接地系統(tǒng)在電力網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，主要通過埋設(shè)在地下的接地極將電流導(dǎo)入大地，實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定與平衡[1-3]。由于接地極長期處于地下環(huán)境中，其受潮濕、溫度變化以及電化學(xué)反應(yīng)的影響，面臨嚴(yán)峻的腐蝕問題，導(dǎo)致接地極的斷裂和失效，從而危及人身安全并引發(fā)經(jīng)濟(jì)損失，這一問題已成為電力行業(yè)亟待解決的難題[4-6]。目前使用的接地材料包括銅、碳鋼或鍍鋅鋼等多種類型。盡管銅具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，但其價(jià)格昂貴且易造成土壤污染[1,7]；碳鋼具備較好的導(dǎo)電性，但其耐腐蝕性較差[1,8?9]；鍍鋅鋼雖然具備一定的陽極保護(hù)效果，但其鋅層耗盡后，基體鋼的腐蝕情況會加劇，也無法滿足長期使用的要求[10-12]。

因此，開發(fā)一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且具備良好耐腐蝕性能和優(yōu)異導(dǎo)電性的接地材料，對于保障電力系統(tǒng)接地極的安全性和持久性具有重要意義。

鎳鉻合金憑借其優(yōu)異的耐腐蝕性廣泛用于各行業(yè)。其表面形成的鈍化膜能夠有效減緩氧化過程，延長材料使用壽命[13-15]。鋁銅合金不僅具備與銅合金相當(dāng)?shù)母邔?dǎo)電性，同時(shí)比青銅類合金具有更高的強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能，其較低的電阻率，能夠高效地傳導(dǎo)電流，降低接地極的接地電阻[16]。通過將兩種合金復(fù)合使用，接地裝置有望同時(shí)實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電性與低腐蝕性的協(xié)同優(yōu)化，突破傳統(tǒng)接地極材料性能局限。

鎳鉻復(fù)合鋁銅合金是一種創(chuàng)新型接地網(wǎng)材料，采用特殊的覆層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，外層為鎳鉻合金，內(nèi)芯為鋁銅合金。這種結(jié)構(gòu)賦予其優(yōu)越的電氣性能、力學(xué)特性及耐腐蝕能力。該材料在耐土壤腐蝕、故障電流傳導(dǎo)等方面的表現(xiàn)均優(yōu)于傳統(tǒng)電力接地材料的要求，確保了長期使用中的可靠性與安全性。

目前，針對接地金屬材料在酸性土和鹽堿土中的腐蝕行為研究較少，本文利用室內(nèi)模擬加速實(shí)驗(yàn)和電化學(xué)測量技術(shù)，研究傳統(tǒng)銅覆鋼和新型鎳鉻復(fù)合鋁銅合金在酸性土和鹽堿土中腐蝕行為特征，采用SEM、EDS對表面腐蝕進(jìn)行表征分析，并對其腐蝕過程進(jìn)行討論，為接地材料的合理選材和防護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1、實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)材料為銅覆鋼和鎳鉻復(fù)合鋁銅合金，直徑均為16mm。銅覆鋼的表層含銅量大于99.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，后同)，還含有微量的Fe和S(均不超過0.005%)。鎳鉻復(fù)合鋁銅合金的體積電阻率小于4.3x10-⁸ΩO.m，其表層鎳鉻合金的成分如下:Fe≤70%，Si≤1%，P≤0.045%，Cr20%~22%，C≤0.07%，Ni8.5%~10.5%，S≤0.03%。

將兩種材料機(jī)械加工成高度10mm和50mm的圓柱狀試樣，前者在金屬芯上焊接一定長度的銅導(dǎo)線后用環(huán)氧樹脂將兩端圓面封裝起來，用于電化學(xué)測試，而后者直接用環(huán)氧樹脂將兩端圓面封裝，用于室內(nèi)模擬土壤腐蝕加速試驗(yàn)。環(huán)氧樹脂固化后用酒精清洗試樣，吹干后備用。

試驗(yàn)土壤為兩種實(shí)際土壤，酸土取自安徽池州城區(qū)，鹽堿土取自新疆尉犁大氣環(huán)境材料腐蝕國家野外科學(xué)觀測研究站。將5g土壤加入30mL去離子水中，參照NY/T1121-2006土壤檢測系列標(biāo)準(zhǔn)測得兩種土壤的離子組成如表1所示，主要檢測設(shè)備有離子色譜儀883 Basic IC Plus、臺式多參數(shù)測量儀S220-K、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀ICAP7400。

表1土壤的離子組成結(jié)果

Table 1 Ionic composition of soil samples

(單位:g/kg)

室內(nèi)模擬土壤腐蝕加速試驗(yàn)參照中關(guān)村材料試驗(yàn)技術(shù)聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)T/CSTM00046.4-2018《低合金結(jié)構(gòu)鋼腐蝕試驗(yàn)第4部分:模擬土壤環(huán)境腐蝕試驗(yàn)》進(jìn)行，土壤選用池州酸土和尉犁鹽堿土，土壤經(jīng)自然風(fēng)干，粉碎研磨后通過20目篩，將過篩后的土樣裝入潔凈的器皿在105℃下烘干6h，冷卻后稱重，加入蒸餾水配置配制得到含水量20%土壤介質(zhì)，進(jìn)行室內(nèi)土壤腐蝕試驗(yàn)，加速試驗(yàn)溫度70℃，試驗(yàn)時(shí)間30d。

試驗(yàn)結(jié)束后，將試樣取出并用毛刷清理浮土，用相機(jī)拍照，觀察宏觀腐蝕形貌。然后使用D8Advance型X射線衍射儀對腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行物相分析;使用日立GSM-6510A型掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀形貌觀察及元素成分分析。根據(jù)國標(biāo)GB/T16545-2015《金屬和合金的腐蝕腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除》進(jìn)行除銹，銅覆鋼采用由50g氨基磺酸加去離子水配成的1000mL溶液，在室溫下除銹，5min后取出試樣;鎳鉻復(fù)合鋁銅合金采用由100mL硝酸加去離子水配成的1000mL溶液，在60℃下除銹，20min后取出試樣。根據(jù)試樣試驗(yàn)前后的質(zhì)量差計(jì)算材料的腐蝕速率。

采用PARSTAT 2273型電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)測試，為保證試驗(yàn)可重復(fù)性，溶液為酸性土壤腐蝕模擬溶液(NaCl 0.048 g/L，CaCl₂ 0.017 g/L，KNO₃ 0.039 g/L，NaHCO₃ 0.015 g/L，Na₂SO₄ 0.027 g/L，MgCl26H2O0.017g/L，pH4.4~4.6)和鹽堿土壤腐蝕模擬溶液(NaCl3.17g/L，CaCl₂0.244g/L，KNO30.216 g/L，NaHCO₃ 0.146 g/L，Na₂SO₄ 2.53g/L，MgCl₂6H2O0.670 g/L，pH 9.2~9.4)。測試均采用三電極體系，工作電極為待測試樣，試樣暴露面積均為4cm2，輔助電極為石墨電極，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)。先將工作電極置于土壤浸出液中進(jìn)行2000s的開路電位測試。電化學(xué)阻抗譜測試在開路電位下進(jìn)行，頻率從100kHz至10mHz，交流信號幅值為10mV，測試數(shù)據(jù)采用ZSimpWin軟件進(jìn)行擬合。動(dòng)電位極化曲線測試的掃描速率為1mV/s，電位范圍(相對于開路電位)是-0.2~0.3V。

2、結(jié)果與討論

2.1表面形貌及成分

圖1給出了銅覆鋼、鎳鉻復(fù)合鋁銅合金在不同土壤加速腐蝕試驗(yàn)30天后除銹前后的宏觀形貌。銅覆鋼表面的銅在酸土中腐蝕后表面出現(xiàn)黑色腐蝕產(chǎn)物，除銹后腐蝕形貌可判斷為均勻的全面腐蝕。在鹽堿土中銅表面變?yōu)楹谏⒏接猩倭磕嗤?除銹后表面有少量腐蝕痕跡。鎳鉻復(fù)合鋁銅合金在酸土中表面無明顯變化;在鹽堿土中金屬表面失去光澤，表面平整，無泥土附著，除銹后表面無明顯腐蝕。

