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1、第七章接地装置的腐蚀及防护 接地装置的腐蚀主要是属于自然环境下的腐 蚀；按腐蚀机理分主要属于化学腐蚀和电化 学腐蚀7.1 接地装置的腐蚀机理分析 一、化学腐蚀 化学腐蚀是指金属表面与非电解质直接发生纯化学 作用而引起的破坏。其反应过程的特点是金属表面 的原子与非电解质中的氧化剂直接发生氧化还原反 应，形成腐蚀产物。 腐蚀过程中电子的传递是在金属与氧化剂之间直接 进行的，因而没有电流产生。 纯化学腐蚀的情况不多。主要为金属在无水的有 机液体和气体中的腐蚀以及在干燥气体中的腐蚀， 对接地装置来说主要是接地线在空气中的腐蚀。二、电化学腐蚀 电化学腐蚀是指金属表面与离子导电的介质(电解质)发生电化学反
2、应而引 起的破坏。 任何以电化学机理进行的腐蚀反应至少包含有一个阳极反应和一个阴极反 应并以流过金属内部的电子流和介质中的离子流形成回路。 阳极反应是氢化过程，即金属离子从金属转移到介质中并放出电子； 阴极反应为还原过程，即介质中的氧化剂组分吸收来自阳极的电子过程。例如，碳钢在酸性溶液中腐蚀时，在阳极区铁被氧化为Fe离子，所放出 的电子由阳极(Fe)流至钢中的阴极()上被H离子吸收而还原成氢气，即由于在被腐蚀的金属表面存在着在空间或时间上分开的阳极区和阴极区，腐蚀反应过 程中电子的传递可通过金属从阳极区流向阴极区，其结果必有电流产生。 由上述电化学腐蚀机理可知，金属的电化学 腐蚀实质上是短路的
3、电偶电池作用的结果， 这种原电池称为腐蚀电池。 电化学腐蚀是最普遍、最常见的腐蚀。金属 在大气、海水、土壤和各种电解质溶液中的 腐蚀都属于此类。三、腐蚀电池的电极过程 1，阳极过程 腐蚀电池中负极性的金属为阳极 因此，阳极过程就是阳极金属发生电化学溶解或阳 极化的过程。即金属表面晶格中的金属阳离子，在极化水分子作用下进入溶 液，变成水化阳离子，而电子在阴、阳极间电位差的作用下移 向阴极将进一步促进上述阳极反应的进行。2阴极过程 腐蚀电池的阴极过程指电解质溶液中的氧化剂与金属阳极溶 解后释放出来，并转移到阴极区的电子相结合的反应过程。 溶液中能在阴极区吸收电子而发生还原反应的氧化物质在 腐蚀学上
4、称为阴极去极化剂，如果溶液中没有这些去极化剂 存在，即使金属表面上存在着众多的微电池，也不可能发生 电化学腐蚀。因此发生电化学腐蚀的基本条件是腐蚀电池 和去极化剂同时存在，或者说，阴极过程和阳极过程必须同 时进行。 此反应是负极的金属在酸性介质中腐蚀时常见的阴极去极化 反应。Zn、Al、Fe等金属的电极电位低于氢的电极电位，因 此这些金属在酸性介质中的腐蚀将伴随着氢气的析 出，叫做析氢腐蚀，腐蚀速度受阴极过程控制，且与析氢电 位的大小有关。阴极过程为氧的还原反应的腐蚀，叫氧还原腐蚀，也 叫吸氧腐蚀。这是最普遍的一种电化学腐蚀。大多数 金属在大气、土壤、海水和中性盐溶液中的腐蚀主要 靠氧的阴极还
5、原反应，其腐蚀速度通常受氧扩散控制 。在含氧的酸性介质中腐蚀时有可能同时发生卜述H 离子和o2的两种还原反应。 总之，要发生电化学腐蚀，不但需要有作为阳极发 生溶解的金属，而且必须有腐蚀剂作为阴极去极化 剂来维持阴极过程的不断进行。对于一个具体的腐 蚀体系来说，究竟哪种物质为阴极去极化剂，不但 要看介质中有哪些可发生阴极还原的物质而且还 要看它们在阴极的放电电位。还原反应的电位越高 ，越优先在阴极进行。 由于腐蚀过程中阳极区释放出的电子进入邻近的 阴极区，如果阴极还原反应不能及时把这些电子吸 收，则电子在阴极积累，使阴极区的电位偏离丁平 衡电位，向负方向变化，这就叫阴极极化。可见， 阴极过程受
