接地网的腐蚀及防腐蚀措施-我来自南航（南昌航空工业学院2004届毕业论文）

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1.     前言1.1 接地网防腐的目的和意义
接地网是指由垂直和水平接地极组成的供发电厂、变电站使用的兼有泄流和均压作用的较大型的水平网状接地装置。它是维护变电站等电力系统安全可靠运行，保证运行人员和电气设备安全的重要设施。在我国，由于资源、经济等原因，接地网所用材质主要为普通碳钢。由于接地网埋设于地下难以直接监视，当接地网投运后，腐蚀问题就会暴露出来。接地网腐蚀通常呈现局部腐蚀形态，发生腐蚀后，接地网碳钢材料变脆、起层、松散，甚至会多处发生断裂，造成接地性能不良，这样流经接地装置的电流不能迅速流向大地，以至于电网高压窜入二次回路及操作系统，使监视设备发生误动或拒动而扩大事故，带来巨大的经济损失和不良的社会影响。
在我国，因接地网腐蚀或发生断裂而引起的电力系统的事故时有发生，每次事故都带来了巨大的经济损失。例如表1[1]所示：
表1  接地网腐蚀引起的事故
事故影响原因1981年广东员村变电站员文线绿相刀闸雷击闪络接地
击穿电缆10多条，并损坏一些电器电度表等，#1主变的35KＶ线圈也在事故中损坏
接地网腐蚀严重，相间短路时被烧断
1986年广西合山电厂矿110KV开关站事故
部分二次电缆、端子排及二次设备和1台100MW发电机遭损坏
设备引线下在地表几十厘米处腐蚀严重，电缆沟敷设的电缆支架的水平线连线腐蚀严重，有的截面少了一半，有的甚至少了3/4

1991年浙江省一个110KV变电所发生了35KV开关站接地短路
造成全所停电13小时，一、二次设备重大损坏
接地装置存在问题
1994年1月1日四川华莹山火电厂事故
变压器、发电机严重烧毁，损失严重
变压器中性点接地不良

由此可见，接地网的故障已是电力系统安全运行的心腹大患，重视接地网的接地性能是保障电力系统安全运行必不可少的前提条件之一。由于接地网埋设于地下，对它的翻修改造是相当费劲和困难的，费用也是巨大的。因此解决接地网腐蚀，保证接地网性能的稳定性，延长接地网的使用寿命，是电力系统安全经济生产所迫切需要解决的课题。
1.2 接地网的腐蚀机理
由于土壤组成、结构和性质的不均匀性，碳钢接地网在土壤中的腐蚀主要表现为局部腐蚀。土壤腐蚀的根本原因是其中含有水分，所以腐蚀机理在本质上是电化学性质的[2]。埋在土壤中的接地网，其表面的不同部位因接触介质的理化性质的不同而形成了不同的电极电位。这种接地网金属构件上不同电位的差异就是引起接地网土壤腐蚀的根本原因。它通过土壤介质构成回路，形成腐蚀电池，电位较负的部位成为阳极区，进行金属的溶解反应，电位较正的部位是阴极区，进行还原反应，同时，由于接地网有均压和泄流作用，所以还会发生金属的电解腐蚀。
阳极过程是接地网碳钢材料溶解并释放电子。
Fe → Fe2+ + 2e
在强酸性土壤中，铁离子以水化离子的状态溶解于土壤水分中，在中性土壤或碱性土壤中，铁离子进一步生成氢氧化亚铁：
             Fe2+ + 2OH-  → Fe(OH)2
在阳极区有氧气存在时，氢氧化亚铁能被氧化成溶解度更小的氢氧化
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铁：
          4 Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → Fe(OH)3
Fe(OH)3不稳定，它将转变为更稳定的产物：
          Fe(OH)3 → FeOOH + H2O
          Fe(OH)3 → Fe2O3·3H2O → Fe2O3 + H2O
当土壤存在HCO3-、CO22-、S2-阴离子时，与阳极区附近的金属阳离子反应，生成不溶性的腐蚀产物：
          O2 + 2H2O + 4e → 4OH-
在含有硫酸还原细菌的土壤中，阴极过程还包括硫酸根的还原：
SO42- + 2H2O + 8e → H2S + 2OH-
因此，普通碳钢接地网在土壤中腐蚀产物主要为铁的氧化物、氢氧化物及铁离子与土壤中的阴离子作用生成的不溶性物质。
1.2.1宏电池腐蚀
宏电池是由于土壤性质的差异，特别是接地网不同部分上氧有效性的不同而导致的一种腐蚀形式。由于土壤透气性不同，使氧的渗透速度不同。这种土壤介质的不均匀性影响着金属各部分的电位，是促使建立氧浓差电池的主要因素。从全国土壤网站十多年的埋设试验表明，钢铁试件80%左右的腐蚀是由宏电池腐蚀引起的。

