电气工程接地用铜覆钢腐蚀性能研究马光韩钰聂京凯陈新李现兵（中国电力科学研究院电工与新材料研究所，北京１００１９２）摘要：铜覆钢复合材料以优异的耐腐蚀性能、较高的性价比成为交流电气工程理想的接地材料，但从国内的研究及应用状况来看，针对铜覆钢接地材料的相关研究相对较少．导致其应用未达到预期效果。针对铜覆钢材料的腐蚀寿命问题．本文对铜覆钢接地材料在典型土壤和中性盐雾条件下的耐腐蚀性进行了试验研究和分析评价。研究结果表明，铜覆钢材料在典型土壤中具有较高的酎腐蚀性，在保证铜层厚度条件下可满足设计要求，铜层厚度应根据当地土壤腐蚀数据进行设计；铜覆钢材料在碱性及中性腐蚀条件下易出现钝化层．其耐腐蚀性要大干同等级酸性土壤条件下，５００ｈ盐雾试验后腐蚀轻微．电阻事变化很低。关键词：电气工程；接地材料；铜覆钢；腐蚀性能。Ｏ前言随着电力系统的发展，电气接地工程的接地短路电流不断增大，对接地系统的安全可靠性提出了更高要求。接地装置腐蚀是造成接地系统发生事故的重要原冈，全国各地多次因接地装置腐蚀发生事故，逐渐暴露出接地装置严重腐蚀是目前我国接地系统最为突出的问趔卜３１。我国电气工程的接地系统多采用热镀锌钢，但镀锌钢在腐蚀较严重的碱性土壤地区和高腐蚀介质的中性土壤地区，已不能满足接地系统的安全使用要求。国外传统的做法是采用纯铜，但纯铜价格昂贵且属于战略性资源，若大面积采用铜材，即大幅增加建设成本又浪费了大量战略资源。铜覆钢材料是为了替代铜材在部分领域的应用而开发的一种复合材料卜引，兼具铜的高耐蚀性、高导电率以及铁的高强度、价格低等优点，综合性能高、成本较低，最重要的意义在于大幅度节约了战略性铜材。美国从二十世纪七十年代开始进行铜覆钢（Ｃｏｐｐｅ卜ｃｌａｄＳｔｅｅｌ）接地棒的开发、标准化与应用工作，标准体系健全并进行了大最的应用。目前，国内在变电站接地系统逐渐开始尝试使用铜覆钢材料，但由于铜覆钢材料生产工艺较多，铜层质量各不相同，而铜层的耐腐蚀性能直接关系接地装置的使用寿命。因此，有必要对各种工艺生产的铜覆钢材料进行耐腐蚀性研究，以考核各种工艺铜覆钢材料在典型土壤腐蚀条件下的铜层质量，以期为变电站接地用铜覆钢材料的质量标准的制定、设计及使用等提供参考。１试验材料及方法１．１试验材料试验用材料包括电镀铜覆钢、水平连铸铜覆钢、套管冷拉（以下简称冷拉）铜覆钢三种。盐雾腐蚀试验用材料为带接头的连铸及冷拉铜覆钢，连接方式采用放热焊接。１．２试验方法采用德国ＺａｈｎｅｒＩＭ６型电化学工作站进行电化学加速腐蚀试验，腐蚀介质为采集土壤与去离子水ｌ：ｌ配置后沉淀的泥浆，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为Ｐｔ电极，扫描速度０．５ｍＶ／ｓ。测试极化曲线后利用ｔａｆｅｌ外推法估算腐蚀电位、腐蚀电流，见图１，利用估算的腐蚀电流计算平均腐蚀速度，３个平行样品取平均值。试验土壤采用四种典型土壤，土壤来源分别为：江西鹰潭土壤埋置试验站、黑龙江大庆城区、天津塘沽海岸及北京良乡盐碱地。１３０＞Ｅ、乞２山Ｌｃ冯（ｉ，衅）图１极化曲线测试的腐蚀电位和腐蚀电流采用Ⅺ（ｘ进行盐雾腐蚀试验，参考ＧＢ／Ｔ１０１２５—１９９７，ＩＥＥＥ８３７．