鍍鋅鋼在多種典型土壤環(huán)境中的腐蝕行為

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(1. 北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院，海淀 100083; 2. 河北工程大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，邯鄲 056038)

接地網(wǎng)是連接電力設(shè)備的關(guān)鍵部件，是保證變電站和電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要組成部分。由于接地網(wǎng)埋在地下，土壤中大量存在的礦物質(zhì)、水分氣體及微生物等復(fù)雜成分不可避免與其表面發(fā)生相互作用而引發(fā)金屬腐蝕，從而對電力系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。近年來，隨著電站容量的增加，接地網(wǎng)的腐蝕問題更加突出。接地裝置腐蝕會導(dǎo)致接地極的有效面積減小,不能達(dá)到排流效果,在遭受雷電或短路時(shí),會破壞電氣設(shè)備,并引發(fā)火災(zāi)，因接地網(wǎng)腐蝕斷裂導(dǎo)致電力系統(tǒng)不能正常運(yùn)行的例子屢見不鮮，給國家?guī)砹司薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)[1-4]。因此，了解接地目前，我國接地網(wǎng)材料多采用鍍鋅鋼，而國內(nèi)外關(guān)于鍍鋅鋼腐蝕的研究還明顯不足,關(guān)于鍍鋅鋼在土壤環(huán)境中腐蝕行為的研究更是屈指可數(shù)[4-5]。雖已有部分研究對比了鍍鋅鋼與其他材料的腐蝕速率，并提出了鍍鋅鋼發(fā)生電化學(xué)腐蝕的過程，但鍍鋅鋼在土壤環(huán)境中的腐蝕機(jī)理尚未完全明了。

現(xiàn)場試驗(yàn)是研究材料土壤腐蝕最可靠的方法[6-8]，能夠獲得最原始的資料，為掌握鍍鋅鋼在典型土壤環(huán)境中的腐蝕行為及其變化規(guī)律，在鷹潭(酸性)、北京(近中性)和庫爾勒(堿性)地區(qū)對鍍鋅鋼進(jìn)行了現(xiàn)場埋片試驗(yàn)。

本工作通過現(xiàn)場試驗(yàn)，研究了鍍鋅鋼接地網(wǎng)材料在三種典型土壤環(huán)境中的腐蝕行為，并探討了土壤類型對鍍鋅鋼接地網(wǎng)材料腐蝕行為的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為熱鍍鋅Q235鋼，鍍鋅層厚度為80～120 μm?，F(xiàn)場埋片的尺寸為100 mm×75 mm×3 mm。試樣表面經(jīng)酒精擦洗，冷風(fēng)吹干，稱量。埋片的邊緣用704膠進(jìn)行涂封，涂封處干燥后測量試樣的裸露面積。

現(xiàn)場試驗(yàn)地點(diǎn)分別為江西鷹潭、北京陽坊和新疆庫爾勒地區(qū)，現(xiàn)場試驗(yàn)土壤埋設(shè)深度為1 m，土壤的理化性質(zhì)見表1。埋片前坑底先回填10 cm厚細(xì)軟土，在厚細(xì)軟土上均勻間隔豎直放置試片，試片間距約30 cm。回填時(shí)按挖出的土層順序逆向回填，逐層夯實(shí)至回填土的厚度與密實(shí)度和原土相同。每種土壤埋設(shè)4片平行試樣，3片試樣用于測試腐蝕質(zhì)量損失，1片試樣用于腐蝕產(chǎn)物層分析。鍍鋅鋼在土壤環(huán)境中的埋設(shè)周期為1 a。

表1 土壤的理化性質(zhì)Tab. 1 The physical and chemical properties of the soils

采用數(shù)碼照相機(jī)及Quanta250型掃描電鏡(SEM)對清除腐蝕產(chǎn)物前后的埋片進(jìn)行觀察，記錄其腐蝕形貌；通過失重法計(jì)算鍍鋅鋼的平均腐蝕速率；采用X射線衍射(XRD)對其銹層成分進(jìn)行分析。