图1  接地网在结构不同的土壤中所形成的氧浓差电池
对于接地网来说，因各部分氧渗透率不同，粘土和砂土等结构的不同，埋设深度不同，引起氧浓差电池和盐分浓差电池。如果是因为氧的透气性不同而造成氧浓差电池，那么埋在密实、潮湿的土壤（贫氧区）中的碳钢电位较低就倾向于作为阳极而受腐蚀，而富氧区的金属构件电位较高成为阴极而减缓腐蚀。如果是因为不同土壤中盐的含量不同而造成的盐浓差电池，那么在盐浓度高的部位电极电位较低成为阳极而加速腐蚀。图1显示了在结构不同的土壤中所形成的氧浓差电池[2]。
1.2.2微电池腐蚀
微电池腐蚀是由于碳钢金属组成、结构、物理状态不均匀或不完整而产生的一种均匀腐蚀。由于大部分金属的表面状况不可能达到理想的均匀、单一，所以微电池腐蚀是一种普遍存在的腐蚀形式。在土壤性质均匀或金属构件尺寸较小的情况下，微电池腐蚀则被认为是主要的腐蚀形式。金属构件在密实和氧渗透率较小的粘土中腐蚀率低，而在疏松和透气性好的土壤中腐蚀率较高。土壤电阻率对微电池作用很小，由于反应只在微观状态下进行电池反应微弱，加上又是均匀腐蚀，在实践中一般不会造成严重的危害。由于土壤是一种复相体系，因此完全均一而全部由微电池作用引起腐蚀的情况只有在特殊条件下才出现，例如打入缺氧的未搅动土壤中的垂直接地极，或是整个接地网金属构件全部埋设在常年渍水的土壤中，在大多数情况下，接地网碳钢土壤腐蚀是宏电池和微电池共同作用的结果。
1.2.3杂散电流腐蚀
杂散电流是指在土壤介质中存在的一种大小、方向都不固定的电流。这种电流对材料的腐蚀称为杂散电流腐蚀，杂散电流有分为直流杂散电流和交流杂散电流两类。
直流杂散电流对金属的腐蚀机理同电解原理是一致的，即阳极为正极、阴极为负极进行电化学反应。电流从土壤进入金属构件的地方带有负电荷，这一区域为阴极区，容易析氢；由金属构件流出的部位带正电，该区域为阳
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极区，阳极将以铁离子溶入土壤而遭受腐蚀。杂散电流生成的集中腐蚀破坏是非常严重的。埋地金属直流杂散电流腐蚀损耗按法拉第定律计算，一安培的电流一年能腐蚀约9千克铁[2]。这个数值是按电化学当量的计算值，实际的损耗量还要看电流效率的大小。由此可见直流电流杂散电流造成的腐蚀是很严重的。交流杂散电流一般为工频杂散电流，它主要来源于交流电气化铁路，二线一地制输电线路，高压和超高压输电网等。在同样的电流密度下交流腐蚀量比直流的要小，但是交流电的集中腐蚀性强。
1.2.4微生物腐蚀
土壤中微生物对接地网碳钢材料的腐蚀是微生物的生命活动参与下所发生的腐蚀过程，微生物自身对碳钢并不直接具有侵蚀作用，而是其生命活动的结果参与腐蚀的间接过程。这种间接过程主要表现为新陈代谢产物的腐蚀作用（微生物能产生一些具有腐蚀性的代谢产物，如硫酸、有机酸和硫化物等，增强了环境的腐蚀性）；微生物的活动影响电极的动力学过程（如硫酸盐还原细菌的存在，能促进腐蚀的阴极去极化过程）；改变了金属周围环境的状况（如氧浓度、盐浓度及pH值等），形成局部腐蚀电池；破坏保护性覆盖层的稳定性。一般而言，微生物腐蚀多发生在地势较低的沼泽地带及有机质含量较高的土壤中。
1.3   接地网腐蚀影响因素
接地网金属材料的土壤腐蚀除了受碳钢材料本身的影响外，更多的是受土壤理化性质及其它一些外界因素的影响。土壤成分中含有的气体，细菌及酸度等化学因素和土壤颗粒的尺寸、透气性、含水量等物理因素都是重要的。特别是土壤的电阻率及去极化性质往往对腐蚀速率起决定性作用。土壤电阻率取决于含水量，而去极化性质则取决于透气性和微生物的作用，还有雨水、温度、空气流动和阳光等气候因素都能引起土壤性质的显着变化，进而直接影响到土壤中金属腐蚀速率，尤其是各种因素的相互作用使得金属的土壤腐蚀规律变得更复杂。
1.3. 1土壤含水量
影响接地网腐蚀的土壤水分受当地的气候条件如日照、降雨量的影响，也与土壤本身的物理结构（土壤孔隙度）有关。局部微电池腐蚀几乎不受土壤湿度的影响，土壤湿度对宏腐蚀电池影响较大。
表４土壤含水量与土壤腐蚀性的对应关系
腐蚀程度极低低中等高极高含水量（%）
＜5或＞953~7或＞407~10或30~4010~12或25~3012~25