２００２进行中性盐雾试验，腐蚀介质为去离子配置的５％ＮａＣｌ，连续喷雾５００ｈ，试验结束后观察试样表面形貌，试验前后测试电阻率，进行电阻率对比。连铸铜覆钢进行现场埋置试验，现场埋置试验在南京土壤研究所鹰潭土壤埋置试验站进行，试验周期半年，以失重量计算材料的·Ｆ均腐蚀速度。．２试验与结果２．１土壤性质检测对四种典犁土壤进行土壤性质鉴定，见表ｌ。由表ｌ可见，四种典型上壤中，鹰潭土壤ｐＨ仅为４．８１，属于南方典型的酸性土壤；大庆土壤ｐＨ为８．２４，盐分及各种离子含量高，十壤电阻率仅为９．６Ｑ·ｍ，属于强腐蚀碱性土壤；塘沽＿｝二壤ｐＨ为８．２９，其盐分及各种离子含最极高，电阻率极低，仪为１．６Ｑ·ｍ，属于腐蚀性极强的土壤；北京良乡土壤ｐＨ为８．５６，同样为碱性土壤，但其盐分和各种能离子含量较低，电阻率较高，为９１．８Ｑ·ｍ，属于较弱腐蚀性碱性土壤。参考ＤＩＮ５０９２９—１９８５《金属腐蚀：在外部腐蚀条件下金属材料的腐蚀概率》，综合电阻率、ｐＨ值、酸碱度、中性盐、硫酸盐等冈索．对四种土壤的腐蚀性进行评价如表２。按德国ＤＩＮ标准评定，土壤等级分为Ｉａ极弱腐蚀、Ｉｂ弱腐蚀，ＩＩ级腐蚀和ＩＩＩ级强腐蚀四大类。项目选取的四种代表性土壤包含了ＩＩＩ级强腐蚀的海岸盐渍土壤（塘沽），１ＩＩ级强腐蚀的碱性苏打盐土（大庆），Ｉｌ级腐蚀的酸性红壤（鹰潭），Ｉｂ级弱腐蚀的碱性黄土（北京良乡）。另外，对于铜及铜合金而言，酸性土壤腐蚀性要大于同等级的中性及碱性土壤。表１四种典型土壤土壤性质检测结果＼参数Ｃｌ－ＮＯ，。ＳＯｄ’ＨＣ０３’盐分ＣａＫＭｇＮａ电阻率弋ｐＨｍｇ／ｌ（ｇｍｇ／Ｉ（ｇｍ‖ｋｇｍｇ瓜ｇ‖ｋｇｍｇ／ｌ（ｇｍｇ／ｌ（ｇｍｇ瓜ｇｍｇ／ｌ（ｇ值Ｑ·ｍ土壤＼＼鹰潭１３２２８．９２５．９３．３８Ｏ．０８５７．４４３．９５Ｏ．７７８３．８０４．８１３１９．５大庆４８２６７．Ｏ１５４１１１７３．２４５４３１３５．７１６ｌ３６７８．２４９．６塘沽１１６ｌ１４４１８８０２０６１６．５４４４６４８１２５７８１５８．２９１．６良乡４．１６２３．５１３．１１７１０．４２５７８．６３．２２１０．６５．９７８．５６９１．８１３１表２四种典型土壤腐蚀性评价鹰潭大庆塘沽良乡土壤性质酸性红壤碱性苏打盐土碱性滨海盐渍土碱性黄土ＤＩＮ标准综合冈素评价Ｉｌ级腐蚀ＩＩｌ级强腐蚀ＩＩＩ级强腐蚀Ｉｂ级弱腐蚀２．２土壤腐蚀性能试验对电镀、连铸及冷拉铜覆钢材料进行四种典型土壤的电化学加速腐蚀试验，试验结果见表４。由表４可以看出，铜覆钢材料在大部分土壤中具有较高的耐蚀性；另外，铜覆钢在碱性土壤中易出现钝化层，钝化层有助于缓解铜层的腐蚀，但在酸性土壤中不宜出现钝化层，这也说明了铜及铜合金在酸性土壤中的腐蚀程度要大于相同腐蚀等级条件下碱性土壤。从估算的平均腐蚀来看，铜覆钢材料在塘沽海岸这种极高腐蚀区域的腐蚀速度要远高于其他区域，因此，在极强腐蚀区域，应加大铜层厚度或直接使用铜材：在良乡等较弱、一般腐蚀的中性及酸性腐蚀介质条件下，相对较小的铜层厚度即可满足３０年设计寿命要求：在大庆等较强中性、碱性腐蚀介质下和鹰潭等一般腐蚀性酸性土壤中，在保证铜层厚度条件下应可满足３０年设计寿命要求。对比连铸铜覆钢材料电化学测试结果与鹰潭士壤埋置试验站现场埋置数据见表５，可以看出，电化学试验所得的平均腐蚀速度与现场埋置腐蚀速度相比应是偏高的。