霧霾天氣對鐵塔的腐蝕影響實(shí)驗(yàn)研究

陳穎敏，趙 潔，冉玉倩，王超凡

(華北電力大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北 保定071003)

0 引言

近幾年來，霧霾天氣頻發(fā)，侵蝕著人類的身體健康，同時(shí)也腐蝕著暴露于大氣中的金屬及其制品。相比較于其他類型的腐蝕，大氣腐蝕更加普遍。尤其海洋大氣因其含有較多的無機(jī)鹽粒而具有很強(qiáng)的腐蝕性［1～3］，我國輸電桿塔一般要求使用鍍鋅鋼材料，在沿海和因重工業(yè)生產(chǎn)排放所帶來的環(huán)境污染并伴隨自然環(huán)境氣候的惡化而形成的重腐蝕環(huán)境中，役桿塔鋼構(gòu)件經(jīng)過若干年的使用之后，鋅層遭到破壞發(fā)生銹蝕，大大降低了鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力，腐蝕速率日漸加快［4～6］。特別是在工業(yè)污染區(qū)和沿海地區(qū)的鍍鋅層的使用年限更短，長期服役于自然環(huán)境中的輸電桿塔鋼構(gòu)件的防腐蝕性能，是保證輸電線路安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵要素之一［7～9］。隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力供應(yīng)日益繁忙，輸電鐵塔用量大幅增加，而隨著工業(yè)的快速發(fā)展，大氣污染加劇，大氣污染對變電站金屬材料的腐蝕導(dǎo)致的供電事故已經(jīng)成為影響電網(wǎng)安全運(yùn)行的一個(gè)重要問題［10～12］。因此，探究霧霾天氣的形成原因，探討鐵塔的腐蝕影響機(jī)理，確定有效防腐工藝，實(shí)現(xiàn)鋼構(gòu)件長壽命、少維護(hù)或免維護(hù)的防護(hù)工作是非常重要的。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 儀器與試劑

FA1004A 型電子天平，QG-3 型金相試樣切割機(jī)，PHS-3C 型酸度計(jì)，F(xiàn)QY 系列鹽霧試驗(yàn)箱。Q235A 碳鋼(碳含量＜=0．22%，錳含量＜=1．4，硅含量＜=0．35，磷含量＜=0．045，硫含量＜=0．050)，丙三醇，硫酸銅，氯化鈉，亞硫酸氫鈉，碳酸氫鈉，硝酸鈉，無水乙醇，丙酮。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 腐蝕試樣的制備

用金相試樣切割機(jī)將碳鋼試片切割成50 ×25×2 mm 作為腐蝕試樣。將切割好的試片先后使用粗砂紙細(xì)砂紙打磨光滑，用去離子水洗凈，將洗凈的試片用丙酮溶液和無水乙醇擦拭，用濾紙包好，放入干燥器內(nèi)干燥備用。

1.2.2 甘油控濕法

根據(jù)文獻(xiàn)［13～14］:25 ℃的折射率和某一溫度下的濕度有如下關(guān)系:

式中:A=25．60- 0．195 0T + 0．000 8T2;H 為相對濕度(%);R 為折射率;T 為液溫(℃)。

由甘油濃度和折射率與溫度關(guān)系，折射率與甘油濃度的關(guān)系，可以較為方便地求得濕度與濃度的大略數(shù)值。依據(jù)甘油水溶液濃度與空氣相對濕度關(guān)系，配制相應(yīng)的甘油水溶液，將空氣相對濕度分別控制為55%，65%，75%，85%，95%。

1.2.3 周期浸潤復(fù)合循環(huán)法

周期浸潤復(fù)合循環(huán)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了使腐蝕試樣處于干濕交替的狀態(tài)，從而可以較好地模擬待腐蝕金屬在大氣條件下的真實(shí)情況，很好地體現(xiàn)了干濕交替的大氣腐蝕特征，并且可以對潮濕時(shí)的腐蝕試樣進(jìn)行電化學(xué)測量。研究表明，使用此法重現(xiàn)了金屬表面經(jīng)歷的腐蝕過程，而且銹層也出現(xiàn)了與室外相同的現(xiàn)象，和室外的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，有比較好的相關(guān)性［15～16］。實(shí)驗(yàn)采用NaCl，NaHSO3，NaHCO3，NaNO3的混合溶液作為模擬霧霾天氣的浸潤液，將腐蝕試樣周期性地浸入模擬霧霾天氣的浸潤液中，較好地再現(xiàn)了金屬在大氣中腐蝕的3 種狀態(tài):浸潤-潮濕-干燥，從而較好地模擬了霧霾天氣對輸電鐵塔的腐蝕。

1.2.4 模擬霧霾天氣的浸潤液溶液的配制

在霧霾天氣中，氣體在鋼鐵表面水膜中溶解，蒸汽和液體之間的平衡遵循亨利定律，即氣體在液膜中的濃度與氣體的分壓成正比:

式中:［Mi］aq 為氣體在液膜中的濃度;pi為氣體的分壓;Hi為亨利系數(shù)，此系數(shù)與溫度有關(guān)，隨溫度的升高，氣體溶解度下降［17］。

根據(jù)氣體在大氣中的分壓，然后查閱文獻(xiàn)得到亨利系數(shù)，從而求得氣體在液膜中的濃度。依據(jù)大氣污染物濃度與金屬表面液膜離子濃度關(guān)系，設(shè)置一系列霧霾污染因子濃度梯度，以表示霧霾天氣的污染程度。再根據(jù)霧霾污染因子濃度梯度，配制模擬霧霾天氣的浸潤液，標(biāo)號(hào)為1～5，代表霧霾天氣不同的污染程度。浸潤液的配制見表1。