1.3.2土壤pH值
当埋地金属腐蚀决定于微电池或距离不太长的宏腐蚀电池时，腐蚀主要为阴极过程控制，而绝大多数pH为6.5~9.0的中性土壤中阴极过程主要是氧的还原，与氢离子浓度无直接关系。因此，Schaschl and Marsh认为：土壤pH值在５～９范围内，pH不是影响腐蚀速率的因素。并且由于土壤具有缓冲性能，即使是pH为中性的土壤，有的腐蚀性仍较强，这与土壤总酸度（单位重量土壤中吸附氢离子的总量）有关[11]。
表５土壤pH值与腐蚀性的对应关系
腐蚀程度极低低中等高极高pH值＞8.57.0~8.55.5~7.04.5~5.5＜4.5

1.3.3土壤含盐量
土壤含盐量一方面对土壤腐蚀介质导电过程起作用，另一方面参与碳钢的电化学反应，主要表现在阴离子的促进作用，如Cl-离子破坏金属表面钝化膜，促进阳极过程。由于其特殊的热力学性质，它是腐蚀性极强的离子种类，特强腐蚀性土壤中氯离子含量大都在0.1%以上，或接近于0.1%；中等腐蚀性土壤氯离子含量的范围为0.01% ~ 0.001%；弱腐蚀性土壤中，氯离子
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的含量变动较大，它们只要受到含水量的影响。SO42-离子促进钢的腐蚀，当它的含量大于0.5%时，在阴极保护系统中，最小保护电位应为－0.95V。CO32-离子抑制钢的阳极过程。
1.3.4土壤电阻率
对于微腐蚀电池，土壤电阻率不影响腐蚀速率；对于宏腐蚀电池，特别是阴、阳极相距较远时，电阻率起主导作用。
表６不同国家土壤电阻率法评价土壤腐蚀性的标准[4]
腐蚀程度
土壤电阻率（Ω.m）中国美国苏联日本法国英国极弱
＞50
＞50
＞100
＞60
＞30
＞100
弱
—
—
—
45~60
—
50~100
中等
20~50
20~45
20~100
20~45
15~25
23~50
较高
—
10~20
10~20
—
—
—
高
＜20
7~10
5~10
＜20
5~15
9~23
极高
—
＜7.5
＜5
—
＜5
＜9


1.3.5气候条件
上述若干因素对土壤腐蚀性的影响都受到气候条件变化的影响，气候条件，包括大气温度、通风状况、降雨、蒸发等是通过影响土壤理化性质及微生物活动来影响土壤腐蚀性的，所以土壤腐蚀性并不是恒定的，而常常有周期性和季节性变化。
1.3.6杂散电流
对于电力系统接地装置，除了受土壤本身腐蚀外，还不同程度地受到杂散电流的影响，杂散电流对金属的影响本质上是电解腐蚀，因而杂散电流作用的时间、大小是影响腐蚀速率的决定性因素。它们对腐蚀性的影响判断标准可见表２和表３[4]．
表２直流杂散电流干扰程度判断指标
杂散电流程度小中大土壤电位梯度（mV/m）
＜0.50.5 ～5.0＞5.0

表３　埋地钢质管道交流电干扰判断指标
土壤类别严重性程度（级别）弱中强判断指标（Ｖ）碱性土壤＜1010～20＞20中性土壤＜88～15＞15酸性土壤＜66～10＞10


