銅鋁作為輸電線路中重要的金屬材料，在輸電線路實際運行過程中，由于雙金屬發(fā)生電偶腐蝕而引發(fā)的設備損壞、電網(wǎng)大面積停電等事故，且每年都有因發(fā)生電偶腐蝕而造成電力設備失去效用的事故。銅鋁作為輸電線路中必不可少的金屬材料，其安全使用性能對整個輸電線路網(wǎng)絡，以及電力設備的正常運轉(zhuǎn)起著必不可少的作用，在2020年據(jù)某電力公司針對近五年事故統(tǒng)計，因設備線夾斷裂而造成的事故16次，引發(fā)設備停電故障7次，除只有1次為鑄鋁線夾外，其余均因銅鋁過渡線夾斷裂而導致的事故發(fā)生，且其斷裂點基本在銅鋁結(jié)合部位。因此為加強變電站可靠運行程度，研究銅鋁過渡線夾斷裂問題具有現(xiàn)實意義。吳章勤等人發(fā)現(xiàn)引起線夾斷裂的原因，除了由于產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品施工工藝以外，還有比較重要的一個因素即由于銅鋁過渡線夾在實際運行過程中的引發(fā)的電化學腐蝕，因而研究電偶腐蝕的影響因素是十分必要的。

一、電偶腐蝕原理

電偶腐蝕也稱作雙金屬接觸腐蝕，即指兩種或兩種以上材質(zhì)的金屬由于電偶序的不同，在導電介質(zhì)或電聯(lián)通的情況下相互接觸而引發(fā)的電化學腐蝕，電化學腐蝕主要以氧化還原反應為驅(qū)動力，有陰陽極之區(qū)分，作為陽極的金屬因被氧化而加速溶解，作為陰極的金屬因被還原而得到保護。由于發(fā)生電聯(lián)通的金屬電偶序的不同，所以電極電位較高的金屬為陰極，發(fā)生陰極反應從而得到電子，使其腐蝕速度受到抑制，與此同時，電極電位較低的金屬作為陽極，發(fā)生陽極反應從而失去電子，使其腐蝕速度加快。電偶腐蝕的腐蝕速度一般以電偶電流的大小來表示，電偶電流Ig的表達式為：

式中Ec、Ea分別代表陰極開路電位和陽極開路電位，Ra、Rc分別代表陽極極化電阻和陰極極化電阻，Rm代表溶液電阻，Rs代表整個電路的電阻。電偶電流與陰陽極開路電位差成正比，與陰陽極極化電阻、溶液電阻以及電路電阻成反比，電偶電流越大代表電偶腐蝕越嚴重，即腐蝕現(xiàn)象越明顯。

二、電偶腐蝕影響因素

電偶腐蝕的影響因素眾多，經(jīng)過討論分析，主要來自以下三個方面。第一個方面是參與電偶腐蝕的材料自身性質(zhì)，第二方面是參與電偶腐蝕金屬材料的幾何因素，第三個方面包括參與電偶腐蝕環(huán)境因素的影響。電偶腐蝕速率的大小是多方面因素共同作用結(jié)果的體現(xiàn)，一種因素的改變都將增大或者減小電偶腐蝕的速率。因而本文從以上三個層面出發(fā)，總結(jié)影響電偶腐蝕的研究現(xiàn)狀。

2.1 參與電偶腐蝕的自身特性影響

2.1.1 電位

不同金屬在特定的濃度、時間、溫度、充氣、流速等條件下正在腐蝕的金屬所顯示的電位不同，即靜止電位不同。將不同靜止電位的金屬按著相對標準進行排序，就可以得到金屬腐蝕電偶序。電偶序可作為不同金屬能否發(fā)生電偶腐蝕的參考標準。其中腐蝕電位較正的金屬作為陰極被保護，表面主要會發(fā)生去極化的還原反應；電偶序較低的金屬作為陽極，表面發(fā)生的主要是金屬的陽極溶解反應。研究認為腐蝕電位差達到0.25 V及以上時，電偶腐蝕效應才會明顯，而且電偶電位差越大，電偶腐蝕傾向越明顯，表現(xiàn)為腐蝕速率快，腐蝕程度加深。需要注意的是：金屬的電位差只能判斷電偶腐蝕發(fā)生的可能性和腐蝕程度的可能性，并不能準確判斷電偶腐蝕是否發(fā)生以及判斷電偶腐蝕的腐蝕速度。肖葵等研究以鎂合金為陽極材料，碳鋼、不銹鋼、黃銅以及鋁合金為陰極材料，探究不同材料的金屬之間發(fā)生電偶腐蝕時的差異，結(jié)果證明電位差相對較大的碳鋼/鎂合金電偶對的電偶腐蝕最嚴重，電位差相對較小的鋁合金電偶對的電偶腐蝕最輕。

