不同接地材料偶联体系在5%NaCl溶液中的电偶腐蚀行为

2026-11-09 16:57:42 作者：腐蚀与防护来源：腐蚀与防护分享至：

接地系统是输配电网安全稳定运行的关键组成部分，接地装置由接地极和接地线构成，可为雷电冲击和故障电流提供放电通道，有效限制电位上升，保障电力设备安全及人员人身安全。接地极常年埋设于成分复杂、腐蚀性强的土壤环境中，易发生腐蚀劣化，直接影响接地装置的导电性能与服役寿命，显著提升电气事故风险。

传统接地材料多选用导电性与耐蚀性良好的铜、镀锌钢、不锈钢等，其中纯铜性能最优但成本较高。为此，铜覆钢、柔性石墨、热浸镀锡铜钢等新型接地材料逐步推广应用，兼具成本低廉、导电性优良、耐蚀性与力学性能优异等优势。

当两种电极电位差异较大的金属/材料直接接触或在导电介质中形成耦合体系时，会诱发电偶腐蚀，加速电位较负(阳极)材料的腐蚀进程，是电力系统接地网失效的重要诱因之一。Liu等研究了模拟土壤环境中石墨-镀锌钢塔架接地装置的宏观电偶腐蚀行为，证实石墨和镀锌钢的电位差显著，易诱发宏观电偶腐蚀，且镀锌钢腐蚀速率增大；Fan等针对酸性红壤模拟溶液中铜拉拔钢接地网开展电偶腐蚀研究，发现介质 pH 与材料金相组织对腐蚀行为具有显著调控作用。

现有研究多聚焦单一材料或特定偶联体系，对铜覆钢、石墨、非金属包覆钢等新型材料与传统镀锌钢、铜的多组电偶体系腐蚀规律缺乏系统对比。为此，笔者采用电化学测试、周期浸泡试验、腐蚀质量损失和微观形貌分析，系统研究5%(质量分数) NaCl溶液中铜覆钢、石墨、非金属包覆钢分别与镀锌钢、铜构成的五组电偶对的腐蚀行为，明确不同偶联体系的腐蚀敏感性与劣化机制，以期为接地工程材料选型及腐蚀防护提供科学依据。

1 试验

1. 1 试样

试验所用材料包括铜、铜覆钢、镀锌钢、石墨、 Q235钢、石墨烯(GE) 、多壁碳纳米管(CNTs) 、水性聚氨酯(WPU) 、氯化钠(分析纯) ,具体材料规格及厂家信息见表1。

表1 试验材料

非金属包覆钢为自制1%CNTs/GE/WPU包覆钢，制备方法如下：

(1) 涂层分散液制备：将 GE与专用分散剂加入WPU乳液，温控磁力搅拌15~ 20min(转速500~800r·min^-1)，待GE分散均匀后，再将CNTs与对应分散剂添加到WPU乳液,继续搅拌20~30min (转速800~1000r·min^-1)；待 GE和CNTs分散均匀后，使用超声设备对混合涂料超声20~30min，制得CNTs、GE质量分数均为1%的均匀分散液。

(2) 基体预处理：采用180号~1500号砂纸打磨尺寸为10mm×10 mm的Q235钢片后，使用丙酮超声清洗15min脱脂除油。

(3) 涂层制备：用普通毛刷将制备的分散液涂刷至 Q235钢表面，通过称量法控制涂层厚度；在室温下干燥12h后，在70℃烘箱中固化3小时得复合涂层试样。

铜、铜覆钢、镀锌钢、石墨试样均采用电火花线切割机加工为10mm×10 mm 尺寸，试验前经丙酮超声清洗15min，去除表面油污与杂质。

1.2 试验条件与测试方法

腐蚀介质为5%NaCl溶液，试验温度为 20~ 25℃，模拟土壤中高含盐潮湿环境。采用 Chi600c电化学工作站进行测试，测试采用三电极体系，铂电极为辅助电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，复合涂层试样为工作电极，扫描速率为1mV/s，扫描范围为±0.5V(相对于OCP)。开路电位与电偶腐蚀测试中，电位较高材料为辅助电极，电位较低材料为工作电极，SCE为参比电极。测试前，试样在5%NaCl溶液中预浸泡30min，待OCP稳定后开始测试，测试时间为30min，周期为20天每天数据取平均值) 。电化学测试分组及试样信息见表2。