1.4 接地网的防腐措施
目前，在接地网的防腐措施大体有三种类型[7]：
（1）从材质本身着手解决腐蚀或延缓腐蚀速度。如采用加大截面积，更换材质或采用复合材料作接地体等均属于这一类型；
（2）采用物理保护的方法，如目前国外普遍采用的导电防腐涂料是一种较为实用的防腐新技术；
（3）根据电化学腐蚀的原理，采用电化学保护的方法，如比较典型的方法就是“牺牲阳极阴极保护法”；
（4）采用二种以上的联合保护的方法，达到双重或三重防腐的目的。下面就这几种防腐的措施分别作一介绍。
1.4.1提高接地网材质性能
如更换材质、加大截面积或采用复合材料作接地体等方式。
更换材质：即采用铜或其它耐腐蚀的金属作接地体。从理论上讲，多数的有色金属如铜、铝、铅、锌都具有较好的抗腐蚀能力，其中铜和铅在接地材料中用得较多，但是直接使用有色金属作接地体也有不足之处，其一价格昂贵，成本提高；其二钢性不够，施工困难。解决钢性不够的唯一方法又
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得增大截面积。据计算，接地体的直径增加30%，截面积可增大70%；直径增加50%，截面积可增加125%，也就是要多耗70%~125%有色金属，这无疑又使一次性的投入成本成倍地增加。有资料报道，美国等地大都采用铜作接地体，虽然使用寿命提高了1~2倍，但成本却增加了5~6倍，前苏联也有用不锈钢材料作接地体，但成本增加了3倍。总之采用有色金属作接地体的方法在我国由于不符合国情，也只能是想想而已，难以推广实施，它的应用受到了很大的限制[1]。
加大截面积：加大截面积是一种最直观的“水来土档”的做法，颇有“道高一尺，魔高一丈”的架势。近20年来，电力设计部门在无计可施的情况下，对接地体的截面积无可奈何地逐年给予增大。如输电线路的接地体由初期的Φ6mm的圆钢增加到Φ10mm及Φ12mm的圆钢，接地体钢材用量也比早期上升了4倍，至于变电所的接地网则由早期的12×4mm扁钢增大为60×6mm扁钢，有些地方甚至采用80×8mm扁钢，其钢材用量比早期增加了近10倍，加大截面的做法固然对防腐起到了一些缓蚀的作用，但对那些严重的腐蚀地区也无法从根本上得以解决。
采用复合材料：所谓复合材料，实际上就是在碳钢的表面复涂一层较厚的有色金属，以此来抗腐蚀，最常见的就是我们已经广泛使用的镀锌技术。采用复合材料的优点在于：（1）复合层的选择是由有关部门根据土壤和腐蚀介质的具体情况及具体工程对接地规范的要求决定的，生产部门根据设计规范由针对性地采用不同的有色金属材料及复合层厚度，故这样的复合材料的接地装置就有了较好的保护功能和接地有效性；（2）复合材料的碳钢基体有足够的钢性，保证了施工达到进行。这样从一次投入成本来看介于碳钢及直接采用有色金属二者之中。但考虑到变电站接地网存在着金属材料的电解腐蚀，在电解电流的作用下热镀层很快就电解腐蚀掉，其耐蚀性能与未加镀层的普通碳钢相比，提高极少，不能明显改善接地网的防蚀性能。
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1.4.2采用降阻剂、导电防腐涂料、导电水泥
使用降阻剂对于降低接地网方面可以有良好的效果，但是由于含有导电性强的盐份，往往会增加对接地网的腐蚀。浸水后的水泥的导电机理是离子导电，这种方法难以从根本上解决接地网的腐蚀，而且还会增大接地网的接地电阻。导电防腐涂料防腐技术由于对导电性能和理化性能要求高及施工现场必须对扁钢表面进行预处理，难以大规模在接地网推广应用，对于使用多年已部分腐蚀的接地网更是无法应用。一旦涂覆层有针孔、破损等缺陷，就会构成大阴极小阳极的腐蚀电池，使扁钢遭到严重的局部腐蚀，造成接地网的穿孔或开裂。
1.4.3牺牲阳极阴极保护法
牺牲阳极阴极保护法是一种电化学保护的方法。从电化学腐蚀的原理可知处在电解质溶液中的金属表面，由于宏观和微观原因会形成不同的电极电位区，从而构成短路的腐蚀原电池。在电极电位较负的部位称为腐蚀电池的演技，在电极电位较正的部位称为腐蚀电池的阴极。在阳极部位金属的阳离子进入溶液发生氧化反应，金属腐蚀；在阴极部位，由电解质溶液中能够吸收电子的物质（通常称为去极化剂）发生吸收电子的还原反应，将阳极部位传递过来的电子消耗掉，从而构成了腐蚀原电池的腐蚀电流。
进一步的研究发现，腐蚀电流的产生将导致金属表面原来的起始状态下的电极电位发生了偏移，即极化。也就是说，在腐蚀原电池中包括了二类导体，第一类导体——金属，是电子导电体；第二类导体——电介质，是离子导电体。这两种导体通过其接界面的电极反应（氧化反应与还原反应），构成了一个闭合的电流回路。很显然，在这一回路中电子的移动速度大于电极反应的速度。因此腐蚀电池的阳极和阴极表面的电荷分布状况，肯定会发生变化。这都会偏离原来起始状态下的平衡值，即极化是必然要产生的。极化的结果，使腐蚀原电池阳极的电位向正的方向偏移，而阴极的电位向负的方向偏移，从而使腐蚀原电池的起始电位差变小，腐蚀电流降低。这个现象说明了腐蚀电流（腐蚀原电池内电流）会产生极化，极化的结果会改变腐蚀状态，减弱腐蚀。如果人为地将外部电流注入到金属体上，使金属的表面电极电位偏移即极化，从而改变了金属表面的腐蚀状况。电化学保护就是采用极化这一原理来控制或延缓金属腐蚀的发生。
电化学保护可分为阴极保护和阳极保护两种方法。这里主要介绍阴极保护的方法。阴极保护是在金属表面通以足够的阴极电流，使金属表面阴性极化，成为电化学电池中电位均一的阴极，从而防止表面的腐蚀。其保护原理如图2、图3所示。
图2  腐蚀原电池示意图
图3  阴极保护示意图当对腐蚀电池再外加一电流时，可改变原电池的电极电位，如采用比铁的更加负的金属或合金作为阴极，就形成一大地电池。在阳极发生氧化反应，被“牺牲”掉，有阴极发生还原反应，而受到保护。在此过程中，电子由阳极向阴极转移，图中方向的I1电流成为改变腐蚀原电池的电极电位的保护电流，上图2为未加阳极保护之前金属本身的腐蚀原电池的示意图，图3为加阴极保护之后保护电池的电路及原来腐蚀电池的变化，所加的外电流I1方向是使被保护金属作为阴极。
I1可由电位较负的金属（锌、镁、铝及各自的合金）的溶解来提供，在保护过程中，这种电位较负的金属为阳极，逐渐溶解牺牲掉，这时所用的保护方法称为牺牲阳极保护法；I1也可由外加电源提供，这时则称为外加电源法。外加电源法需要长期不间断的电源，当电源断开时，原来在极化中处于较负电位的部位易于形成腐蚀电池，加速金属的腐蚀[12]。且外加电源法需要的外部电流对地下金属结构干扰较大。与外加电源相比，牺牲阳极法具有以下的优点：
（1）对临近金属构件无干扰或干扰度很小，保护电流分布均匀，利用率高，调试后可不需经常的管理，这对变电站来说特别适合。
（2）可以起到增大接地网的面积，减小接地电阻的作用。
（3）易于阳极床排流，可大大减轻杂散电流对接地网的腐蚀。
采用牺牲阳极的电化学保护方法既适用于新建接地网，也适用对旧接地网的改造，这是其它防腐措施难而完成的。与其它措施相比，牺牲阳极阴极保护对施工要求低、投资小、运行时间长、保护效果好、运行稳定。故本文就牺牲阳极阴极保护技术作为我省景德镇110kV西郊变电站接地网的主要防腐措施进行研究，通过对景德镇110kV西郊变电站土壤理化性质的分析确定土壤的腐蚀性，再选择合适的牺牲阳极材料及进行工程应用设计。
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2．土壤腐蚀性分析土壤的各种理化性质影响接地网的腐蚀类型、程度、速度，因此土壤的腐蚀性是进行防腐设计的主要依据。下面对它行实验分析，这个过程分两部分进行：实验室内测试和现场测试。
现场测试由合作单位完成，需测定的项目有：土壤电阻率（按SY/T0023—97标准测量）、土壤中金属的腐蚀电位、氧化还原电位。测定结果已汇集在表7。实验室内测定的项目[13]详见于2.1~2.3。
2.1土壤物理性质分析
土壤物理性质主要是含水量、容重、总孔隙、空气容量和质地，其中总孔隙、空气容量可由含水量、容重的测试结果计算而来。这些因素影响到氧的渗透和扩散，从而影响接地网表面宏观腐蚀电池。
2.1.1含水量的测定
仪器：铝盒，天平（感量0.01g），玻璃干燥器（内有干燥用的变色硅胶），烘箱。
测定方法：从试件埋藏深度约为铝盒容积五分之四左右土壤样品，放入已知重量的铝盒中，加盖称重后，盖缝用橡皮胶封好。带回实验室以后，除橡皮胶，用沾乙醇的脱脂棉花球擦去橡皮胶残迹，打开盖子，连盖置于烘箱中，在105~110℃温度下烘6小时，取出后加盖，放入干燥器内冷却20分钟后，在天平上稳重。再打开盖子烘3小时，冷却，称重，前后称重相差不超过0.05g即可。
结果计算：以烘干土为基数的水分百分数的计算公式为