圖2和圖3分別給出了銅覆鋼、鎳鉻復(fù)合鋁銅合金在不同土壤加速腐蝕試驗(yàn)30天后的SEM、EDS結(jié)果。銅覆鋼表面銅在酸土中腐蝕后表面出現(xiàn)裂紋狀腐蝕產(chǎn)物，鹽堿土中存在塊狀的腐蝕產(chǎn)物，EDS結(jié)果表明表面含有Cu、Ca、Si、O等元素，Ca、Si可能來源于土壤介質(zhì)中。鎳鉻復(fù)合鋁銅合金在酸土中表面出現(xiàn)片狀，在鹽堿土中表面更加平整。鹽堿土的EDS結(jié)果中出現(xiàn)Mg，主要來源于土壤中。

2.2阻抗譜

圖4給出了銅覆鋼、鎳鉻復(fù)合鋁銅合金在不同土壤腐蝕模擬溶液中腐蝕前后的阻抗譜結(jié)果，Nyquist圖中圓中心在實(shí)軸以下，都具有典型的單一容抗弧特征，說明電化學(xué)過程控制整個(gè)反應(yīng)的速率。半圓與Z軸上的弦長對應(yīng)于電極的電荷轉(zhuǎn)移電阻R_ct ，值越大，說明耐蝕性能越好。兩圖中都可以看出銅的容抗弧半徑遠(yuǎn)小于鎳鉻復(fù)合鋁銅合金，表明鎳鉻復(fù)合鋁銅合金的極化電阻更大，鎳鉻復(fù)合鋁銅合金的鎳鉻外表面給內(nèi)部金屬提供了良好的保護(hù)，能夠有效抑制基體金屬腐蝕的萌生和發(fā)展，有著較強(qiáng)的耐蝕性。

對比不同溶液試驗(yàn)前后相位角均減小，鈍化膜穩(wěn)定性降低，鹽堿土模擬液中相位角小于30°，表明鎳鉻復(fù)合鋁銅合金受到嚴(yán)重的腐蝕作用，導(dǎo)致表面鈍化膜被破壞，變?yōu)殡姾赊D(zhuǎn)移過程主導(dǎo)。而銅在酸土模擬液相位角小于40°，鹽堿土模擬液相位角小于50°，受到電荷轉(zhuǎn)移過程主導(dǎo);對比不同溶液試驗(yàn)前后相位角均減小，表面銅表面的耐蝕性降低。銅高相位角的范圍比鎳鉻復(fù)合鋁銅合金窄，表明銅表面的腐蝕產(chǎn)物膜的穩(wěn)定性和保護(hù)性相對較差。

為了得到更為精確的電荷轉(zhuǎn)移電阻，采用R(QR)等效電路圖在ZSimpWin軟件對阻抗譜數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，圖5為電化學(xué)阻抗譜的等效電路，其中R_s為土壤模擬液電阻，R_ct為電荷轉(zhuǎn)移電阻，Q_r為界面電容(由于電極表面的彌散效應(yīng)，采用常相位角元件Q代替純電容C)。擬合結(jié)果列于表2。

表2電化學(xué)阻抗譜的擬合結(jié)果

Table 2 Fitting results of EIS plots

在相同土壤模擬液中，未試驗(yàn)的鎳鉻復(fù)合鋁銅合金的Rct遠(yuǎn)大于銅覆鋼，表明鎳鉻復(fù)合鋁銅合金表面

有更致密的鈍化膜，電荷轉(zhuǎn)移電阻更大，增強(qiáng)了鎳鉻復(fù)合鋁銅合金的耐腐蝕性。對比試驗(yàn)前后的Rct，銅覆鋼的R ct 在兩種模擬液中變小，酸性土模擬液中減小49%，鹽堿土模擬液中減小53%，表明銅表面被破壞，耐蝕性降低;鎳鉻復(fù)合鋁銅合金的R ct 在酸性土模擬液和鹽堿土模擬液中則分別減小83%和65%，表明其表面鈍化膜被破壞，耐蝕性降低。試驗(yàn)后鎳鉻復(fù)合鋁銅合金的Rct依然大于銅覆鋼，酸性土模擬液中是銅覆鋼電荷轉(zhuǎn)移電阻的2.9倍，鹽堿土中是銅覆鋼的2.3倍，表明鎳鉻復(fù)合鋁銅合金的耐蝕性更好。

