電力鐵塔材料高耐蝕熱浸厚鋅層工藝開發(fā)

王茂法

（溫州泰昌鐵塔制造有限公司，浙江 溫州 325000）

電力鐵塔用來支撐和架空導線、避雷線和其他附件的塔架結構，使得導線與導線、導線與桿塔、導線與避雷線之間、導線對地面或交叉跨越物保持規(guī)定的安全距離的高聳式結構，電力鐵塔的建設是能源輸送有效安全運行的重要保障。鐵塔在大氣腐蝕和力學因素的相互作用下鋼鐵材料會發(fā)生斷裂甚至倒塌[1，2]，直接影響供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至威脅人們的生命財產(chǎn)安全。因此，作為高壓輸電線路的承重結構，鐵塔的防腐蝕保護是影響鐵塔服役安全和壽命的關鍵因素之一，對輸電線路的安全產(chǎn)生重要的影響。

熱浸鋅是將鋼鐵材料浸入到熔融的鋅液中并保持一定的時間，在鋼鐵表面生成一層具有保護性能的鋅合金鍍層的工藝[3]，其對鋼件的形狀、尺寸的適應性強，相比電沉積和熱噴涂等涂層制備方法，熱浸鋅工藝成本低、效率高。因此，熱浸鋅是鐵塔材料最常用及最有效的防腐方法之一。

當鐵塔建在多元氣候（高溫、高濕度、高鹽度三種因素同時存在和作用的復雜氣候）環(huán)境時，在多腐蝕因子協(xié)同作用下，鐵塔材料腐蝕速率成倍增加，承載性能和耐久性能退化，嚴重影響電力鐵塔服役狀態(tài)。因此，輸電鐵塔的耐腐蝕性能的研究已經(jīng)成為電力鐵塔制造企業(yè)及電力部門的最為關注的問題之一。鹽霧腐蝕試驗及相關實踐已證明，輸電鐵塔的耐腐蝕性能與鋼件表面的熱浸鋅層厚度成正比。國標GB/T 2694-2018輸電線路鐵塔制造技術條件中，明確了不同厚度鋼材要求的最低鍍鋅層厚度及附著量[4]。因此，開發(fā)高耐蝕熱浸厚鋅層及工藝對提升多元氣候環(huán)境服役條件下的電力鐵塔構件的安全性、輸電線路的可靠性具有重要意義及價值。

1 試樣制備及試驗方法

1.1 試樣制備

本文試驗所需的樣品均在本公司智能熱鍍鋅流水線完成，鐵塔材料為Q355高強度合金鋼，鍍鋅工藝主要設備由酸洗槽、水洗槽、助鍍槽、鋅鍋燃燒及控制系統(tǒng)、冷卻槽、鈍化槽、全封閉酸霧收集及處理系統(tǒng)、開合式封閉煙霧收集系統(tǒng)、熱浸鋅煙塵凈化設備、助鍍液除鐵鹽設備、污水處理系統(tǒng)、烘干坑及助鍍槽加熱系統(tǒng)（利用煙道余熱）、酸液加熱系統(tǒng)等組成。其工藝流程如圖1所示。

圖1 鍍鋅生產(chǎn)工藝流程

1.2 實驗方法

采用德國布魯克公司生產(chǎn)的S4 Pioneer型X射線熒光光譜儀（XRF）對凝固后的鍍鋅液化學成分進行測試。使用線切割機從鍍鋅件的橫截面切取試樣，經(jīng)打磨拋光后，用4%硝酸酒精進行腐蝕，在荷蘭飛納的Pro X FEI掃描電鏡（SEM）下進行觀察，掃描電鏡的測試電壓為15kV，采用掃描電鏡自帶的測量工具對鍍層的厚度進行測量；使用英國牛津X-Max型能譜儀（EDS）進行點及線掃描分析。

電化學腐蝕行為測試設備為Par Stat2273型三電極電化學工作站，試驗在裝有200mL3.5%NaCl水溶液的三頸燒瓶中進行。用線切割切取8×2mm的純鋅和Zn-Al-Ni鍍層試樣，并用冷鑲嵌料包埋，經(jīng)金相砂紙打磨和拋光至表面粗糙度為0.5μm左右。在電化學測試過程中，樣品作為工作電極，鉑板電極為輔助電極，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極。采用相對于開路電位0.5V～1.5V的掃描電位范圍作為電位測試區(qū)間，掃描速率為1mV/s。

2 結果與分析

2.1 化學成分

本文設計的理論成分為Zn-0.006Al-0.02Ni（均為質量百分比，下同），實際鍍鋅液成分測試結果如表1所示，其中Al為0.0063%，Ni為0.0208%，是人為添加的元素；由于鐵塔材料為Q355等低合金高強度鋼，因此，鍍液中也會有一定量的Fe，Pb是原材料自帶的雜質元素。