式中  W —含水量（%）；g0 —铝盒重（g）；g1 —铝盒加湿土重（g）；g2 —铝盒加烘干样品重（g）。
2.1.2容重的测定
仪器：环刀（为两端开口的钢质圆筒，直径为5.04cm，高为5 cm，容积为100 cm3，两端带盖），天平（感量0. 1g），环刀托，小铁铲。
测定方法：在开挖现场，在采样深度用小铁铲铲出一个平面，将环刀用环刀托（或另一环刀的后部）垂直压入土中，每采样点应有2~3个重复，用铁铲挖去环刀周围的土壤，并擦净环刀外面的土壤，使用权环刀内的土壤体积与环刀容积相等，最后环刀两端用盖子盖紧，在天平上称重，最后计算结果。
结果计算：

式中  dV —土壤容重（g/cm3）；G0—环刀重（g）；G —环刀加湿土重（g）；V—环刀容积（cm3）；W—样品含水量（%）； 为每克湿土相当。
2.1.3土壤总孔隙度的测定
直接用土壤容重，通过经验公式计算土壤的总孔隙度P（%），其公式如下：

式中  P — 土壤总孔隙度（%）；d—土壤容重（g/cm3）。
2.1.4土壤空气容量的测定
可根据土壤总孔隙度、容重和含水量求得：

式中Pa—土壤空气容量（%）；P — 土壤总孔隙度（%）；W —含水量（%）；d—土壤容重（g/cm3）； —土壤容积含水量（%），相当于土壤含水孔隙度（%）。
于烘干土的克数。
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2.1.5土壤质地鉴别
方法：取土样5~10g，加适量的水搓揉，使破坏原结构，根据肉眼和手感来鉴别土壤质地。
判别标准：
质地搓揉情况砂土无论加多少水和多大压力，也不能搓成土球，而是呈分散状态
轻壤土可团成表面不平的小土球，搓成条状时易碎成块
中壤土可搓成条，弯曲时有裂纹折断
重壤土可搓成1.5~2mm的细土条，在弯曲成环时，弯曲处发生裂纹
轻粘土容易揉成细条，弯曲时没有裂统压扁时边缘没有裂纹
粘土可揉搓成任何形状弯曲处均无裂纹

