不锈钢复合材料耐酸性土壤腐蚀接地装置的研究

不锈钢复合材料耐酸性土壤腐蚀接地装置的研究

0酸性土壤及合金材料的选择电力线路的塔塔桥接地安装的正常运行是电网安全运行的重要保障。输电线路杆塔是通过接地装置和土壤相连接,而土壤是一个复杂的腐蚀系统。土壤腐蚀影响因素有透气性、含水量、温度、电阻率、溶解离子的种类和数量、pH值、有机质以及微生物等。接地装置的好坏直接影响输电线路的防雷效果,若其腐蚀程度严重时甚至会造成接地网局部断裂,构成事故,威胁电网的安全运行。从20世纪50年代开始,我国就重视土壤腐蚀问题,但是研究工作主要集中在中、碱性土壤,对酸性土壤研究较少。目前,《国网公司十八项电网重大反事故措施》指出:“在中性或酸性土壤地区,接地装置选用热镀锌钢为宜;在强碱性土壤地区或者接地网土壤和地下水条件会引起钢质材料严重腐蚀的中性土壤地区,宜采用铜质、铜覆钢或者其他具有防腐性能材质的接地网”。而实际运行经验表明,热镀锌钢材易造成点蚀,点蚀速度比年平均腐蚀值高几倍,据统计,正常使用寿命为7~12a。镀铜钢材由于铜层较薄,也不能解决点蚀问题,并且一旦表面镀层在施工及运输过程中受到损伤,易加速腐蚀,最终造成镀铜钢断裂。采用镀铜钢(铜覆钢)、铜材在一定程度上可解决镀锌钢材腐蚀问题,但会带来一系列问题:(1)铜对中性、碱性介质有较好防腐性能,而对酸性介质防腐性较差。在一般土壤中其使用寿命约30a,而在酸性土壤中<5a。(2)对邻近钢材存在阳极腐蚀问题。(3)我国水资源和土壤中铜含量都有严格限制,盲目大量使用镀铜钢(铜覆钢)、铜材将会对水、土壤造成严重污染。(4)镀铜钢(铜覆钢)、铜材接地装置的使用不符合中国的国情。在实际运行中常常存在着塔材的偷盗现象。纯不锈钢材由于其使用性能和加工性能的局限以及价格因素的限制,导致其较少被用作接地材料。防腐涂层的涂覆材料本身及老化产物以及现场涂覆的施工缺陷,可能给设备安全运行带来不利的影响。合金材料价格昂贵,其电气和机械性能还需进一步研究。为此本文提出了不锈钢复合材料防腐蚀技术,开发适用于酸性土壤的耐腐蚀接地装置,以保证电网安全运行。1设备和测试配置1.1不锈钢复合材料的加工工艺不锈钢复合材料是由优质超低碳素钢和特制专用不锈钢管2部分组成,专用不锈钢管主要由以下组分组成:C质量分数≤0.05%,Si(质量分数≤1.00%),Mn(质量分数≤2.00%),P(质量分数≤0.035%),S(质量分数≤0.03%),Ni(9%≤质量分数≤14%),Cr(16%≤质量分数≤18%),Mo(1.5%≤质量分数≤2.5%),以及其他微量元素和杂质。其耐酸性土壤腐蚀性能远远优于其他金属材料。该不锈钢复合材料是把处理后的优质超低碳素钢套入特制专用不锈钢管,再经过表面处理、拉伸、等特殊工艺制作而成。该不锈钢复合材料的加工工艺主要包括以下步骤:1)材料的选取:选取碳素钢和不锈钢;2)物理去皮:用物理的方法去除碳素钢表面氧化层;3)预切:切断碳素钢;4)扎头:用机械方法使碳素钢局部直径改变;5)轧制拉伸:使整根碳素钢改变直径的一种方法;6)检验过程1:按IS09000认证要求检验;9)精拉:使碳素钢直径达到加工要求;10)抛丸:清理碳素钢表面并增加粗糙度;12)套管:碳素钢套入不锈钢管内;13)轧尖:使不锈钢和碳素钢头部结合并改变直径;14)拉伸:使不锈钢和碳素钢整体紧密结合;17)切断:切断不锈钢复合材料;19)包装;除了以上所述加工工艺外,该不锈钢复合材料接地装置加工时,其接地体通过极尖密封,一字形连接头、T字形连接头等接头处均采取液压压接,连接板之间、连接管之间均采用气体保护焊焊接,使得连接处平整均匀、连接可靠、接触性能和密封性能好,可减缓腐蚀;并且加工工艺完全采用物理方法,杜绝采用化学工艺,对大气、水、土壤不会产生二次污染,符合国家资源节约、环境友好型的要求,有较好的应用前景。