表1 浸潤液成分 mmol/L

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 相對濕度對試片的腐蝕效果分析

實(shí)驗(yàn)采用甘油控濕法控制相對濕度分別為55%，65%，75%，85%，95%，將試片用1 號(hào)和2 號(hào)浸潤液浸潤，再放置在不同的相對濕度環(huán)境中，觀察試片的腐蝕狀況，并且記錄試片的增重，從而得到不同相對濕度環(huán)境中的腐蝕速率圖，如圖1、2 所示。

圖1 1 號(hào)浸潤液中，不同相對濕度下的腐蝕速率圖

圖2 2 號(hào)浸潤液中，不同相對濕度下試片的腐蝕速率圖

由圖1、圖2 可得，在模擬霧霾浸潤液的濃度一定的時(shí)候，試片的腐蝕速度隨著空氣濕度的增加而呈加快趨勢，當(dāng)空氣相對濕度為65%時(shí)，隨著腐蝕時(shí)間的增長，試片的腐蝕速度增長趨勢較平緩;而當(dāng)空氣濕度大于65%時(shí)，隨著腐蝕時(shí)間的增長，試片的腐蝕速度增長較快。

2.2 污染離子濃度對試片的腐蝕效果分析

配制一系列由NaCl，NaHCO3，NaHSO3和NaNO3組成的不同濃度的模擬霧霾天氣浸潤液，分別標(biāo)號(hào)為1～5，將腐蝕試片分別用這5 種浸潤液潤濕，放置在相對濕度為85%和95%的環(huán)境中，試片的腐蝕速率如圖3、圖4。

圖3 相對濕度為85%時(shí)，5 種不同濃度的浸潤液條件下試片的腐蝕速率圖

圖4 相對濕度為95%時(shí)，5 種不同濃度的浸潤液條件下試片的腐蝕速率圖

由圖3、圖4 可得，當(dāng)空氣的相對濕度保持不變時(shí)，試片腐蝕速度隨著污染離子濃度的增大而增加，這是由于試片表面水膜中的污染離子濃度增大，液膜的導(dǎo)電率增大，加速了試片表面的電化學(xué)反應(yīng)。污染離子中的Cl-有強(qiáng)的侵蝕性，不僅起到導(dǎo)電介質(zhì)的作用，還會(huì)破壞金屬表面的保護(hù)膜，導(dǎo)致細(xì)微裂縫，腐蝕介質(zhì)通過裂縫滲入金屬里，從而加速了金屬的腐蝕。

2.3 pH 值對試片的腐 蝕效果分析

霧霾天氣中的酸性物質(zhì)能夠溶解于輸電鐵塔表面的水膜中，影響輸電鐵塔的電化學(xué)腐蝕，因此有必要研究pH 值對試片腐蝕的影響，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 相對濕度為55%，不同pH 值對試片的腐蝕影響速率圖

圖6 相對濕度為85%，不同pH 值對試片的腐蝕影響速率圖

由圖6 可得，隨著pH 值的降低，試片的腐蝕速度加快，這是由于霧霾天氣中的SO2溶于輸電鐵塔表面的水膜中，進(jìn)而鋼鐵表面的電解液膜酸化，提高了電解液膜的導(dǎo)電性，同時(shí)也會(huì)使得鋼鐵表面的保護(hù)層溶解，加速了輸電鐵塔的腐蝕。霧霾天氣中的NO2溶解于輸電鐵塔的表面電解液膜中，發(fā)生反應(yīng)使電解液膜酸化，同樣會(huì)加速鐵塔的電化學(xué)腐蝕。

2.4 浸潤時(shí)間對試片的腐蝕效果分析

實(shí)驗(yàn)采用干濕交替周期浸潤的方法，以6 h為周期對試片進(jìn)行周期浸潤，每隔24 h，將試片取出，用冷風(fēng)吹干后稱重，并記錄數(shù)據(jù)，從以上圖1～5 可以得到浸潤時(shí)間對試片的腐蝕影響。在腐蝕初期，金屬表面有液膜存在，形成電解液薄層，開始發(fā)生電化學(xué)腐蝕過程，此時(shí)腐蝕速率開始增大，金屬表面形成鐵銹層，而鐵銹層在濕潤條件下也會(huì)加快腐蝕速率，銹層干燥時(shí)，金屬表面與金屬銹層之間形成開路，腐蝕又可在銹層表面進(jìn)行，因此腐蝕加重。而當(dāng)銹層厚度增加，氧的滲入緩慢，因此到腐蝕后期，腐蝕速率慢慢減小。

3 結(jié)論

霧霾天氣時(shí)，空氣相對濕度加大，超過65%時(shí)，鐵塔的腐蝕速率明顯加快，污染離子濃度對鐵塔的腐蝕也有一定的影響，濃度加大，鐵塔表面pH 值降低，鋼鐵表面的電解液膜酸化，提高電解液膜的導(dǎo)電性，從而使得鋼鐵表面的保護(hù)層溶解，加速了鐵塔的電化學(xué)腐蝕，暴露于室外的鐵塔在霧霾天氣中的腐蝕形態(tài)是干濕交替腐蝕的，隨著腐蝕時(shí)間的延長，金屬表面會(huì)形成鐵銹層，鐵銹層表面也可進(jìn)行腐蝕，長此以往鐵塔表面腐蝕深度加深，從而引發(fā)鐵塔的脆裂斷開，對電網(wǎng)的運(yùn)輸存在極大的危害。因此，隨著霧霾天氣的加劇，鐵塔的腐蝕也越來越嚴(yán)重，尋求更加有效地防腐措施迫在眉睫。

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