2.2 土壤化学性质测定
土壤的化学成分主要是对金属腐蚀速度有相当明显的影响，因此土壤样品的化学分析，是接地网腐蚀研究中不可缺少的一个环节。它需测定的项目只要包括：可溶盐总量、氯离子含量、硫酸根离子含量、硫化物的存在。
2.2.1浸提法制备土壤浸出液
多个项目的测定，都需用到水土比为5:1的土壤浸出液，为了便于说明，对5:1水土比的土壤浸出液的制备过程作一简要介绍：。
主要仪器：磁力搅拌器、布氏漏斗、1000ml广口塑料瓶
操作步骤：称取风干土样（过1mm筛孔）100.0g，放入1000ml广口塑料瓶中，加入蒸馏水500ml，用橡皮塞塞紧瓶口，用磁力搅拌器搅拌3分钟，立即用漏斗过滤，开始滤出的约10ml滤液弃去。如滤液浑浊，则应重新过滤，直到获得清亮的浸出液。清液存于干净的玻璃瓶或塑料瓶中。
2.2.2可溶盐总量的测定
主要仪器：水浴锅、干燥器 、蒸发皿
试剂：15%H2O2
方法步骤：取一定量的清澈的土壤浸出液水浴蒸干后，在105～110度下烘4小时，放入干燥器中冷却30分钟，在分析天平上称重，再烘2小时，冷却称重，前后两次称重不超过1mg即可。在上面得的残渣中滴加15% H2O2，使残渣湿润，再水浴蒸干，反复处理到残渣变白为止，再按上面的方法烘干后称重。
2.2.3测定氯离子含量
试剂准备:
（1）5%K2CrO4指示剂:5g K2CrO4(分析纯)溶于少量水中,滴加1N AgNO3至有红色沉淀生成,摇匀后过滤,滤液稀释至100mm。（2）0.02mol/L AgNO3标准溶液：3.398g AgNO3（分析纯，经105度烘干半小时）溶于水中，移入1L容量瓶定容，贮于棕色瓶中。必要时可用NaCl标准溶液标定。
操作步骤：
吸取土壤浸出液25.00ml放入三角瓶中（或用滴定过CO32-和 HCO-3的溶液），加K2CrO4指示剂5滴,在不断搅动下,用 AgNO3标准溶液滴到出现的砖红色不再褪色为止，记录AgNO3溶液的用量（V）。
结果计算：
Cl-含量（mg/kg）=
式中V — AgNO3溶液的用量；c — AgNO3标准溶液浓度；35.5氯离子的摩尔质量.
2.2.4测定硫酸根离子含量
利用EDTA配位滴定法进行滴定[15]。
试剂：
（1）1:1 HCl 浓HCl（分析纯）与等体积水混合。（2）钡镁混合剂  2.44g BaCl2·2H2O 和2.04g MgCl2·6H2O（分析纯）溶于水，稀释至1L，此溶液中Ba2+和Mg2+的浓度各为0.01mol/L，每ml约可沉淀SO42-1mg。（3）pH10的氨缓冲溶液67.5g  NH4Cl（分析纯）溶于无CO2的水中，加入新开瓶的深氨水（分析纯，比重0.9，含NH3 25% ）570ml ，用水稀释至1L，贮于塑料瓶中，并注意防止吸吸收空气中的CO2。（4）K-B指示剂  0.5 g酸性铬蓝K和0.1 g萘酚绿B，与100g105℃烘过的NaCl一同研细磨匀，越细越好，贮于棕色瓶中。（5）铬黑T指示剂  0.5 g铬黑T与100g烘干的NaCl（分析纯）共研至极细，贮于棕色瓶中。（6）0.01mol/L EDTA标准溶液  准确称取经80℃烘过2小时左右的 3.720gEDTA二钠盐，在稍微加热的条件下溶解于无二氧化碳的蒸馏水中，冷却后定容到1L。
操作步骤：
（1）吸取土壤浸出液25.00ml于150ml锥形瓶中，加1:1 HCl 2滴，加热煮沸，趁热用移液管缓缓地准确加入过量25～100%的钡镁混合液（约5～10ml），并继续微热约5分钟，放置2小时或过夜后，加入氨缓液5ml摇匀，再加入K-B指示剂或铬黑T指示剂1小勺（约0.1g左右），摇匀后立即用EDTA标准液滴定至溶液由酒红色变成纯蓝色，终点前如颜色太浅，可稍添加一点指示剂，记录EDTA溶液的毫升数（V3）。
（2）空白标定取水25ml，加1:1 HCl 2滴，钡镁混合液5或10ml（用量与上述测定同），氨缓冲液5ml，K-B混合指示剂1小勺（约0.1g左右），摇匀后用EDTA标准液滴定至溶液由酒红色变为纯蓝色，记录EDTA溶液的用量（V4）。
（3）土壤浸出液中Ca2++ Mg2+含量的测定。吸取土壤浸出液25.00ml于150ml的锥形瓶中，加1:1 HCl2滴，加热煮沸，加pH10的氨缓冲溶液2ml，摇匀后加K-B指示剂或铬黑T指示剂1小勺（约0.1g左右），用EDTA标准溶液定至溶液由酒红色突变为纯蓝色即达终点，记录EDTA溶液的毫升数（V1）。
结果计算：
SO42-的含量（mg/kg）=
式中，V3— 待测液中原有Ca2+、Mg2+以及与SO42-作用后剩余钡镁剂所消耗的总EDTA溶液的毫升数；V4 — 钡镁剂（空白标定）所消耗的EDTA溶液的毫升数；V1 — 同体积待测液中原有Ca2+、Mg2+所消耗的EDTA毫升数；（V4 + V1 - V3）— 与SO42-等物质的量的Ba2+所消耗的EDTA溶液的毫升数；98 — SO42-的摩尔质量；W— 与吸取浸出液相当的土壤样品重（g）。
2.2.5硫化物的检测
仪器药品：醋酸铅试纸 、带软木塞的硬质试管（16×100ml）、 3mol/LHCl
方法步骤：取新鲜土壤1--2克放入试管底部，加2--3滴3mol/L HCl，在试管颈部放上醋酸铅试纸立即用软木塞松松塞住，观察数分钟，若有硫化物，则醋酸铅试纸上就有褐色至黑色斑团，量多甚至有黑色金属光泽。
