徐松，馮兵，何鐵祥

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007)

4種涂層鋼在變電站土壤中的腐蝕行為研究

徐松，馮兵，何鐵祥

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007)

采用高速電弧噴涂方法在Q235鋼表面上分別制備純Al涂層、AlSi合金涂層、NiAl合金涂層、316L不銹鋼涂層，通過對(duì)涂層鋼在湖南某220 kV變電站中進(jìn)行埋樣和土壤溶液中的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)，研究涂層在變電站土壤及其溶液中的耐蝕性能。通過電化學(xué)線性極化、動(dòng)電位極化、交流阻抗試驗(yàn)，研究涂層在變電站土壤過濾液中的電化學(xué)腐蝕行為，并利用掃描電子顯微鏡和X射線電子能譜對(duì)埋樣的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行觀察和分析，結(jié)果表明:AlSi涂層具有最好的耐土壤腐蝕性，其次是鎳鋁涂層和不銹鋼涂層，而純鋁涂層長時(shí)間埋地容易鼓泡，耐土壤腐蝕性不佳。

合金涂層；土壤腐蝕；電化學(xué)腐蝕；高速電弧噴涂

變電站接地網(wǎng)是保障電力設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要設(shè)施，一般埋在變電站地面下60～80 cm的土壤中，由于資源、經(jīng)濟(jì)等原因，國內(nèi)接地網(wǎng)材料主要采用熱浸鍍鋅碳鋼。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，國內(nèi)電力接地網(wǎng)腐蝕比較嚴(yán)重，尤其是潮濕多雨的華南、華中地區(qū)，運(yùn)行3—5年的鍍鋅鋼出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕，造成多起設(shè)備損壞和停電事故〔1－2〕。因此，接地網(wǎng)防腐一直是電力系統(tǒng)一個(gè)重要研究課題，目前，國內(nèi)外接地網(wǎng)常用的主要防護(hù)措施有:銅和銅包鋼；陰極保護(hù)；降阻劑；導(dǎo)電涂料〔3〕。這些防護(hù)措施各有優(yōu)缺點(diǎn)，如陰極保護(hù)施工簡單，但是后續(xù)維護(hù)費(fèi)用大；降阻劑施工難度大且防腐性能發(fā)揮依賴特定環(huán)境；銅和銅包鋼在普通土壤中非常耐腐蝕，但是價(jià)格昂貴，不宜大范圍使用；導(dǎo)電防腐涂料存在老化問題，涂料一旦破裂局部腐蝕非常嚴(yán)重。

熱噴涂已經(jīng)廣泛應(yīng)用于金屬的防腐，如熱噴鋅、鋅鋁合金，其耐大氣腐蝕優(yōu)良，主要用于公路、橋梁、戶外構(gòu)架等防腐〔4－7〕，但是，目前關(guān)于熱噴涂合金涂層用于接地網(wǎng)防腐蝕的研究較少，理論上熱噴涂合金涂層兼具防腐、導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性，是一種潛在的接地網(wǎng)防腐方法，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。文中使用高速電弧噴涂方法在Q235鋼表面上制備Al，NiAl，AlSi，316L不銹鋼4種合金涂層，通過對(duì)涂層在變電站中進(jìn)行埋樣和土壤溶液中的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)，研究了涂層在變電站土壤及其溶液中的耐蝕性能，供接地網(wǎng)的防腐工作參考。

1 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采DH8－TA－400電弧噴涂設(shè)備，實(shí)驗(yàn)中合金絲直徑Φ2 mm，壓縮空氣流量1.8 m3/min。以Q235鋼為基材，表面先用酒精清洗除油凈化，再進(jìn)行噴砂粗化，隨后進(jìn)行6個(gè)面的噴涂，相同時(shí)間下，制備出Al，AlSi，NiAl，316L不銹鋼4種合金涂層。涂層的橫截面如圖1所示，Al涂層較厚，有大量空洞，最大厚度為791 μm，AlSi涂層較致密，最大厚度為653 μm，NiAl涂層較薄，最大厚度為257 μm，316L不銹鋼涂層較致密，最大厚度為378 μm。