清洗腐蝕產(chǎn)物按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[7]，即用刀片將試片四周的硅膠封邊去除后，采用除銹液(200 g三氧化鉻+1 000 g蒸餾水)在超聲波中超聲1 min將試樣表面的腐蝕產(chǎn)物去除，在除銹的同時(shí)加入一個未腐蝕空白試樣。將除銹后的試樣先用蒸餾水清洗，再用酒精清洗，吹風(fēng)機(jī)吹干后放入干燥器中，24 h后稱量，精確至0.01 mg，按式(1)計(jì)算腐蝕速率。

(1)

式中：v為腐蝕速率(g·cm-2·a-1)，m1去除腐蝕產(chǎn)物后試樣的質(zhì)量(g)，m0為試樣的原始質(zhì)量(g)，Δm為空白試樣的質(zhì)量損失，S為試樣的面積(cm2)，t為試驗(yàn)時(shí)間(a)。

2 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕形貌

由圖1可見：鍍鋅鋼在三種土壤中埋設(shè)1 a后，其腐蝕特征為非均勻的全面腐蝕，表面有灰白色的腐蝕產(chǎn)物，未出現(xiàn)明顯的紅銹，說明在這三種典型土壤環(huán)境中,鍍鋅鋼基底Q235鋼均未發(fā)生腐蝕，鍍鋅層對Q235鋼的防護(hù)性能較好。鍍鋅鋼在鷹潭土壤中腐蝕最為嚴(yán)重，整個試樣表面基本布滿了腐蝕產(chǎn)物，產(chǎn)物層較厚；其在庫爾勒環(huán)境中的腐蝕次之，表面分布著白色腐蝕產(chǎn)物，局部可看到光亮的鍍鋅層；在北京土壤環(huán)境中，鍍鋅鋼腐蝕最為輕微，表面分布少量白色產(chǎn)物，較多的光亮鍍鋅層未發(fā)生腐蝕。

由圖2可見：鍍鋅鋼在鷹潭土壤環(huán)境中埋設(shè)1 a后腐蝕最為嚴(yán)重，產(chǎn)生了較深的腐蝕坑；在庫爾勒土壤環(huán)境中的次之，產(chǎn)生了一定深度的腐蝕坑；而在北京土壤環(huán)境中埋設(shè)1 a后，試樣表面未形成明顯的腐蝕坑，腐蝕輕微且較為均勻。

(a) 鷹潭 (b) 北京 (c) 庫爾勒圖1 試樣在三種土壤中埋設(shè)1 a后的表面宏觀形貌Fig. 1 Macro morphology of samples after immersion in three kinds of soil for 1 a：(a) Yingtan; (b) Beijing; (c) Korla

(a) 鷹潭 (b) 北京 (c) 庫爾勒圖2 試樣在三種土壤中埋設(shè)1 a后的表面微觀形貌(去除腐蝕產(chǎn)物)Fig. 2 Micro morphology of samples after immersion in three kinds of soil for 1 a (after removing corrosion products)：(a) Yingtan; (b) Beijing; (c) Korla

2.2 腐蝕速率

由圖3可見：試樣在鷹潭土壤環(huán)境中的腐蝕最為嚴(yán)重，腐蝕速率為1.009 g/(dm2·a)。這可能是由于鷹潭土壤屬于酸性土壤，在強(qiáng)酸性條件下，氫的陰極去極化過程強(qiáng)化了整個腐蝕過程。其在庫爾勒土壤環(huán)境中的腐蝕次之，腐蝕速率為0.280 g/(dm2·a)。這是由于庫爾勒土壤屬于堿性土，土壤中氯離子的含量較高，這在一定程度上加速了鍍鋅層的腐蝕。當(dāng)Cl-存在時(shí)，Cl-與Zn(OH)2中的Zn2+結(jié)合形成可溶性的鹽，削弱了表面的保護(hù)性。而腐蝕最為輕微的是在北京陽坊土壤環(huán)境中的試樣，其腐蝕速率僅為0.158 g/(dm2·a)。