2.1.2 極化特性

電偶電位差能用于判斷電偶腐蝕可能發(fā)生的傾向以及電偶電流的方向，但是涉及判斷具體的電偶腐蝕的腐蝕程度還需要考慮金屬在腐蝕介質(zhì)中的極化能力。因為極化的作用是降低腐蝕電位差，從而降低腐蝕電流減小金屬腐蝕速率。例如鈦合金/鋁合金的電偶電位差大于碳鋼/鋁合金的電偶電位差，但是鈦合金/鋁合金的電偶電流卻小于碳鋼/鋁合金的電偶電流，原因是鈦合金在海水中將會生成致密的氧化膜，從而在鈦合金表面形成電阻極化，導致陰極效應不明顯，使得電偶電流減小。

2.2 參與電偶腐蝕金屬材料的幾何因素影響

2.2.1 陰陽比面積

與電偶材料自身特性相比，電偶材料的陰陽比面積也是影響電偶腐蝕的重要因素。根據(jù)眾多電偶腐蝕研究表明陰極面積/陽極面積的比值越大，電偶腐蝕現(xiàn)象越明顯。根據(jù)電荷守恒定律，電偶腐蝕的總陽極電流值等于總陰極電流值。因此陽極面積固定時，增大陰極面積，總的陰極電流將會增大，總的陽極電流也會因此增大，會使陽極電流密度增大。

Evans提出了著名的積氧面積原理也稱匯集原理：當陰極反應處于氧擴散控制時，電偶腐蝕速度與陰極面積成線性關系。Pryor通過實驗證明了這一原理。Mansfeld從理論上推導出下列表達式：

Ig電偶電流密度，A·cm-2

IL氧極限擴散電流密度，A·cm-2

Ac陰極金屬面積，cm2

Aa陽極金屬面積，cm2

由上式可知電偶電流密度值隨陰陽面積比的增大而增大，且成線性遞增關系。肖葵等研究結(jié)果也證實了這一點。理論上陽極面積遠大于陰極面積時，電偶電位約等于陽極金屬的腐蝕電位；陰極面積遠大于陽極面積時，電極電位約等于陰極金屬的腐蝕電位。杜敏等實驗發(fā)現(xiàn)碳鋼/鈦合金電偶對電偶腐蝕的陰陽面積比只有超過500時，電偶電流密度才會出現(xiàn)極值的情況。

2.2.2 偶對間距離

姚希蔡超等人發(fā)現(xiàn)不同金屬發(fā)生電偶腐蝕時，接觸部位的不同位置的會出現(xiàn)不同的電流密度進而反應不同金屬接觸距離也對電偶腐蝕具有重要影響。根據(jù)腐蝕電化學的原理，增大電偶對之間的距離就是增大了帶電離子的擴散距離，等于增大了溶液之間的電阻，增大了傳質(zhì)過程的阻力。一般情況下在確定的陰陽比面積下，電偶電流密度與電偶對之間的距離成反比。然而趙華萊研究發(fā)現(xiàn)Inconel 718/VM80SS電偶對和N08028/BG95SS電偶對的電偶電流密度和電偶對間距成反比。因此電偶對之間的距離的變動會影響電偶腐蝕電流的大小，最終結(jié)果表現(xiàn)為影響電偶腐蝕速度。

2.3 環(huán)境因素的影響

2.3.1 溫度

溫度是最為常見的環(huán)境影響因素，溫度對電偶腐蝕的影響較為復雜。從動力學角度考慮，提高溫度會增大活化過程的動力，從而加快電偶腐蝕速度，電偶電流密度增大，通常情況下高溫環(huán)境下的電偶腐蝕的將會加重。溫度升高時，其他環(huán)境因素也會受到影響，氧濃度隨著溫度的升高擴散速度增大，氧氣的溶解度降低，導致出現(xiàn)電偶腐蝕極大值的現(xiàn)象。溫度的升高也會改變生成的腐蝕產(chǎn)物和金屬氧化膜的組成，間接影響電偶腐蝕的速度。李淑英等實驗研究發(fā)現(xiàn)碳鋼/紫銅電偶對電偶腐蝕速度隨著溫度的升高而增大。