涂層橫截面觀察結(jié)果如圖1所示。

圖1 4種涂層的橫截面

電化學(xué)測(cè)量通過Garmy600電化學(xué)工作站在室溫下進(jìn)行，動(dòng)電位極化和電化學(xué)阻抗測(cè)量采用三電極體系，輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極 (SCE)，測(cè)試溶液為湖南某220 kV變電站土壤過濾液，水土比為3∶1，土壤溶液理化參數(shù)見表1，該變電站土壤偏酸性，氯離子和硫酸根離子含量高，腐蝕性較強(qiáng)。涂層試樣的工作面積為10 mm×10 mm，為了對(duì)比，同時(shí)測(cè)試的還有Q235鋼和SPA－H耐候鋼，其成分見表2。動(dòng)電位極化掃描速率為1 mV/s，電化學(xué)阻抗譜測(cè)量在開路電位上進(jìn)行，頻率范圍為0.01～100 kHz，測(cè)量信號(hào)的幅值為10 mV。用自帶軟件對(duì)電化學(xué)阻抗數(shù)據(jù)進(jìn)行解析擬合。

涂層樣品埋片選在湖南益陽毛家塘220 kV變電站，埋片土壤深度60 cm，與變電站主接地網(wǎng)深度一致，為了對(duì)比，同時(shí)埋入Q235鋼，埋地樣品尺寸均為50 mm×50 mm×5 mm。樣品埋地180天后取出，一部分樣品按照文獻(xiàn) 〔8〕的方法清洗稱重計(jì)算腐蝕速率；另一部分用Quanta400掃描電子顯微鏡進(jìn)行樣品表面腐蝕形貌和成分分析。

表1 湖南某220 kV變電站土壤溶液理化參數(shù) (水∶土＝3∶1)

表2 Q235鋼和SPA－H耐候鋼的成分 %

2 結(jié)果與討論

2.1 電化學(xué)測(cè)試

1)線性極化測(cè)量

表3為線性極化阻抗擬合數(shù)據(jù)。極化區(qū)間為:－20～20 mVocp，掃描速率為0.5 mV/s。根據(jù)線性極化阻抗值，AlSi涂層的線性極化阻抗值最大，其耐蝕性最好，其次是NiAl和316不銹鋼涂層，純Al涂層耐蝕性最差，而Q235鋼與SPA－H耐候鋼的耐蝕性相差不大。

表3 線性極化阻抗擬合數(shù)據(jù)

2)動(dòng)電位極化曲線測(cè)量

圖2為Q235鋼、SPA－H耐候鋼及涂層樣品的動(dòng)電位極化曲線測(cè)量結(jié)果。所有電極在測(cè)量溶液中的陽極過程均表現(xiàn)為活性溶解特征，無明顯鈍化電位區(qū)間，316不銹鋼涂層的鈍化趨勢(shì)相對(duì)明顯，腐蝕電位最高。與Q235鋼比較，不銹鋼涂層的陽極電流密度最小，其次是 NiAl涂層和 AlSi涂層，SPA－H耐候鋼與Q235鋼相當(dāng)，而純Al涂層陽極電流密度最大。表4為Q235鋼、SAP－H耐候鋼及涂層樣品的Icorr和Ecorr。Icorr通常與腐蝕速率有對(duì)應(yīng)關(guān)系。比較之下，AlSi涂層的 Icorr最小，其次是NiAl和不銹鋼涂層，耐候鋼的 Icorr大于 Q235鋼，純Al涂層的Icorr最大。極化曲線的測(cè)量結(jié)果基本與線性極化結(jié)果一致。說明AlSi涂層、NiAl涂層和不銹鋼涂層具有較好的耐蝕性，而純Al涂層耐蝕性差，耐候鋼與Q235鋼的耐蝕性相當(dāng)。