6、到阻滞同样可妨碍金属的腐蚀。7.2接地装置的腐蚀环境 一、大气腐蚀 大气腐蚀指的是暴露在空气中金属的腐蚀它概括了范围很 宽广的一些条件 大气腐蚀基本上属于电化学性腐蚀范围， 它是一种液膜下的电化学腐蚀，和浸在电解质溶液内的腐蚀 有所不同。由于金属表面上存在着一层饱和了氧的电解液薄 膜，使大气腐蚀以优先的氧去极化过程进行腐蚀。 另一方面在薄层电解液下很容易造成阳极钝化的适当条件 固体腐蚀产物也常以层状沉积在金属表面，因而带来一定的 保护性。从腐蚀条件看，大气的主要成分是水和氧，而大气 中的水气是决定大气腐蚀速度和历程的主要因素。因此，根 据腐蚀金属表面的潮湿程度可把大气腐蚀分为“干的”、“潮的
7、”和“湿的”三种类型。二、土壤腐蚀 土壤腐蚀是一种电化学腐蚀，土壤中含水分、盐类和氧。 大多数土壤是中性的，也有些土壤是碱性的砂质粘土和盐碱 土，pH值在7595。也有的土壤是酸性腐殖土和沼泽 土，PH值在36。土壤中含有固体颗粒砂子、灰泥渣和植 物腐烂后的腐殖土。 土壤是无机和有机胶质混合颗粒的集合，是由土粒、水、空 气所组成，是一复杂的多相结构。土壤颗粒间形成大量毛细 管微孔或孔隙，孔隙中充满空气和水，常形成胶体体系，是 一种离子导体。 溶解有盐类和其他物质的土壤水，则是电解质溶液 土壤的导电性与土壤的干湿程度及含盐量有关。 土壤的性质和结构是不均匀的、多变的，土壤的固体部分对 埋设在土壤
8、中的接地体的金属表面来说，是固定不动的，而 土壤中的气、液则可作相对有限运动。 土壤的这些物理化学性质，尤其是电化学特性直接影响着土 壤的腐蚀过程的特点。土壤组成和性质的复杂多变性使不同 的土境腐蚀性相差很大1土壤腐蚀的电极过程及控制因素 土壤腐蚀与在电解液中腐蚀一样，是一种电化学腐蚀。大多数金属在 土壤中的腐蚀是属于氧的去极化腐蚀，只有在强酸性土壤中才发生氢 去极化腐蚀。 土壤腐蚀的条件极为复杂、使腐蚀过程的控制因素差别也较大，大致有 如下几种控制特征： 对于大多数土壤来说，当腐蚀决定于腐蚀微电池或距离不太长的宏观腐 蚀电池时，腐蚀主要为阴极过程控制。与全浸在静止电解液中中的情况 相似。 在
9、疏松、干燥的土壤中随着氧渗透率的增加腐蚀则转变为阳极控制* 此时腐蚀过程的控制特征近于潮的大气腐蚀。 对于由长距离宏观电池作用下的土壤腐蚀，如水平接地体经过透气性不 同的土壤形成氧浓度差腐蚀电池时，土壤的电阻成为主要的腐蚀控制因 素，或阴极一电阻混合控制。2土壤腐蚀的类型 (1）微电池和宏观电池引起的土壤腐蚀。 对于比较短小的金属构件来说，可以认为周围土壤 结构、水分、盐分、含氧量等是均匀的，这时发生 和金属组织不均匀性有关的微电池腐蚀。 对于长的金属构件，因对于长的金属构件，因 各部分氧渗透率、粘土和各部分氧渗透率、粘土和 砂土等结构及埋设深度不砂土等结构及埋设深度不 同引起氧浓差电池和盐同
10、引起氧浓差电池和盐 分浓差电池分浓差电池这类宏观电这类宏观电 池造成局部腐蚀池造成局部腐蚀。在阳极。在阳极 部位产生较深的腐蚀孔，部位产生较深的腐蚀孔， 使金属接地体遭受严重破使金属接地体遭受严重破 坏坏(2)杂散电流引起的土壤腐蚀 所谓杂散电流，是指由原定的正常电路漏失而流入他处的电 流。主要来源是应用直流大功率电气装置，直流电气列车、 有轨电车、电焊机、电解和电镀槽、电化学保护装置等。 地下埋没的金属构筑物、管道、接地体、电缆等都容易因这 种杂散电流引起腐蚀。一部分电流从路轨漏到地下，进人地下管道 某处，再从管道的另一处流出，回到路轨。 电流离开管线进入大地处成为腐蚀电池的阳 极区，该区金
11、属遭到腐蚀破坏。腐蚀破坏程 度与杂散电流的强度成正比，电流强度愈大 ，腐蚀就愈严重。工频杂散电流、主要来源于交流电气化铁道和高 压输电线路等；这种土壤杂散电流腐蚀破坏作用 较小如频率为50Hz的交流电，其作用约为直流 电的1(3)土壤中微生物引起的腐蚀。 在缺氧的土壤中，如密实、潮湿的粘土处， 金属腐蚀过程似乎难以进行，但这种土壤条 件却有利于一些微生物的生长。 这些细菌有可能引起土壤物理化学性质的不 均匀件，从而造成氧浓差电池腐蚀，细菌在 生命活动中产生硫化氢、二氧化碳和酸腐蚀 金属。3土壤腐蚀的影响因素及防止措施 影响土壤腐蚀的因素很多，有土壤的孔隙度(透气性)、含 水量、导电性、酸碱度、