表1 鍍鋅液化學成分（wt.%）

Al對鋅合金鍍層的組織和性能有很重要的影響。其主要作用是為了改善鍍層的表面光澤度，減少鋅液表面氧化，增大鍍層的粘附性能和耐腐蝕性能。當在鋅浴中添加Al的質量分數(shù)為0.005%～0.02%時，主要為了獲得光亮的鍍層。這主要是由于Al比Zn更活潑而優(yōu)先和氧反應，使鋅液表面形成一層連續(xù)而致密的Al2O3薄膜，它通過阻止鋅和氧原子的擴散抑制了進一步的氧化，減少了鋅灰的形成[5]。

Ni在鋅液中添加Ni元素最主要的作用是抑制圣德林效應，消除脆性相的異常生長，組織細化，從而使鍍層的結合強度和外觀質量均得到改善[6]。

2.2 鍍層組織分析

圖2是Q355鋼熱浸Zn-Al-Ni涂層的顯微組織，從圖2可以看出，鍍層與基體結合良好，外觀平整，平均厚度為103μm，高于國標GB/T2694-2018規(guī)定的鑄件厚度大于5mm時，鍍層最小平均86μm的要求，同時，也達到了ASTMA123-01標準規(guī)范，符合我公司出口“一帶一路”國家要求。從圖2線掃描能譜的結果可知，鍍層的化學成分與XRF的檢測結果一致，由Zn、Al、Ni及Fe元素組成。鍍層從外到里的組織有一定的差異。目前鍍鋅層的組織由較多的研究結果，從鋼基體到鍍層表面會形成下列相層 ：α相（Zn（Fe））層、Г相（Fe3Zn10）層、Г1相（Fe5Zn21）層、δ相（FeZn10）層、ζ相（FeZn13）層、η相（Fe（Zn））層[7]，其中Г1相是由共析反應生成，ζ、δ和Г相是通過包晶反應生成。

圖2 Q355鋼熱浸Zn-Al-Ni涂層組織形貌及能譜分析

圖3 是圖2中位置1和位置2的EDS分析結果，從圖中可以看出，位置1位于基體，其成分除了基體的Fe和Si外，有檢測到1.14%的Zn；同樣，在靠近基體位置的鍍層中（位置2），有8.43%的Fe，這說明，在高溫下，基體中的Fe與涂層中的Zn互有擴散與互熔，達到冶金結合，結合強度高。

圖3 不同位置（圖2）的EDS分析結果

2.3 鍍層耐蝕性能分析

圖4 為兩種鍍層試樣在3.5%NaCl溶液中的電化學極化曲線。從圖3中可以看出，兩種鍍層試樣均表現(xiàn)出類似的電化學規(guī)律，即在陽極極化曲線上存在明顯的鈍化峰。對試樣極化曲線的Tafel區(qū)進行線性擬合，所得到的電化學性能參數(shù)如表2所示。

圖4 兩種鍍層試樣在3.5%NaCl溶液中的電化學極化曲線

表2 兩種鍍層試樣在3.5%NaCl溶液中的電化學性能參數(shù)

從表2中可以看出，未添加合金元素的純鋅鍍層試樣的腐蝕電位、腐蝕電流密度和腐蝕速率分別為-1.074Vvs.SCE、30.3μA/cm2和445.2μm/y。添加合金化元素后，Zn-Al-Ni鍍層試樣表現(xiàn)出更正的腐蝕電位和更小的腐蝕電流密度和腐蝕速率，分別 為 -1.060Vvs.SCE、12.3μA/cm2和 179.7μm/y。Zn-Al-Ni鍍 層試樣的腐蝕電流密度和腐蝕速率相對于純Zn鍍層試樣減小了59.6%，結果表明經(jīng)合金化處理后鍍層的耐腐蝕性能有了顯著提升。邵大偉[5]同樣發(fā)現(xiàn)，在熱鍍鋅液中添加適量的Ni和Al元素，能夠減小鍍層的腐蝕速率，從而提升鍍鋅構件的耐腐蝕性能。這主要是由于Al元素的加入能夠有效抑制鋅液中Fe和Zn離子的反應，使得原本鍍層組織中分布的粗大疏松的ζ脆性相轉變?yōu)榫鶆蛑旅芊植嫉募毿☆w粒相，有效減緩腐蝕介質進入鍍層，從而提升鍍Zn層的抗腐蝕能力。此外，由于Al元素活潑的化學性質，在鍍鋅過程中易發(fā)生氧化反應，能夠在鍍層表面形成一層致密的Al2O3薄膜，也有助于提升鍍Zn層的耐腐蝕性能。

3 結論

本文根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，將鍍鋅層成分調整為Zn-0.006Al-0.02Ni，并研究了其組織、鍍層厚度及耐腐蝕性能，得到的結論如下：

（1）鍍層與基體冶金結合，外觀平整，平均厚度為103μm，達到ASTMA123-01標準要求。

（2）Al、Ni元素能提升鍍鍍鋅層的抗腐蝕能力，Zn-Al-Ni鍍層的腐蝕電位、腐蝕電流密度和腐蝕速率分別為-1.060Vvs.SCE、12.3μA/cm2和179.7μm/y，腐蝕速率較純鋅降低了59.6%。