表2 电化学测试分组及试样信息

周期浸泡试验：5组电偶对在5%NaCl溶液中连续浸泡20天，同步监测电偶电位与电偶电流变化；待浸泡结束后，去除表面腐蚀产物，称量计算腐蚀速率。采用扫描电子显微镜(SEM)观察腐蚀前后试样表面微观形貌，结合能谱(EDS)分析表面元素组成及腐蚀产物分布。

2 结果与讨论

2. 1 开路电位与动电位极化特征

由图1(a)可知，5种接地材料稳定开路电位从大到小排序为：石墨、铜、铜覆钢、非金属包覆钢、镀锌钢。电偶腐蚀驱动力取决于偶联材料间的电位差，电位差越大，腐蚀倾向越强、速率越高。图1(b)可知，自腐蚀电位排序与开路电位一致。电偶体系中，电位较负的材料为阳极，发生氧化溶解(腐蚀加速)；电位较正的材料为阴极，发生还原反应(受保护)。基于开路电位与自腐蚀电位差异，初步预判5组电偶对腐蚀严重程度从大到小依次为：石墨-镀锌钢、铜覆钢-镀锌钢、非金属包覆钢-镀锌钢、非金属包覆钢-铜、石墨-铜。

图1 5% NaCl溶液中不同接地材料的电化学特征曲线

2.2 电偶腐蚀电位与电流演化规律

2.2.1 X-镀锌钢(X=铜覆钢、石墨、非金属包覆钢)偶联体系

由图2(a)可知，3组电偶对的(电偶)电位演化趋势一致：腐蚀初期(0~ 6天位迅速正移， 6天后趋于稳定，稳定电位介于两种材料自腐蚀电位之间。由于铜覆钢、石墨、非金属包覆钢三者自腐蚀电位相近，且三组体系中镀锌钢均为阳极，因此初始电偶电位差异较小。由图2(b)可知，3组(电偶)电流密度整体呈波动正移趋势，稳定值约55μA/cm²。腐蚀初期电流密度较高，表明阳极(镀锌钢)腐蚀剧烈；随浸泡时间延长，镀锌钢表面逐渐形成腐蚀产物，阻碍介质渗透，电流密度趋于稳定，腐蚀速率减缓。

图2 X-镀锌钢电偶对在5%NaCl溶液中20天浸泡期的电偶电位和电偶电流密度

2.2.2 X-铜(X=石墨、非金属包覆钢)偶联体系

由图3(a)可知，两组电偶对初始电位相差较大，差值约0.3 V；石墨-铜体系中铜为阳极，非金属包覆钢-铜体系中铜为阴极；两组电偶对的电位均呈先降后升、最终稳定的趋势，其中石墨-铜体系电位波动幅度小，非金属包覆钢-铜体系电位波动幅度大，这是由于后者偶联电位差更大，腐蚀驱动力更强。由图3(b)可知，两组电偶电流密度稳定在54μA/cm²左右，波动较小，表明体系腐蚀进程趋于稳定。

图3 X-铜电偶对在5% NaCl溶液中20d浸泡期的电偶电位和电偶电流密度

2. 2. 3 电偶腐蚀敏感性评估

依据电偶电位差与行业标准：电位差<50 mV时，电偶腐蚀可忽略；≥50mV时，腐蚀不可忽略。5组电偶对电位差均≥50 mV(石墨-铜约50 mV，其余4组远大于50mV)，电偶腐蚀敏感性等级均为E级(强腐蚀)，结果见表3。综合对电偶电位及电偶电流密度分析，5组电偶对在5%NaCl溶液中均发生严重电偶腐蚀，直接接触使用存在显著腐蚀风险，需经防护处理后方可应用于接地工程。