1.2接地体结构型式接地装置是由接地体、连接头、接地线连接板、极尖等部件组成,这里主要介绍极尖和T字形连接头的结构设计。1)极尖。极尖是用于水平接地体或垂直接地体端面的密封,其结构示意图见图1,尺寸及误差见表1,φ表示接地体的直径。2)T字形连接头。结构示意图见图2,加工后的尺寸及误差见表2。采用不锈钢复合材料制作接地体,采用专用不锈钢制作连接头、接地线连接板等连接件,将其组装成典型接地装置,2种典型结构型式如图3所示。其中,闭合环形接地装置主要适用于土壤电阻率≤100Ω·m的地区,闭合环形兼放射形适用于土壤电阻率为100~500Ω·m的地区,土壤电阻率>500Ω·m的地区可按设计要求决定敷设型式和长度。1.3不锈钢复合材料接地体腐蚀试验对不锈钢复合材料接地体进行了以下试验研究:1)电气和热稳定性能试验研究。根据相关技术标准,进行了不锈钢复合材料接地体的导电率和熔断温度的测量。2)机械性能试验研究。(1)包覆层可塑性试验:选取长度≥1000mm试品3件,从试品一端300mm处弯曲90°(弯曲半径不小于直径的3倍),再从试品另一端300mm处反向弯曲90°(弯曲半径不小于直径的3倍)。(2)包覆层与芯棒结合力试验:选取型号为φ10.60接地体3件作为试品,将试品在离头或尾部1000mm处截取,取试品长度为300mm。从试品一端75mm处去除包覆层,试品另一端75mm处掏空芯棒(包覆层与芯棒的结合面长度为150±1.5mm),置于拉力试验机上测试其拉力值。3)耐腐蚀性试验。重量法是定量评定腐蚀的最基本、最常用的方法,简单且直观。但在工程实际应用中,不锈钢复合材料接地体和其他金属可能形成化学电池效应而导致腐蚀,腐蚀的速率主要取决于:(1)两金属的电位差;(2)两金属位置接近的比率;(3)电解质的电阻率;(4)环路系统电阻;(5)两电极间导体、构架、管道的杂散电流。因此,除了重量法,还需采用电化学法(如:腐蚀电位法、电偶电流法和线性极化法等)进行耐腐蚀性试验研究,具体试验方法这里不作详述。2试验结果2.1可靠性和可靠性与常用接地材料相比,相应参数比较见表3。由表3可知,与常用接地材料相比,不锈钢复合材料接地体的电气性能和热稳定性能较好。2.2试品的表面改性1)包覆层可塑性试验。试验结果表明,3件试品的两端折角内外均无裂纹。2)包覆层与芯棒结合力试验。拉力试验值的平均值为17kN,满足拉力试验要求(≥15kN)。2.3耐腐蚀性2.3.1腐蚀电位的变化图4为3组平行试验中不锈钢、铜及2者偶合后腐蚀电位随时间的变化图。由图4可知:(1)随着埋藏时间的增加,3种情况下金属腐蚀电位都呈缓慢增加的趋势,这主要是由于金属表面腐蚀产物与试样周围土壤颗粒混合粘附于试样表面,形成一层具有一定保护作用的保护层,从而导致了金属试样腐蚀电位的升高;(2)铜的腐蚀电位要低于不锈钢的腐蚀电位。当2者偶合后,铜的腐蚀电位正移,而不锈钢的腐蚀电位负移。以上结果表明,在酸性土壤中,不锈钢和铜偶合后,铜成为阳极腐蚀加重,而不锈钢成为阴极腐蚀减弱。2.3.2藏期间偶合电流的稳定性验算3组平行试验中不锈钢和铜偶合后2者之间产生的电偶电流随时间变化见图5。由图5可知,当接地体埋在土壤下面时进行耐腐蚀性试验,在其埋藏开始阶段,偶合电流迅速达到最大值,之后随着埋藏时间的延长而逐渐降低并趋于平稳,最后电偶电流稳定在约1.1μA左右。结合图2可知,偶合前不锈钢和铜之间存在明显的电位差,当2者偶合后,在这种电位差的推动下,试样间会流过偶合电流,铜的腐蚀电位为负极性,被阳极极化成为偶合后的阳极,而不锈钢被阴极极化,成为偶合后的阴极,腐蚀性减弱。2.3.3埋地20d后不锈钢极化电阻不锈钢和铜极化电阻随时间变化如图6所示。由图6可知,铜和不锈钢的极化电阻随埋藏时间的延长基本呈先降低后增大再趋于平稳变化的趋势。在埋地20d以后,不锈钢的极化电阻大于铜的极化电阻。