2.3極化曲線

圖6給出了在兩種土壤腐蝕模擬溶液試驗(yàn)前后的極化曲線測試結(jié)果，在兩種模擬液中，銅的腐蝕電位均高于鎳鉻復(fù)合鋁銅合金的電位，自腐蝕電流密度均大于鎳鉻復(fù)合鋁銅合金的自腐蝕電流密度，表明銅在腐蝕過程中的腐蝕速率更快。各材料的極化曲線向右上方移動(dòng)，電位正移，說明陰極反應(yīng)過程被加速。鹽堿土土壤腐蝕模擬溶液中，氯離子較高，對鎳鉻合金的侵蝕破壞較強(qiáng)，導(dǎo)致極化曲線波動(dòng)較大。

對圖中數(shù)據(jù)進(jìn)行Tafel擬合，擬合結(jié)果見表3。從中可以看出，所有試樣試驗(yàn)后腐蝕電位正移，自腐蝕電流密度均增大，表明試驗(yàn)后材料的穩(wěn)定性降低，易發(fā)生腐蝕;同周期同溶液中鎳鉻復(fù)合鋁銅合金表面的自腐蝕電流密度小于銅覆鋼表面，表明鎳鉻復(fù)合鋁銅合金的耐蝕性更好。

表3極化曲線的Tafel擬合結(jié)果

Table 3Tafel fitting results of polarization curves

2.4討論

結(jié)合測試結(jié)果可知，銅覆鋼在腐蝕過程中銅的表面發(fā)生了均勻的全面腐蝕，形成了以銅化合物為主的紅銹和黑銹，銅作為陽極失去電子生成Cu²⁺，其腐蝕機(jī)理[17?18]如下:

在酸性土中腐蝕產(chǎn)物中含有少量紅色的Cu₂O，在鹽堿土中以黑色的 CuO為主。CuO的晶體結(jié)構(gòu)為單斜結(jié)構(gòu)，較松散，膜層較厚但易產(chǎn)生裂紋或孔隙，對銅的保護(hù)性較差[19?20]。在電化學(xué)過程中，表現(xiàn)為電荷轉(zhuǎn)移電阻較小，電流密度較大。

鎳鉻復(fù)合鋁銅合金中的 Cr含量較高，在表面形成一層Cr₂O₃ 鈍化膜，提高鎳鉻復(fù)合鋁銅合金局部腐蝕的耐蝕性，未試驗(yàn)時(shí)阻抗值較大，自腐蝕電流密度較低。

試驗(yàn)后，土壤中的侵蝕性離子如 Cl, Cl在表面形成吸附作用，破壞表面的鈍化膜，使基體暴露，發(fā)生鐵的腐蝕，初步反應(yīng)[15,21?23]如下:

生成的 Fe(OH)₂進(jìn)一步被氧化為 FeOOH和 Fe₃O₄ ， FeOOH本身不穩(wěn)定，會繼續(xù)被氧化脫水轉(zhuǎn)化為 Fe的兩種氧化物Fe₂O₃ 和Fe₃O₄ ，反應(yīng)[24]如下:

隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，鎳鉻復(fù)合鋁銅合金表面鈍化膜的完整性被破壞，電荷轉(zhuǎn)移電阻減小，電流密度增大，耐蝕性降低。

3、結(jié)論

1)銅覆鋼在土壤中腐蝕更嚴(yán)重，鎳鉻復(fù)合鋁銅合金表面未附著土壤，腐蝕輕微。

2)在相同環(huán)境下，對比銅覆鋼，鎳鉻復(fù)合鋁銅合金表面的腐蝕電位較負(fù)，腐蝕電流密度更低，電荷轉(zhuǎn)移電阻更大，耐蝕性更強(qiáng)。試驗(yàn)后鎳鉻復(fù)合鋁銅合金的電荷轉(zhuǎn)移電阻依然大于銅覆鋼，酸性土模擬液中是銅覆鋼電荷轉(zhuǎn)移電阻的2.9倍，鹽堿土銅覆鋼電荷轉(zhuǎn)移電阻的2.3倍，鎳鉻復(fù)合鋁銅合金的耐腐蝕性更好。

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（注，原文標(biāo)題：銅覆鋼和鎳鉻復(fù)合鋁銅合金接地極土壤腐蝕的對比研究_江煒楠）