表3 5% NaCl溶液中不同接地材料电偶对的腐蚀敏感性等级

2.3 腐蚀质量损失与宏观形貌分析

由表4可知：在X-镀锌钢体系，石墨-镀锌钢中镀锌钢腐蚀速率最高[3 339. 7g/(m² ·a)] ，铜覆钢-镀锌钢次之，非金属包覆钢-镀锌钢最低，与电位差排序一致，电位差越大，阳极腐蚀速率越高；在 X-铜体系，石墨-铜中铜为阳极，腐蚀速率为584.0 g/(m² ·a)；非金属包覆钢-铜中铜为阴极，腐蚀速率仅为219.0 g/(m² ·a)，阴极保护效果显著；非金属包覆钢作为阳极，腐蚀速率高达4197. 5 g/(m² ·a)，涂层稳定性不足。

表4 5% NaCl溶液中不同接地材料电偶对的腐蚀速率

图4为5%NaCl溶液中20天浸泡前后不同接地材料电偶对宏观形貌。X-镀锌钢体系：腐蚀后镀锌钢表面覆盖疏松棕红色锈层，表面凹凸不平；非金属包覆钢偶联的镀锌钢腐蚀程度轻微很多，与铜覆钢、石墨偶联的镀锌钢腐蚀程度相似；阴极侧铜覆钢表面暗沉、失去金属光泽，非金属包覆钢表面生成红褐色腐蚀产物。X-铜体系：非金属包覆钢-铜中铜表面仅轻微灰暗，无明显腐蚀特征；非金属包覆钢表面分布少量黑棕色腐蚀产物；石墨-铜中铜表面均匀附着绿色腐蚀薄层，石墨表面无明显变化。

图4 5% NaCl溶液中20天泡前后不同接地材料电偶对宏观形貌

2.4 微观形貌与腐蚀产物组成分析

图5为不同接地材料在5%NaCl溶液中浸泡20天的腐蚀微观形貌，表5为对应表面元素原子百分比。X-镀锌钢体系：铜覆钢偶联镀锌钢表面蚀坑密集，覆盖疏松团聚状腐蚀产物并呈放射针状，结合表5可知产物以Fe₂O₃为主、含少量Zn(OH)₂；石墨偶联镀锌钢表面蚀坑更多更大，产物主要为Fe₂O₃；非金属包覆钢偶联镀锌钢表面生成间隙明显的片状产物，由Zn(OH)₂和Fe₂O₃组成且前者占比更高。3组X-镀锌钢体系中Zn均为阳极，溶液pH>5.2 时Zn²⁺会主动向OH^-富集的区域移动并生成疏松Zn(OH)₂沉淀，介质渗入基体后进一步形成Fe₂O₃；电位差差异导致腐蚀速率不同，石墨-镀锌钢电位差最大、腐蚀最剧烈，Zn(OH)2基本脱落仅存Fe₂O₃，铜覆钢配对试样残留少量Zn(OH)₂，非金属包覆钢配对试样以Zn(OH)₂为主，印证铜覆钢-镀锌钢腐蚀更强，与图2结果一致。

图5 5% NaCl溶液中20d浸泡后不同接地材料表面SEM 形貌

X-铜体系：石墨-铜表面生成许多致密的颗粒状产物，结合表5与文献确定为Cu₂ (OH)₂CO₃与Cu₂(OH)₃Cl；非金属包覆钢-铜表面仅有条状蚀坑，产物为Cu₂O与CuO。铜在NaCl溶液中初期生成CuO、Cu₂O与 CuCl₂，后期逐步转化为Cu₂(OH)₃Cl和Cu₂(OH)₂CO₃。石墨-铜体系：铜为阳极加速腐蚀，非金属包覆钢-铜体系中铜作阴极受保护，电极极性差异致使产物截然不同，该结论与图3分析相符。