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ｄｏｉ:１０３９６９/ｊｉｓｓｎ１００８￣０１９８２０１５０４００９４种涂层钢在变电站土壤中的腐蚀行为研究徐松ꎬ冯兵ꎬ何铁祥(国网湖南省电力公司电力科学研究院ꎬ湖南长沙４１０００７)摘 要:采用高速电弧喷涂方法在Ｑ２３５钢表面上分别制备纯Ａｌ涂层、ＡｌＳｉ合金涂层、ＮｉＡｌ合金涂层、３１６Ｌ不锈钢涂层ꎬ通过对涂层钢在湖南某２２０ｋＶ变电站中进行埋样和土壤溶液中的电化学实验ꎬ研究涂层在变电站土壤及其溶液中的耐蚀性能ꎮ通过电化学线性极化、动电位极化、交流阻抗试验ꎬ研究涂层在变电站土壤过滤液中的电化学腐蚀行为ꎬ并利用扫描电子显微镜和Ｘ射线电子能谱对埋样的腐蚀产物进行观察和分析ꎬ结果表明:ＡｌＳｉ涂层具有最好的耐土壤腐蚀性ꎬ其次是镍铝涂层和不锈钢涂层ꎬ而纯铝涂层长时间埋地容易鼓泡ꎬ耐土壤腐蚀性不佳ꎮ关键词:合金涂层ꎻ土壤腐蚀ꎻ电化学腐蚀ꎻ高速电弧喷涂中图分类号:ＴＭ６２１８ 文献标志码:Ｂ文章编号:１００８￣０１９８(２０１５)０４￣００３６￣０５收稿日期:２０１５￣０６￣１６基金项目:国家电网公司总部科技项目(ＫＧ１２Ｋ１６００４)ꎻ国网湖南省电力公司电力科学研究院科技项目(５１１６ＡＡ１１０００５)ＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｃｏｒｒｏｓｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｆｏｕｒｋｉｎｄｓｏｆｃｏａｔｉｎｇｉｎｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｓｏｉｌＸＵＳｏｎｇꎬＦＥＮＧＢｉｎꎬＨＥＴｉｅｘｉａｎｇ(ＳｔａｔｅＧｒｉｄＨｕｎａｎＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＣｈａｎｇｓｈａ４１０００７ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＰｕｒｅＡｌｃｏａｔｉｎｇꎬＡｌＳｉａｌｌｏｙｃｏａｔｉｎｇꎬＮｉＡｌａｌｌｏｙｃｏａｔｉｎｇａｎｄ３１６ＬｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｃｏａｔｉｎｇｗｅｒｅｐｒｅｐａｒｅｄｏｎｔｈｅＱ２３５ｓｔｅｅｌｂｙａｒｃｓｐｒａｙｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ.Ｔｈｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎｏｆｔｈｅｆｏｕｒｓｐｒａｙｅｄａｌｌｏｙｃｏａｔｉｎｇｓｉｎｔｈｅ２２０ｋＶｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｓｏｉｌａｎｄｓｏｉｌｓｏｌｕｔｉｏｎｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｂｙｂｕｒｉｅｄｓｐｅｃｉｍｅｎｓａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｔｅｓｔｉｎＨｕｎａｎ.Ｔｈｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒｓｏｆｔｈｅｃｏａｔｉｎｇｓｔｅｅｌｓａｍｐｌｅｓｉｎｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｓｏｉｌｓｏｌｕｔｉｏｎｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｌｉｎｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎꎬｐｏｔｅｎｔｉｏｄｙｎａｍｉｃｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｉｍｐｅｄａｎｃｅｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ(ＥＩＳ)ｔｅｓｔｓ.Ｔｈｅｍａｃｒｏｇｒａｐｈｙａｎｄｃｏｒｒｏｓｉｏｎｐｒｏｄｕｃｔｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ(ＳＥＭ)ａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎｓｐｅｃｔｒａ(ＥＤＳ).ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｂｅｓｔｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｔｈｅｆｏｕｒｓｐｒａｙｅｄａｌｌｏｙｃｏａｔｉｎｇｓｗａｓＡｌＳｉｃｏａｔｉｎｇꎬｓｅｑｕｅｎｔｉａｌｌｙｉｎｔｈｅｏｒｄｅｒｏｆＮｉＡｌａｎｄｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｃｏａｔｉｎｇꎬａｎｄｔｈｅＡｌｃｏａｔｉｎｇｗａｓｅａｓｙｂｏｕｆｆａｎｔｉｎａｌｏｎｇｔｉｍｅｉｎｔｈｅｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄꎬｓｏｔｈａｔｔｈｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｉｓｎｏｔｇｏｏｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ａｌｌｏｙｃｏａｔｉｎｇꎻｓｏｉｌｃｏｒｒｏｓｉｏｎꎻｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｒｒｏｓｉｏｎꎻａｒｃｓｐｒａｙｉｎｇ 变电站接地网是保障电力设备安全稳定运行的重要设施ꎬ一般埋在变电站地面下６０~８０ｃｍ的土壤中ꎬ由于资源、经济等原因ꎬ国内接地网材料主要采用热浸镀锌碳钢ꎮ根据文献报道ꎬ国内电力接地网腐蚀比较严重ꎬ尤其是潮湿多雨的华南、华中地区ꎬ运行３—５年的镀锌钢出现严重腐蚀ꎬ造成多起设备损坏和停电事故〔１－２〕ꎮ因此ꎬ接地网防腐一直是电力系统一个重要研究课题ꎬ目前ꎬ国内外接地网常用的主要防护措施有:铜和铜包钢ꎻ阴极保护ꎻ降阻剂ꎻ导电涂料〔３〕ꎮ这些防护措施各有优缺点ꎬ如阴极保护施工简单ꎬ但是后续维护费用大ꎻ降阻剂施工难度大且防腐性能发挥依赖特定环境ꎻ铜和铜包钢在普通土壤中非常耐腐蚀ꎬ但是价格昂贵ꎬ不宜大范围使用ꎻ导电防腐涂料存在老化问题ꎬ涂料一旦破裂局部腐蚀非常严重ꎮ热喷涂已经广泛应用于金属的防腐ꎬ如热喷６３ 第３５卷第４期湖 南 