2.3 腐蝕產(chǎn)物

由圖4可見：試樣表面的腐蝕產(chǎn)物主要為ZnO、Zn(OH)2和Zn5(CO3)2(OH)6。但在不同土壤中略有不同。鷹潭土壤環(huán)境中，可溶性鹽含量很低，氯離子、硫酸根離子也很低，不利于Zn5(CO3)2(OH)6向別的腐蝕產(chǎn)物轉(zhuǎn)化。而庫爾勒土壤中氯離子含量較高，因而產(chǎn)生了堿性氯化鋅[Zn5(OH)8Cl2·H2O]。試樣在北京土壤中腐蝕較為輕微，在金屬表面分散著少量的腐蝕產(chǎn)物，因此XRD圖譜中還有Zn的峰。

圖3 試樣在三種土壤中的腐蝕速率Fig. 3 Corrosion rates of samples in three kinds of soil

鍍鋅鋼發(fā)生電化學(xué)腐蝕一般經(jīng)過以下四個步驟：(1) 鍍鋅層完整地覆蓋于整個鋼基體，鍍層發(fā)生腐蝕：(2) 鍍層發(fā)生部分破壞，鋅作為犧牲陽極對鋼基體提供陰極保護(hù)：(3) 鍍鋅層全部破壞，鋼基體開始腐蝕，鋅的腐蝕產(chǎn)物抑制腐蝕過程：(4) 鋼基體發(fā)生快速腐蝕。由鍍鋅鋼在鷹潭、庫爾勒、北京三種土壤中腐蝕1 a后銹層的形貌觀察及產(chǎn)物成分分析得知，基底Q235鋼均未遭受腐蝕，腐蝕過程主要為鍍鋅層的腐蝕。暴露在土壤中的鋅鍍層很容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，其在陽極區(qū)域溶解的同時(shí)，土壤中的O2或H+則在陰極區(qū)域被還原。

(a) 鷹潭 (b) 北京 (c) 庫爾勒圖4 試樣在三種土壤中腐蝕產(chǎn)物的XRD圖譜Fig. 4 XRD patterns of corrosion products of samples in three kinds of soil:(a) Yingtan; (b) Beijing; (c) Korla

鷹潭酸性土壤材料腐蝕試驗(yàn)站位于江西省余江縣劉家站中國科學(xué)院紅壤生態(tài)試驗(yàn)站內(nèi)，東南接浙江、福建，西南接湖南、廣東，處于紅壤系列土壤分布區(qū)域的腹地，土壤類型為紅壤，pH為5.4，含鹽量0.011 0%，含水量21.4%，電導(dǎo)率0.07 mS/cm，平均溫度17.6 ℃。因?yàn)辁椞锻寥缹儆谒嵝酝寥?，在?qiáng)酸性條件下，氫的陰極去極化過程強(qiáng)化了整個腐蝕過程，因此熱浸鋅在鷹潭土壤中腐蝕最為嚴(yán)重。

北京地處東南濕潤半濕潤地區(qū)與西北干旱半干旱地區(qū)的交壤地帶，屬于典型的中性土壤。較低的含鹽量和含水量及近中性pH使得鍍鋅鋼腐蝕程度在三種土壤環(huán)境中最為輕微。

庫爾勒土壤站位于新疆庫爾勒市，東經(jīng)86°16′，北緯41°21′，海拔884.9 m，土壤類型為戈壁荒漠土，pH 8.95，含鹽量0.62%，含水量3.98%，電導(dǎo)率2.0 mS/cm。雖然庫爾勒站含水量低，但其含鹽量較高，因此熱浸鋅在庫爾勒土壤環(huán)境中腐蝕較為嚴(yán)重。

3 結(jié)論

(1) 熱浸鋅在鷹潭、北京、庫爾勒三種土壤環(huán)境中的腐蝕特征均為非均勻的全面腐蝕。鷹潭土壤因pH低而腐蝕性最強(qiáng)、庫爾勒土壤因含鹽量高而腐蝕性較強(qiáng)、北京土壤環(huán)境腐蝕性最弱。

(2) 熱浸鋅的腐蝕產(chǎn)物的主要成分為ZnO、Zn(OH)2和Zn5(CO3)2(OH)6。庫爾勒土壤中含有較多量的氯離子，因而生產(chǎn)了堿性氯化鋅[Zn5(OH)8Cl2·H2O]。

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