圖2 極化曲線測(cè)量結(jié)果

表4 Q235鋼、SPA－H耐候鋼及涂層樣品的Icorr和Ecorr

3)交流阻抗測(cè)量

圖3為Q235鋼、SPA－H耐候鋼及涂層樣品的電化學(xué)阻抗譜測(cè)量結(jié)果。圖3(a)表明，AlSi涂層的低頻容抗弧顯著增大，其次是NiAl和不銹鋼涂層，而純Al的低頻容抗弧明顯小于Q235鋼，耐候鋼基本與Q235鋼一致。圖3(b)給出了阻抗模值與頻率f的關(guān)系。f→0時(shí)越大，說明電極的耐蝕性越好。顯然，鋁硅涂層的低頻明顯大于其他涂層，耐蝕性最好；其次是鎳鋁涂層和不銹鋼涂層的低頻，均明顯高于Q235鋼。而純鋁涂層和耐候鋼的低頻與Q235鋼相當(dāng)。圖3(c)表明，各測(cè)試樣品的阻抗譜均表現(xiàn)為一個(gè)時(shí)間常數(shù)，涂層樣品的相角略微向低頻方向移動(dòng)，尤其是不銹鋼涂層。

圖3 電化學(xué)阻抗測(cè)試結(jié)果

根據(jù)阻抗譜形狀和經(jīng)驗(yàn)選擇等效電路，以圖4中的等效電路圖對(duì)阻抗譜進(jìn)行擬合，其中Rsol是溶液電阻， Cdl是雙電層電容， Rtrans是轉(zhuǎn)移電阻，Qfilm和Rfilm分別是膜的電容和電阻。圖3中的符號(hào)和曲線分別為測(cè)量和擬合結(jié)果，可見，擬合結(jié)果較好。表5為阻抗譜的擬合參數(shù)。AlSi涂層具有最高的膜電阻，其次是 NiAl涂層和不銹鋼涂層，為Q235鋼的40倍以上，說明這3種涂層對(duì)基體的保護(hù)性較好。純Al涂層和SPA－H耐候鋼的膜電阻稍高于Q235鋼。

圖4 擬合的等效電路圖

表5 阻抗譜擬合參數(shù)

以上阻抗的測(cè)量結(jié)果與前面線性極化和動(dòng)電位極化曲線的測(cè)量結(jié)果一致，均說明在毛家塘220 kV變電站土壤溶液中，AlSi涂層具有最好的耐腐蝕性，其次是NiAl涂層和不銹鋼涂層，而純Al涂層基本不具備保護(hù)性，SPA－H耐候鋼與Q235鋼的耐蝕性基本相當(dāng)。

表6 Q235鋼、SPA－H耐候鋼及涂層樣品的 Z0.01Ω·cm2

圖5 涂層樣和Q235鋼在湖南某220 kV變電站埋片6個(gè)月后的腐蝕形貌圖

2.2 變電站埋片實(shí)驗(yàn)