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2.3 土壤电化学性能测定
2.3.1土壤pH值的测定
仪器设备：
电位pH计（pHB-4型，上海精科雷磁公司制造），复合电极（型号：E-201-C，制造商：上海精密科学仪器有限公司），烧杯若干。
实验介质：5:1水土比土壤浸出液
方法步骤：
（1）制备5:1水土比土壤浸出液
（2）电位pH计及复合电极进行校准。
（3）把复合电极插入土壤浸出液中，稳定2分钟后开始读数，并记录。
2.3.2土壤交换性酸总量的测定
仪器设备：漏斗、250ml锥形瓶、碱式滴定管、电炉等。
试剂准备：
1%酚酞指示剂。
1mol/L KCl溶液：74.55g KCl (化学纯)溶于水中，稀释至1L，此溶液的pH应为5.5 ~ 6.5，如不在此范围，要用稀HCl或KOH溶液调节。
3.5%NaF溶液：3.5gNaF（化学纯）溶于80ml左右无CO2水中，以酚酞作指示剂，用稀HCl或KOH调到微红色，其pH应为8.3。最后稀释至100ml。该溶液贮于塑料瓶中。
方法步骤：
称取风干土样（通过1mm孔筛）5.00g，放在铺好滤纸的漏斗内。用1mol/L KCl溶液少量多次淋洗土样，滤液承接在250ml容量瓶中，近刻度用1mol/L KCl溶液定容。
吸取滤液100ml于250ml锥形瓶中，煮沸5分钟，赶出CO2，以酚酞作指示剂，趁热用0.02mol/L NaOH标准溶液滴定至微红色，记下NaOH用量（V1）。
另取一份100ml滤液于250 ml锥形瓶中，煮沸5分钟，赶出CO2，趁热用过量3.5%NaF溶液约1ml，使与滤液中的交换性铝离子形成络合[AlF6]3-。冷却后以酚酞作指示剂，用0.02mol/L NaOH标准溶液滴定至微红色，记下NaOH用量（V2）。用同样方法做空白试验，分别记取NaOH用量（V0 和V0ˊ）
结果计算：
交换性酸总量（me/kg）=
式中：0.02mol/L — NaOH标准溶液的浓度；分取系数— 250/100 = 2.5；W —风干土样重量。
2.4 土壤理化性质测试结果与分析
　　将以上测试结果列表如下：
表７土壤理化性质测定结果
样点A样点B样点C物理性质
含水量（%）
17.1718.5928.90容重（g/cm3）
1.772.152.07总空隙度（%）
35.5523.0125.65空气容量（%）
4.2——质地
中壤土轻壤土轻壤土电化学性质
氧化还原电位（mV）
316302308土壤电阻率(Ω.m)
192154178地网自腐蚀电位（VCu/CuSO4）
-0.53-0.51-0.54pH值
6.296.156.01总酸度(me/kg)
1.051.751.50化学性质
含盐量(%)
0.030.030.03硫化物量
无无无氯离子含量(mg/kg)
53.2566.7445.44硫酸根离子含量(mg/kg)
18.3212.4824.00
下面就土壤参数的实验结果进行简要的分析。
由含水量与腐蚀性的关系可知，三个样点土壤的含水量都有利于腐蚀的进行。样点A和样点B的土壤含水量都在腐蚀性极高的范围（12~25%），样点C的土壤含水量对应于腐蚀性高的范围（25~30%）。
从其它的物理性质来看，与样点A土壤相比，后两样点土壤为轻壤土，空隙度虽不大，但含石块较多，土壤的性质不均较易引起宏电池的腐蚀。
由土壤化学性质测定的结果可知，三个样点土壤都呈微酸性，酸度较弱，pH值对应的腐蚀性为中性（在pH5.5~ pH7.0的范围）。含盐量、氯离子含量、硫酸根离子的含量都较低，就它们的含量来说对腐蚀性的影响较小，但由于它所起的作用为含水量所左右，在上所测定的含水量的范围内，它们也表现出较强的腐蚀性。
根据ANSI/AWWAC105/A21.15标准，对三个样点土壤采取项指标综合评价，它们的腐蚀性见于表8。
表8 三种土壤样品的腐蚀性评价结果
土壤样点A样点B样点C腐蚀性中等中等偏强中等
按照《埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范》（中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T0019—97），牺牲阳极材料的选择主要的参考标准是土壤的电阻率。依据SY/T0019-97的规定：在土壤电阻率较高（>15Ω·cm）的地区，宜采用镁合金作接地体的牺牲阳极，所以确定牺牲阳极材料选用镁合金。
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３．接地材料和阳极材料的测试这一节为电化学实验，分两部分：接地网材料部分和牺牲阳极材料部分。接地网部分通过测定接地网材料的阳极极化曲线和阴极极化曲线，然后对曲线进行拟合从而获得它们不同的土壤中的腐蚀电流密度，从而求得腐蚀速度。还可以获得它们在土壤浸出液中的开路电位，即自腐蚀电位，与现场测定值进行对照。
牺牲阳极材料部分，按照《埋地镁牺牲阳极试样试验室评价的试验方法》，测量其开路电位，从而获得驱动电压、有效电压，它们的关系如图4；再测量它的发生电流量、消耗率，观察表面的溶解情况，以作为工业应用实验计算阳极大小、所需数量和分布的依据。