12、含盐量和微生物等，这些因素相互 联系着n现分析几种主要的影响因素。 (1）孔隙度 孔隙度大有利于水分和氧的渗透。透气件好 的可加速腐蚀过程，但透气性太大可阻碍金属的阳极溶解 易生成具有保护能力的腐蚀产物层。 (2)含水量 土壤的水分可以多种方式存在，有些紧密粘附 在固体颗粒的周围，有些在微孔中流动或与土壤组分结合在 一起。当土壤中可溶性盐溶解在其中时，就组成了电解液。 水分的多少对土壤腐蚀影响很大，含水量很低时腐蚀速度不 大，随着含水量的增加，土壤中盐分的溶解量增大，因而加 快腐蚀速度。当可溶性盐全部溶解时，腐蚀速度可达最 大值。若水分过多时，因土壤胶粘膨胀堵塞了土壤的孔隙， 氧的扩散渗透受阻
13、腐蚀反而减小。 (3)含盐量。土壤中一般含有硫酸盐、硝酸盐 和氯化钠等无机盐类。通常土壤中含盐量约 为801500ppm，这些盐类大多是可溶性的 ，SO4 、NH3 、Cl等阴离子对腐蚀影响较 大。 Cl离子对土壤腐蚀有促进作用海边潮 汐区或接近盐场的土壤，腐蚀性更强。土壤 中含盐量大，土壤的导电率增高，腐蚀性也 增强。 富含钙、镁离子的石灰质土壤(非酸性土壤)中 ，因在金属表面形成难溶的氧化物或碳酸盐 保护层而使腐蚀减小。 (4)土壤的导电性 土壤的导电性受土质、含 水量及含盐量等影响、孔隙度大的土壤(如砂 土)，水分易渗透流失；而孔隙度小的土壤(如 粘土)，水分不易流失。含水量大，可溶性盐
14、 类溶解很多，导电性好，腐蚀性强。尤其是 对长距离宏观电池腐蚀来说，影响更为显著 。一般的低洼地和盐碱地因导电性好所以 有很强的腐蚀性。 (5)其他因素 土壤的酸度、温度、杂散电 流和微物生等因素对土壤腐蚀都有影响防止土壤腐蚀可采用的措施： (1)覆盖层保护，较广泛采用的是石油沥青和煤焦油沥青的 覆盖层，一般用填料加固等；这适应于管道的保护，对接地 体不宜采用，但可用于接地引下线的保护，对接地线刷沥青 漆进行保护，可防止接地线入地处出腐蚀电位差而引起的腐 蚀。 (2)耐蚀金属材料和金属镀层，采用某些合金钢和有色金 属，或采用锌镀层来防止土壤腐蚀。 (3)处理土壤，如用石灰处理酸性土壤，或在地下
15、构件周 围填充石灰石碎块，移入浸蚀性小的土壤，加强排水，以改 善土壤环境，降低腐蚀性。 (4)在接地体四周施加高效膨润土降阻防腐剂进行保护， 可有效地保护钢接地体免遭腐蚀 (5)阴极保护，在上述保护方法的同时，可附加阴极保护措 施，如适当加覆盖层和阴极保护的电能消耗。一般情况下当 把钢铁阴极的电位维持在o85v(相对于硫酸铜电极)可以 达到完全保护。在有硫酸盐还原菌存在时，电位要维持得更 负些，如o95V(相对硫酸铜电极)，以抑制细菌生长，阴 极保护也适用于保护地下铁皮电缆其保护电位约为一0 7V7.3防止接地体腐蚀的主要措施 一、接地装置的选址和施工 (1）接地装置的铺设地点要远离强腐蚀性的场所和 重污染 的场所，还要尽量避开透气性较强的风化石和沙石地带，因 为在这些场所不但降阻困难，而且还因为氧的渗透性强，而 容易造成接地体的腐蚀。如果避不开应想办法改良焙地体四 周的土壤，如换土或施加降阻防腐剂。 (2)接地体在选择其截面时不但要考虑其热稳定的要求， 还要将寿命考虑在整个寿命周期内，经过腐蚀后还能满足截 面的要求，其材质应选用耐腐蚀的材料，如采用镀锌钢材。 (3)接地体的深度要足够，因为把接地体埋设到一定的深 度不但使接地电阻得到改善而且下层土壤比上层土壤的含 氧量小，从而减小腐蚀速度 用细土回填并夯实是为了减少氧气的渗透而减缓接地休的腐 蚀，同