电 力ＨＵＮＡＮＥＬＥＣＴＲＩＣＰＯＷＥＲ ２０１５年８月锌、锌铝合金ꎬ其耐大气腐蚀优良ꎬ主要用于公路、桥梁、户外构架等防腐〔４－７〕ꎬ但是ꎬ目前关于热喷涂合金涂层用于接地网防腐蚀的研究较少ꎬ理论上热喷涂合金涂层兼具防腐、导电性和热稳定性ꎬ是一种潜在的接地网防腐方法ꎬ具有良好的应用价值ꎮ文中使用高速电弧喷涂方法在Ｑ２３５钢表面上制备ＡｌꎬＮｉＡｌꎬＡｌＳｉꎬ３１６Ｌ不锈钢４种合金涂层ꎬ通过对涂层在变电站中进行埋样和土壤溶液中的电化学实验ꎬ研究了涂层在变电站土壤及其溶液中的耐蚀性能ꎬ供接地网的防腐工作参考ꎮ１ 实验本实验采ＤＨ８－ＴＡ－４００电弧喷涂设备ꎬ实验中合金丝直径Φ２ｍｍꎬ压缩空气流量１.８ｍ３/ｍｉｎꎮ以Ｑ２３５钢为基材ꎬ表面先用酒精清洗除油净化ꎬ再进行喷砂粗化ꎬ随后进行６个面的喷涂ꎬ相同时间下ꎬ制备出ＡｌꎬＡｌＳｉꎬＮｉＡｌꎬ３１６Ｌ不锈钢４种合金涂层ꎮ涂层的横截面如图１所示ꎬＡｌ涂层较厚ꎬ有大量空洞ꎬ最大厚度为７９１μｍꎬＡｌＳｉ涂层较致密ꎬ最大厚度为６５３μｍꎬＮｉＡｌ涂层较薄ꎬ最大厚度为２５７μｍꎬ３１６Ｌ不锈钢涂层较致密ꎬ最大厚度为３７８μｍꎮ涂层横截面观察结果如图１所示ꎮ(ａ)Ａｌ涂层(ｂ)ＡｌＳｉ涂层(ｃ)ＮｉＡｌ涂层(ｄ)３１６Ｌ不锈钢涂层图１ ４种涂层的横截面电化学测量通过Ｇａｒｍｙ６００电化学工作站在室温下进行ꎬ动电位极化和电化学阻抗测量采用三电极体系ꎬ辅助电极为铂电极ꎬ参比电极为饱和甘汞电极(ＳＣＥ)ꎬ测试溶液为湖南某２２０ｋＶ变电站土壤过滤液ꎬ水土比为３∶１ꎬ土壤溶液理化参数见表１ꎬ该变电站土壤偏酸性ꎬ氯离子和硫酸根离子含量高ꎬ腐蚀性较强ꎮ涂层试样的工作面积为１０ｍｍ×１０ｍｍꎬ为了对比ꎬ同时测试的还有Ｑ２３５钢和ＳＰＡ－Ｈ耐候钢ꎬ其成分见表２ꎮ动电位极化扫描速率为１ｍＶ/ｓꎬ电化学阻抗谱测量在开路电位上进行ꎬ频率范围为００１~１００ｋＨｚꎬ测量信号的幅值为１０ｍＶꎮ用自带软件对电化学阻抗数据进行解析拟合ꎮ涂层样品埋片选在湖南益阳毛家塘２２０ｋＶ变电站ꎬ埋片土壤深度６０ｃｍꎬ与变电站主接地网深度一致ꎬ为了对比ꎬ同时埋入Ｑ２３５钢ꎬ埋地样品尺寸均为５０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍꎮ样品埋地１８０天后取出ꎬ一部分样品按照文献〔８〕的方法清洗称重计算腐蚀速率ꎻ另一部分用Ｑｕａｎｔａ４００扫描电子显微镜进行样品表面腐蚀形貌和成分分析ꎮ表１ 湖南某２２０ｋＶ变电站土壤溶液理化参数(水∶土＝３∶１)Ｎａ＋/ｍｇＬ－１ＮＨ＋４/ｍｇＬ－１Ｍｇ２＋/ｍｇＬ－１Ｃａ２＋/ｍｇＬ－１Ｃｌ－/ｍｇＬ－１１４１５７９０４９０１９４７９１０Ｆ－/ｍｇＬ－１ＮＯ－３/ｍｇＬ－１ＳＯ２－４/ｍｇＬ－１ｐＨ电导率/ｃｍｓ－１００３０６２６２３６０６１０９６表２ Ｑ２３５钢和ＳＰＡ－Ｈ耐候钢的成分％元素Ｑ２３５钢ＳＰＡ－Ｈ钢Ｃ０１８００９Ｓｉ≤０３０４５Ｍｎ０４５０４５Ｓ≤００５≤０００５Ｐ≤００４５００８５Ｃｕ—０２７Ｃｒ—０５Ｎｉ—００７Ｆｅ余量余量２ 结果与讨论２１ 电化学测试１)线性极化测量表３为线性极化阻抗拟合数据ꎮ极化区间为:表３ 