2.3.2 pH值

pH值對電偶腐蝕產(chǎn)生的影響，研究發(fā)現(xiàn)溶液pH值小于4時，pH值越小，腐蝕速度越大，當溶液pH值維持在4～9，腐蝕速度不受pH變化的影響，當溶液pH值維持在9～14，腐蝕速度大幅度降低。介質(zhì)變化可能會導致電極反應的變化，引起電位的改變，使得電偶對的極性發(fā)生變化。陳云翔等實驗發(fā)現(xiàn)銅/鋅電偶對隨著pH值的降低腐蝕速率增大，分析發(fā)現(xiàn)在不同pH時陰極發(fā)生的反應不同，當pH值為2.4時，銅/鋅電偶對陰極反應發(fā)生的是析氫過程，當pH值維持在6.0時，銅/鋅電偶對陰極反應發(fā)生的是溶解氧還原過程。劉俊超等實驗發(fā)現(xiàn)鎳基合金/碳鋼電偶對的電偶腐蝕速度隨pH值的增大而減小，pH值7.76時的腐蝕速度最大，pH值到達10.5后，腐蝕速度不變。

2.3.3 氧含量

氧氣在電偶腐蝕中作為最好的去極化劑，其含量的變化對電偶腐蝕的影響波動較大。然而氧氣的含量容易受到其他相關因素的影響，例如：在開放體系中，氧氣的含量比較高，在封閉體系中，氧氣的含量也會相應減少。一般情況下氧氣濃度增加有利于加快陰極的還原反應速率，從而加快整個電化學腐蝕體系。賈睿程實驗發(fā)現(xiàn)三種AA2024、AA6061和AA7075鋁合金的電流密度隨著溶解氧濃度的增加而增大。氧含量對電偶腐蝕的影響還需要結(jié)合相應電偶對金屬的特性進行分析，如在海水介質(zhì)中，對碳鋼等不易發(fā)生鈍化的金屬，氧含量的增加，可以通過去極化的作用增大金屬腐蝕速率，擔對鋁等易發(fā)生鈍化的金屬，氧氣含量的增加則有利于鈍化膜的形成，減輕金屬的腐蝕速度。

2.3.4 鹽濃度

電偶腐蝕所處于的電解質(zhì)溶液的濃度是形成電偶腐蝕三大因素之一，溶液中的濃度不同會使得電導率不同，電導率的不同將會導致溶液電阻的分壓不同。耦接電極表面的電流分布是不均勻的，距離接觸部位越近，溶液電阻的分壓作用越小，電流越大。史平安等實驗發(fā)現(xiàn)2A12/45和2A12/40CrNiMoA金屬電偶對隨著溶液濃度的增大，電偶電流密度增大，腐蝕速度變快。劉全兵等實驗發(fā)現(xiàn)5083鋁合金和30CrMnSiA碳鋼電偶對的電偶電流密度隨著NaCl濃度的增大而減小。楊飛實驗發(fā)現(xiàn)不銹鋼/碳鋼電偶對的電偶腐蝕速度隨氯離子的濃度上升而增大。

2.3.5 海水的流動狀態(tài)

海水流動過程中的攪拌作用通過減輕或消除濃差極化來加速電偶腐蝕，海水流動將會改變?nèi)芤旱某錃鉅顩r和金屬表面狀態(tài)，從而影響腐蝕速度，有時甚至會促使電偶極性發(fā)生轉(zhuǎn)變。如不銹鋼/銅電偶對在靜態(tài)的海水中不銹鋼作為陽極，銅作為陰極，但當海水為流動狀態(tài)時，電偶對的極性發(fā)生逆轉(zhuǎn)不銹鋼作為陰極，銅作為陽極。

2.3.6 腐蝕介質(zhì)成分

金屬在不同溶液中的電偶序是不同的，電偶序的改變將會導致電偶對陰陽極發(fā)生逆轉(zhuǎn)，電偶腐蝕速度明顯改變。如銅鐵電偶對在NaCl溶液中的鐵作為陽極，若腐蝕介質(zhì)中加入NH4+，電偶對發(fā)生逆轉(zhuǎn)，銅變?yōu)殛枠O，鐵為陰極。