圖5為4種涂層樣和Q235鋼在湖南益陽毛家塘220 kV變電站埋片180天后的宏觀腐蝕形貌照片。由圖可見:Q235鋼腐蝕嚴(yán)重，表面生成大量黃色和黑色腐蝕產(chǎn)物；純Al涂層樣品無明顯銹蝕，但是局部出現(xiàn)鼓泡，說明土壤中的水已經(jīng)滲透到涂層內(nèi)部，涂層即將失效；AlSi涂層樣品表面幾乎無腐蝕，涂層保護(hù)性能最好；NiAl涂層和不銹鋼涂層樣品表面輕微腐蝕，局部可見黃銹。表7為埋片樣品的腐蝕速率，數(shù)據(jù)表明4種涂層樣品的腐蝕速率明顯小于Q235鋼，其中AlSi涂層耐蝕性最好，其次是不銹鋼涂層、純Al涂層和NiAl涂層。圖6和表8為埋地樣品SEM形貌圖及對(duì)應(yīng)的EDS分析，如圖6(a)—(e)所示:Q235鋼表面腐蝕產(chǎn)物膜已經(jīng)破裂，主要成分為鐵的氧化物，其中的Ca，Mg元素為土壤的成分；純Al涂層表面輕微腐蝕，腐蝕產(chǎn)物為Al的氧化物，局部疏松，因此土壤中的水分容易滲透到涂層中與基體Q235鋼接觸，從而在涂層和基體交界處產(chǎn)生鐵銹，體積膨脹最終導(dǎo)致涂層鼓泡，直至破裂失效，失去保護(hù)作用；AlSi涂層幾乎無腐蝕，表面主要為噴涂時(shí)形成的Al和Si的氧化物，且比較致密和光滑，有效地阻擋了土壤中的水和離子滲透到涂層中，因此AlSi涂層的耐土壤腐蝕性最好；NiAl涂層表面較疏松，表蝕產(chǎn)物中有Fe元素，表明已經(jīng)開始銹蝕，且腐蝕產(chǎn)物主要為Ni，Al，F(xiàn)e氧化物，主要是由于涂層表面疏松，土壤中的水及離子容易進(jìn)入涂層內(nèi)部；不銹鋼涂層與NiAl涂層類似，涂層疏松，因此也輕微腐蝕，腐蝕產(chǎn)物主要為Ni，Cr，F(xiàn)e氧化物。

表7 變電站6個(gè)月后的埋片樣品的腐蝕速率 g· (dm2a)－1

表8 圖6方框區(qū)域EDS分析結(jié)果%

3 結(jié)論

1)純Al涂層、AlSi涂層、NiAl涂層和316L不銹鋼涂層可以顯著提高Q235鋼的耐蝕性。

2)電化學(xué)實(shí)驗(yàn)和變電站埋片結(jié)果表明，AlSi涂層具有最好的耐土壤腐蝕性，其次是NiAl涂層和不銹鋼涂層，而純鋁涂層長時(shí)間埋地容易鼓泡，耐土壤腐蝕性不佳。

3)AlSi涂層表面形成了致密和光滑的Al，Si氧化物，有效地阻擋了土壤中的水和離子滲透到涂層中，從而顯著提高了涂層的耐土壤腐蝕性，而純Al，NiAl、不銹鋼涂層表面疏松多孔，因而耐腐蝕性較差。

〔1〕何金良，曾嶸.電力系統(tǒng)接地技術(shù) 〔M〕.北京:科學(xué)出版社，2007.

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Investigation of corrosion property of four kinds of coating in the transformer substation soil

XU Song，F(xiàn)ENG Bin，HE Tiexiang
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

Pure Al coating，AlSi alloy coating，NiAl alloy coating and 316L stainless steel coating were prepared on the Q235 steel by arc spraying technology.The corrosion of the four sprayed alloy coatings in the 220 kV transformer substation soil and soil solution was studied by buried specimens and electrochemical test in Hunan.The corrosion behaviors of the coating steel samples in transformer substation soil solution were investigated by line polarization，potentiodynamic polarization and electrochemical impedance spectroscopy(EIS)tests.The macrography and corrosion products were carried out scanning electron microscopy(SEM)and electron diffraction spectra(EDS).The results show that the best corrosion resistance of the four sprayed alloy coatings was AlSi coating，sequentially in the order of NiAl and stainless steel coating，and the Al coating was easy bouffant in a long time in the underground，so that the corrosion resistance is not good.

alloy coating；soil corrosion；electrochemical corrosion；arc spraying

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.04.009

TM621.8

B

1008-0198(2015)04-0036-05

徐松(1981)，男，湖北孝感人，工程師，博士，主要從事電力系統(tǒng)化學(xué)、腐蝕與防護(hù)技術(shù)等工作。

2015-06-16

國家電網(wǎng)公司總部科技項(xiàng)目 (KG12K16004)；國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院科技項(xiàng)目 (5116AA110005)