分析电化学试验平均腐蚀速度高于实际腐蚀速度的原因在于：一方面，电解作用、土壤含水量增加造成土壤腐蚀速度增大，另一方面，由于铜在大部分土壤中存在钝化现象，钝化层可以有效的保护铜层被继续腐蚀，因此，电化学测试估算的平均腐蚀速度较高。鉴于现场埋置试验的试验周期较长，可通过电化学试验估算铜覆钢材料铜层的使用年限，此方法估算的铜层厚度是偏于保守的，可为铜层厚度的选择、设计提供参考。表４电化学加速腐蚀试验结果样品类型电镀铜覆钢连铸铜覆钢土壤类型鹰潭大庆良乡塘沽鹰潭大庆良乡塘沽电化学测试的腐蚀速Ｏ．０１０Ｏ．０１６０．００６Ｏ．０４００．０２３Ｏ．０１４Ｏ．０１３０．０３９度Ｖ。。（ｍｍ／ａ）有无钝化无有有有无无有有估算的腐蚀速度与实略高高高同高高高高际腐蚀速度相比耐蚀性耐蚀性耐蚀性耐蚀性耐蚀性耐蚀性耐蚀性耐蚀性耐蚀性评价优秀好优秀一般好好好一般样品类型冷拉铜覆钢土壤类型鹰潭大庆良乡塘沽电化学测试的腐蚀速Ｏ．ＯｌＯ０．０１７Ｏ．００３Ｏ．０３７度Ｖ。（删〔Ｔｌ／ａ）无钝化无有有有．耐蚀性耐蚀性耐蚀性耐蚀性耐蚀性评价优秀好优秀一般１３２裘５《辅锦曩目自化学■ｔ＃＊与在穗ｉ±臻哩一试鞋％瑷场埋ｔ觳镕对Ｅ２３中性盐雾腐蚀试验为进一步考棱锅覆钢材抖的耐蚀性．参考ＧＢｌ０１２５．ＩＥＥＥ８３７．对对连铸和冷拉嗣疆钢（带放热焊接接头进行了中性盐算腐蚀试验．５００ｈ苴验后试样形虢见圈２。固２铜曩钢５００ｈ耸雾腐蚀试验后《ａ）水平毒铸铜疆钢：（ｂ）持拉铜疆锅图３铜覆钢５００ｈ腐蚀试验清除腐蚀产物前形貌（（ａ）连铸铜覆钢：（ｂ）冷拉铜覆钢）试验前后的试样形貌见图２，从图可以看出，冷拉及水平连铸铜覆钢经５００ｈ腐蚀试验后，在铜层表面出现局部区域的铜绿，这些铜绿为铜的钝化层可以起保护作用，防止铜层进一步腐蚀。表层的铜绿经砂纸轻轻打磨后即可去掉，铜覆钢材料耐盐雾腐蚀性能优异。盐雾试验后，对铜覆钢（带接头）进行电阻测量，见表６，其电阻经５００ｈ腐蚀后电阻变化仅为０．０５％．１．８％，５００ｈ盐雾腐蚀后电阻的变化极低，进一步说明铜覆钢的耐蚀性优异。表６＼试样５００ｈ腐蚀试验后铜覆钢材料电阻率变化冷拉铜覆钢水平连铸铜覆钢、＼电阻（衅）＼＼（不带接头部分，Ｌ＝１００ｍｍ，ｕＱ。ｃｍ）（带接头，Ｌ＿９０ｍｍ，ｍ·ｃＨｌ）试验前４ｌ－３４７．５４１．９５６．０５７．９５７．７５００ｈ盐雾腐蚀试验后４１．８４７．８４２．１５７．０５８．２５８．３试验后／试验前１．０１２１．００６１．００５Ｉ．０１８１．００５１．０１０３结论（１）铜覆钢材料具有较高的耐腐蚀性，是一种理想的资源节约型接地材料，可根据当地土壤腐蚀数据进行铜层厚度设计。（２）铜覆钢材料在碱性土壤中易出现钝化层，钝化层有助于缓解铜层的腐蚀；在酸性土壤中不宜出现钝化层，其腐蚀程度要大于相同腐蚀等级条件下碱性土壤。（３）对于铜覆钢接地材料而言，在极强腐蚀区域，应根据腐蚀数据加大铜层厚度或直接使用铜材；在较弱、一般腐蚀等级的中性及碱性腐蚀介质条件下，相对较小的铜层厚度既可满足３０年设计寿命要求；在较强中性、碱性腐蚀介质下和一般腐蚀性酸性土壤中，在保证铜层厚度条件下可满足３０年设计寿命要求。（４）经５００ｈ盐雾腐蚀试验，铜层表面出现钝化层，腐蚀轻微，电阻率变化很低，耐盐雾腐蚀性能优异。