三、電偶腐蝕控制方法措施

電偶腐蝕具有潛在的危險性，目前對于金屬材料電偶腐蝕的控制手段是根據(jù)特定情況下的產(chǎn)生電偶腐蝕的原因和影響因素，對其采用不同的表面處理技術進行防護。

根據(jù)電偶腐蝕的原理，電偶腐蝕的防護要從以下幾個角度出發(fā)，同時電偶腐蝕的控制也要考慮工件的具體的應用場景，因地制宜選擇控制手段。

3.1 正確選材

異種金屬進行連接時，優(yōu)先選擇電位差小的電偶對。其次針對已選擇電偶，設法將電偶對的陰陽比面積控制在一個合適的范圍，盡量減小陰極的電極面積增大陽極的電極面積，但是鑒于陰陽面積比過大會導致電流密度出現(xiàn)極值，所以建議避免“小陰極-大陽極”的情況的出現(xiàn)。

3.2 電絕緣保護

對于無法避免的大電位差的電偶腐蝕，選用電絕緣措施是控制電偶腐蝕的可靠方法之一。在異種金屬的接觸位置添加絕緣措施進行電絕緣處理消除電子通過的通路。具體做法為利用絕緣墊片將陰陽極分隔或使用緩蝕劑增大腐蝕介質(zhì)的電阻。

3.3 表面處理技術

采用合適的表面處理對金屬表面進行處理，表面處理技術分為在金屬表面進行涂鍍層處理和對表面金屬進行改性處理。原理為減小異種金屬的電位差或增大異種金屬的電阻值。蔡建敏等人分別對鋁合金進行鈦鋯轉(zhuǎn)化處理和碳鋼進行鍍鋅處理，電偶腐蝕電流大幅度降低。

3.4 密封處理

密封處理的原則是將連接處的金屬構(gòu)件，通過密封材料搭建一個封閉環(huán)境，從而實現(xiàn)與外部環(huán)境隔絕的狀態(tài)，最大程度的減輕因外部環(huán)境因素的介入導致的金屬構(gòu)件的電聯(lián)通，從而有效避免電偶腐蝕的發(fā)生。具體做法是將不適合進行表面處理的連接處結(jié)構(gòu)可以用密封處理的方式解決電偶腐蝕，使用密封塑料或塑料薄膜將連接處的金屬包裹起來，實現(xiàn)連接處金屬與外界環(huán)境的隔離以解決電偶腐蝕問題。

3.5 外加磁場

根據(jù)電偶腐蝕的原理，外加磁場可以減緩金屬電偶腐蝕的行為。一般使用外加磁場的目的是影響離子從陽極到陰極的傳導，改變離子運動狀態(tài)來控制電偶腐蝕的發(fā)生。外加磁場另一方面會使腐蝕介質(zhì)的電導率發(fā)生變化，影響電化學傳導速率，甚至外加磁場會改變金屬表面的生成材料。

四、結(jié)論

(1)電偶腐蝕的影響因素主要為電偶對的開路電位差，由于每個電偶對的電偶腐蝕影響都是不同的，需要通過實驗證明每個電偶對的電偶腐蝕影響因素。

(2)減輕電偶腐蝕最直接的措施就是從選材上避免容易發(fā)生電偶腐蝕的電偶對，同時避免“大陰極-小陽極”的情況出現(xiàn)。

(3)選定好合適的電偶對，通過增大電偶對電阻的原理進行電偶腐蝕的控制，包括電絕緣保護、金屬表面處理技術以及密封處理等，這些成熟的控制措施將大大減小電偶腐蝕的腐蝕速率。在實際應用時，可將多種電偶腐蝕的控制措施聯(lián)合使用，如對進行電絕緣處理的金屬電偶對同時進行金屬的表面處理。多項電偶腐蝕的防控措施并行使用，將最大限度減少電偶腐蝕發(fā)生帶來的破壞。

(4)外加磁場一方面可以影響帶電粒子在磁場的運動狀態(tài)而改變其速率和方向從而達到控制電偶腐蝕得發(fā)生，另一方面外加磁場同樣會影響腐蝕介質(zhì)的傳導速率或者改變金屬表面氧化還原反應得產(chǎn)物，進而影響電化學腐蝕反應發(fā)生的速率，達到控制金屬電偶腐蝕的目的。外加磁場對電化學腐蝕防控技術具有廣闊的研究前景，是電偶腐蝕控制技術的一個未來發(fā)展方向。

五、夢能科技

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