线性极化阻抗拟合数据样品Ｑ２３５钢ＳＰＡ－Ｈ钢Ａｌ涂层ＡｌＳｉ涂层ＮｉＡｌ涂层不锈钢涂层Ｒｐ/ｋΩｃｍ２１５４１３５５１２２６２６６２１５８１０８８７３第３５卷第４期徐松等:４种涂层钢在变电站土壤中的腐蚀行为研究２０１５年８月－２０~２０ｍＶｏｃｐꎬ扫描速率为０５ｍＶ/ｓꎮ根据线性极化阻抗值ꎬＡｌＳｉ涂层的线性极化阻抗值最大ꎬ其耐蚀性最好ꎬ其次是ＮｉＡｌ和３１６不锈钢涂层ꎬ纯Ａｌ涂层耐蚀性最差ꎬ而Ｑ２３５钢与ＳＰＡ－Ｈ耐候钢的耐蚀性相差不大ꎮ２)动电位极化曲线测量图２为Ｑ２３５钢、ＳＰＡ－Ｈ耐候钢及涂层样品的动电位极化曲线测量结果ꎮ所有电极在测量溶液中的阳极过程均表现为活性溶解特征ꎬ无明显钝化电位区间ꎬ３１６不锈钢涂层的钝化趋势相对明显ꎬ腐蚀电位最高ꎮ与Ｑ２３５钢比较ꎬ不锈钢涂层的阳极电流密度最小ꎬ其次是ＮｉＡｌ涂层和ＡｌＳｉ涂层ꎬＳＰＡ－Ｈ耐候钢与Ｑ２３５钢相当ꎬ而纯Ａｌ涂层阳极电流密度最大ꎮ表４为Ｑ２３５钢、ＳＡＰ－Ｈ耐候钢及涂层样品的Ｉｃｏｒｒ和ＥｃｏｒｒꎮＩｃｏｒｒ通常与腐蚀速率有对应关系ꎮ比较之下ꎬＡｌＳｉ涂层的Ｉｃｏｒｒ最小ꎬ其次是ＮｉＡｌ和不锈钢涂层ꎬ耐候钢的Ｉｃｏｒｒ大于Ｑ２３５钢ꎬ纯Ａｌ涂层的Ｉｃｏｒｒ最大ꎮ极化曲线的测量结果基本与线性极化结果一致ꎮ说明ＡｌＳｉ涂层、ＮｉＡｌ涂层和不锈钢涂层具有较好的耐蚀性ꎬ而纯Ａｌ涂层耐蚀性差ꎬ耐候钢与Ｑ２３５钢的耐蚀性相当ꎮ图２ 极化曲线测量结果表４ Ｑ２３５钢、ＳＰＡ－Ｈ耐候钢及涂层样品的Ｉｃｏｒｒ和Ｅｃｏｒｒ样品Ｑ２３５钢ＳＰＡ－Ｈ钢纯Ａｌ涂层ＡｌＳｉ涂层ＮｉＡｌ涂层不锈钢涂层Ｅｃｏｒｒ/ｍＶ－４８７－４５９－８４８－３５３－５０５－２５４Ｉｃｏｒｒ/μＡｃｍ－２１１６１４５１５４０３９６１０９１４１３)交流阻抗测量图３为Ｑ２３５钢、ＳＰＡ－Ｈ耐候钢及涂层样品的电化学阻抗谱测量结果ꎮ图３(ａ)表明ꎬＡｌＳｉ涂层的低频容抗弧显著增大ꎬ其次是ＮｉＡｌ和不锈钢涂层ꎬ而纯Ａｌ的低频容抗弧明显小于Ｑ２３５钢ꎬ耐候钢基本与Ｑ２３５钢一致ꎮ图３(ｂ)给出了阻抗模值Ｚ与频率ｆ的关系ꎮｆ→０时Ｚ越大ꎬ说明电极的耐蚀性越好ꎮ显然ꎬ铝硅涂层的低频Ｚ明显大于其他涂层ꎬ耐蚀性最好ꎻ其次是镍铝涂层和不锈钢涂层的低频Ｚꎬ均明显高于Ｑ２３５钢ꎮ而纯铝涂层和耐候钢的低频Ｚ与Ｑ２３５钢相当ꎮ图３(ｃ)表明ꎬ各测试样品的阻抗谱均表现为一个时间常数ꎬ涂层样品的相角略微向低频方向移动ꎬ尤其是不锈钢涂层ꎮ(ａ)Ｎｙｑｕｉｓｔ图(ｂ)Ｂｏｄｅ图(ｃ)相角与频率的关系图图３ 电化学阻抗测试结果根据阻抗谱形状和经验选择等效电路ꎬ以图４中的等效电路图对阻抗谱进行拟合ꎬ其中Ｒｓｏｌ是溶液电阻ꎬＣｄｌ是双电层电容ꎬＲｔｒａｎｓ是转移电阻ꎬＱｆｉｌｍ和Ｒｆｉｌｍ分别是膜的电容和电阻ꎮ图３中的符号和８３第３５卷第４期湖 南 电 力２０１５年８月图４ 拟合的等效电路图曲线分别为测量和拟合结果ꎬ可见ꎬ拟合结果较好ꎮ表５为阻抗谱的拟合参数ꎮＡｌＳｉ涂层具有最高的膜电阻ꎬ其次是ＮｉＡｌ涂层和不锈钢涂层ꎬ为Ｑ２３５钢的４０倍以上ꎬ说明这３种涂层对基体的保护性较好ꎮ纯Ａｌ涂层和ＳＰＡ－Ｈ耐候钢的膜电阻稍高于Ｑ２３５钢ꎮ表５ 阻抗谱拟合参数样品Ｒｓｏｌ/Ωｃｍ２Ｃｄｌ/Ｆｃｍ－２Ｒｔｒａｎｓ/Ωｃｍ２Ｑｆｉｌｍ/Ｆｃｍ－２ｎＲｆｉｌｍ/Ωｃｍ２Ｑ２３５钢３６１０７３８×１０－１０４０１６００００２７４０６２７４４０２×１０３耐候钢８１０４８４２×１０－９１２２２００００３９５４０３９１１１１６×１０４Ａｌ涂层１５３６３３３５×１０－１０５８１４００００２２６８０１９５６１１７×１０４ＡｌＳｉ涂层２５９８５１３３×１０－１０４５７９３０１×１０－５０６０６６８５８×１０５ＮｉＡｌ涂层１１２９７×１０－１０６６５０４１７×１０－５０６７３１