图4  驱动电压（E1-E3）与有效电压（E2-E3）
       E1 —被保护体开路电位 E2 —被保护体保护电位
       E2 —牺牲阳极开路电位
实验采用三电极体系。参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极。其它仪器设备如表８。
表８电化学实验所用的仪器设备
仪器设备型号制造商多媒体微型计算机
天琴959
联想集团
电化学工作站
CH16660A
上海华辰仪器公司
电子天平
BS210S
北京赛多利斯仪器系统有限公司
磁力搅拌器


玻璃仪器若干
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——

3.1接地网材料的测试
3.1.1极化曲线的测定
工作电极为A3钢电极，在每次进行测定极化曲线前，它的预处理过程为：粗砂纸打磨 →细砂纸磨光→自来水擦洗→蒸馏水水清洗→用蘸有酒精的脱脂棉球擦洗→用蘸有丙酮的脱脂棉球擦洗→自然晾干
试验介质：5:1水土比的土壤浸出液。
方法步骤：
（1）工作电极的预处理。
（2）制备土壤浸出液，先称量100克土壤，然后溶于500ml蒸馏水中，在磁搅拌器中搅拌5分钟，然后用漏斗、滤纸过滤。
（3）把浸出液倒入洗净的电解池中，装进鲁金毛细管、盐桥和参比电极，连接电路。然后开始测开路电位，采样间隔为５秒，总的扫描时间为半小时。
（4）从开路电位开始进行极化，阳极极化时起扫电位比自腐蚀电位低100mV，扫描的速度为2 mV/S[5]。阴极极化时，起扫电位比自腐蚀电位正100mV，扫描的速度为同样2 mV/S。
3.1.2结果及分析
（1）实验结果
图5  A3钢在3%NaCl溶液中的腐蚀电位—时间曲线


图6  A3钢在样点A浸出液（5:1）中的腐蚀电位—时间曲线


图7  A3钢在样点B浸出液（5:1）中的腐蚀电位—时间曲线



图8  A3钢在样点C浸出液（5:1）中的腐蚀电位—时间曲线


图9  A3钢在样点A（1、8）、B（4）和C（6）浸出液（5:1）中的阴极极化曲线
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