众所周知,金属的极化电阻与金属腐蚀速率呈负相关性,因此,铜的腐蚀速率要远大于不锈钢的腐蚀速率,埋藏70d以后,铜的腐蚀速率是不锈钢腐蚀速率的5倍以上。2.3.4腐蚀速率的变化不锈钢和铜在自然状态下和偶合状态下90d腐蚀失重数据见表4,如图7所示。由上述可知,在自然腐蚀状态下,铜的腐蚀速率大于不锈钢的腐蚀速率;与自然腐蚀状态相比,在电偶腐蚀状态下铜的腐蚀速率显著增大(偶合铜的腐蚀速率约为自然状态下的23倍),而不锈钢的腐蚀速率略微降低。此外,也对不锈钢复合材料接地体和铜材进行了中性、强碱性及盐渍土壤中腐蚀性试验研究。研究结果表明:在中性、强碱性和盐渍土壤中,铜的腐蚀速率亦远大于不锈钢的腐蚀速率。3接地电阻调查和分析江苏无锡地区土壤以弱酸性粉质粘土为主,接地体镀锌层在这种环境下只能运行3~5a。根据运行经验,运行8~10a后就会发生接地体接头腐蚀断裂,接地电阻增大,线路的雷击跳闸次数逐年增加。架空输电线路面广量大,每年对接地体接地电阻测量、开挖检查、修补及更换需要投入大量人力物力,但还是难以降低线路的雷击跳闸次数。以公司110kV胶安线为例,该线路从1997年投运,到2000年线路的雷击跳闸次数开始上升,经工区运行人员调查分析,发现线路杆塔的接地电阻接近10Ω、甚至>10Ω,大部分达到设计值的上限,有的甚至超过运行标准。2007年该运行单位引入本文研制的不锈钢复合材料接地装置技术进行接地改造,采用该材料加工成闭合环形接地装置,其尺寸为6m×8m,接地体直径为10.59mm,不锈钢外套厚度为0.6mm。经过技术论证,该不锈钢复合材料能适应在酸性土壤内敷设输电线路接地装置,其使用寿命可以与架空线路的设计寿命相同。在线路的全寿命周期内一次敷设长期使用,无接地体腐蚀、接地电阻增大的顾虑。实际应用表明,自2007年接地改造后,每年接地电阻测量值普遍<5Ω,远小于设计值,每年的雷击跳闸率降低了65%左右,保障了线路安全稳定运行。2012年对110kV胶安线接地装置开挖抽查,现场实测不锈钢复合材料接地体直径为10.58mm(如图8所示),则接地体腐蚀速率为0.002mm/a。4分析与讨论4.1腐蚀速率相同上述不锈钢复合材料接地体的耐腐蚀性试验研究和周期为6a的实际应用案例表明,其腐蚀速率约为0.002mm/a,若每a的腐蚀速率相同,则腐蚀掉1mm需要500a。考虑到腐蚀的速度是逐年变化的,可估计其寿命>60a,满足电网设备全寿命周期管理规定。4.2检费、安装费与热镀锌钢接地装置相比,不锈钢复合材料接地装置的参数和价格见表5,表中比例指单价与目前常用的热镀锌钢接地装置单价之比。以安装上述的1基110kV杆塔的闭合环形接地装置为例,进行全寿命周期成本的比较分析。其尺寸为6m×8m,则周长为28m,另加4根(每根2m)引出线分别安装在杆塔的对角主材上。敷设场所为普通农田,估算安装费包括:辅助材料费21.5元、土方开挖回垫费600元、接地体敷设费698.21元、接地电阻测试费153.04元、农作物损坏赔偿费300元,安装费合计为1772.75元。采用热镀锌钢接地装置需在线路设计寿命内平均改造3.5次,在线路寿命周期内该接地装置费用约为:(10.3×36+1772.75)×3.5元=7502.43元。若采用不锈钢复合材料接地装置,其使用寿命>60a,只需一次性投资,其费用为:30×36+1772.75元=2852.75元,可节约费用7502.43-2852.75元=4649.68元(该比较为静态计算,未计算多次接地装置改造人力成本和政策处理历年费用的上涨)。因此,不锈钢复合材料接地装置的全寿命周期成本较低,约为热镀锌钢接地装置全寿命周期成本的38.1%。5不锈钢复合材料接地装置在其它领域的应用效果1)本文研制了不锈钢复合材料耐腐蚀接地装置,其连接处平整均匀、连接可靠、接触性和密封性能好,可减缓腐蚀。2)基于电化学法和失重法腐蚀性试验研究表明:在强酸性土壤中,铜的腐蚀速率远大于不锈钢的腐蚀速率,当2