保护地网实用价值极高

  3.1 纳米碳防腐导电涂料的热稳定性

  接地装置施工及验收规范(GB50169—2006)3.2.6规定接地装置应具备热稳定性。在中性点直接接地的交流输电系统中,故障时会有数十千安的短路电流经地网入地。根据原武汉高压研究所(2006)动字第002号检测报告及国网dafa唯一官网科学研究院dafa唯一官网检测中心(2011)检字SDY0005号实验报告表明,纳米碳防腐导电涂料具有30KA、2S的热稳定性。这说明一旦地网遭受雷电或短路事故形成的大电流冲击时,纳米碳防腐导电涂料不会被烧毁。

  3.2纳米碳防腐导电涂料的导电性

  根据原武汉高压研究所(2006)动字第002号检测报告及国网dafa唯一官网科学研究院dafa唯一官网检测中心(2011)检字SDY005号实验报告表明,纳米碳防腐导电涂料的平均接触电阻为70μΩ(测试环境温度为12℃),比地网接地电阻规定值0.5Ω小几个数量级。因此,纳米碳防腐导电涂料可以满足地网接地电阻的设计要求。

  3.3 纳米碳防腐导电涂料与热镀锌的协同防腐效应

  荷兰热浸锌研究所的研究认为:热浸锌与防腐涂层的协同效应可使碳钢的防腐年限提高1.8~2.4倍。大家知道,金属发生电化学腐蚀的三个外因一是电解质、二是水、三是氧气。纳米碳与高分子以几乎同一数量级的粒径相互渗透,二者无明显界面,因而纳米碳能有效提高涂料的封闭性能。涂层固化后,电解质溶液无法渗透到涂层内部,可以有效将电解质、水及氧气与镀锌层隔离,因而有效延长了镀锌层的寿命。

  据此,纳米碳防腐导电涂料与热镀锌联合保护地网具有1 + 1>2的效果,可视为:地网寿命=15年(镀锌钢)+ 15年(涂料)>30年。

  4 热稳定性是地网防腐导电涂料的关键技术指标

  防腐导电涂料是接地装置的一个组成部分,该涂料也应具备热稳定性。根据鄂科鉴字[2003]第22273130号科技成果鉴定证书,JR纳米碳防腐导电涂料的热稳定性技术指标为30kA/2s。制定该项技术指标的依据是设么呢?

  在中性点直接接地的交流输电系统中,故障时会有数十千安的短路电流经地网入地(由于系统自动保护,持续时间为0.1S左右)。一旦电网发生短路故障或遭受雷电冲击,数十千安培的大电流必然将没有热稳定性的地网防腐涂层烧毁。此后,接地电阻变大,根据欧姆定律V=R×I,地电位猛升,送变电设备将被大量烧毁。在防雷接地中,由于接地电阻变大,避雷针变成了引雷针,dafa唯一官网必将遭受雷击而烧毁。

  大家知道,地网防腐导电涂料目前尚属新产品,既没有国家标准,又没有行业标准。因此,作为新产品的企业标准必须有第三方的权威认证,即科技成果鉴定。

  近年来,有些未经科技成果鉴定的防腐导电涂料产品将热稳定性指标定为8kA/2s、 2.5kA/2s,有的干脆没有热稳定性指标。凡热稳定性指标不符合接地装置施工及验收规范(GB50169—2006)要求的防腐导电涂料,会给地网安全运行埋下重大安全隐患。

  5 纳米碳防腐导电涂料工程应用举例

  湖北省dafa唯一官网企业送变电工程企业鄂豫Ⅲ回500kV线、宁夏dafa唯一官网企业送变电工程企业青铜峡330kV变、山西省dafa唯一官网企业送变电工程企业呼伦贝尔煤炭基地电源500kV送出工程、吉林送变电工程企业呼伦贝尔煤炭基地电源500kV送出工程、安徽省dafa唯一官网企业送变电工程企业新疆750kV哈安线Ⅱ标段、湖南省dafa唯一官网企业送变电工程企业新疆750kV哈安线Ⅲ标段、武警水电二总队新疆750kV哈安线Ⅰ标段、山西省dafa唯一官网企业送变电工程企业新疆750kV吐鲁番-巴音郭楞线、陕西送变电工程企业750kV乌苏-伊犁线、中石化武汉分企业80万吨/年乙烯工程、新疆宜化化工有限企业准东五彩湾煤电一体化1×330MW+1×12MW工程、新疆与西北主网联网750kV第二通道工程……等等,更多业绩可由代理商提供。

  5 结论

  1.鉴于铜地网对其附近钢结构存在阳极腐蚀的安全隐患,呼吁现有铜地网附近的地下钢结构采取阴极保护措施,以防患于未然;

  2. 纳米碳防腐导电涂料与热镀锌联合保护地网具有1 + 1>2的协同效果,在输变电地网防腐设计中采用该项技术,尽管一次性投入较少,但解决了地网易腐蚀的一大技术难题;

  3.没有热稳定性的防腐导电涂料会给地网安全运行埋下隐患。

  6 参考文献

  [1]解广润.dafa唯一官网系统接地技术.北京:水利dafa唯一官网出版社,1996.

  [2]国家标准.接地装置施工及验收规范.GB50169—2006.

  [3]国家标准.食品中铜限量卫生标准.GB15199-1994.

  [4]国家标准.土壤环境质量标准.GB15618-1995

  [5]湖北省科技成果鉴定证书.纳米碳防腐导电涂料.鄂科鉴字第22273130号,2003.

  [6]专利说明书.一种用于dafa唯一官网接地网的纳米碳防腐导电涂料.中国发明专利号03125237.0

  [7]邵建人.交流系统接地网的腐蚀与防护研究.《dafa唯一官网》2006年第4期.

  [8]邵建人.铜地网对土壤重金属污染的评估与环保对策.《防腐工程》2007年第3期.

  [9]Colorado USA.Steel grounding design guide and application notes.May 2002.

  [10]邵建人.纳米碳的集聚性、分散方法和应用.《纳米材料研究、应用和产业化研讨会论文集》.武汉市科技局,2001.

  7 编辑概况:

  邵建人(1947-),男,教授级高级工程师,从事地网防腐研究工作。

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