通信鐵塔用鋼的腐蝕試驗(yàn)及對(duì)策研究

王 梓

（河南省鄭州市鄭東新區(qū)中國(guó)鐵塔，河南 鄭州 450018）

0 引言

通信鐵塔作為信號(hào)傳輸線路的承重結(jié)構(gòu)，是信號(hào)傳輸線路中最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，其安全可靠對(duì)通信系統(tǒng)的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用［1］。通信鐵塔的塔身、塔腳和接地系統(tǒng)等金屬部件均會(huì)發(fā)生腐蝕，而塔腳腐蝕因環(huán)境復(fù)雜惡劣、腐蝕狀態(tài)隱蔽、防腐難度大、腐蝕危害性大等特點(diǎn)，是通信鐵塔所有腐蝕問題中的重點(diǎn)和難點(diǎn)［2-3］。經(jīng)大量研究發(fā)現(xiàn)，常見的通信鐵塔腐蝕情況有4種（見圖1）。①塔腳鋼構(gòu)與連接螺栓出現(xiàn)腐蝕，表面鍍漆出現(xiàn)老化剝落的現(xiàn)象，部分螺栓被銹蝕；②塔身主材和主連接鋼板出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象；③鐵塔斜材出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象；④鐵塔通信光纜金屬垂釣物被嚴(yán)重腐蝕［4］。由于通信鐵塔用鋼在外界環(huán)境中會(huì)發(fā)生嚴(yán)重銹蝕，且在發(fā)生銹蝕后，鐵塔用鋼的力學(xué)性能發(fā)生顯著退化，導(dǎo)致其無(wú)法再滿足設(shè)計(jì)要求，使鐵塔在服役期間要經(jīng)過多次維修養(yǎng)護(hù)才能達(dá)到工程的使用要求，從而造成人力和經(jīng)濟(jì)資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。因此，研究通信鐵塔用鋼的腐蝕行為和腐蝕機(jī)理具有重要的工程意義。

圖1 鐵塔用鋼發(fā)生銹蝕

國(guó)內(nèi)外學(xué)者從20世紀(jì)60年代開始便對(duì)不同環(huán)境中的碳鋼及低合金鋼的腐蝕行為進(jìn)行了大量研究，并得到實(shí)際數(shù)據(jù)和研究結(jié)果，為后續(xù)深入研究奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。肖葵等［5］通過對(duì)腐蝕環(huán)境中的Q235鋼材的腐蝕機(jī)理進(jìn)行研究，得到Q235鋼隨著腐蝕損傷程度的增大，其力學(xué)性能也隨之退化的規(guī)律。Almusallam［6］通過對(duì)不同直徑的鋼筋在不同腐蝕率下進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼筋直徑最大時(shí)基本不受腐蝕變化的影響，其抗拉強(qiáng)度相比未腐蝕試件不降低。可見腐蝕是造成通信鐵塔鋼結(jié)構(gòu)失效的主要原因之一。中國(guó)通信塔的數(shù)量約為220萬(wàn)座，其中80%的通信塔屬于鋼結(jié)構(gòu)，且材質(zhì)以碳鋼和Q345等低合金鋼為主，通信塔的腐蝕類型以大氣腐蝕為主，即以高濕度、大降雨量和富含碳氧、氮氧化物的大氣環(huán)境為主要誘因。

基于此，為了研究鐵塔用鋼的腐蝕行為，筆者對(duì)Q345B鋼材開展室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)，研究Q345B鋼的腐蝕行為，并基于通信鐵塔的局部腐蝕機(jī)理，制定有效預(yù)防鐵塔局部出現(xiàn)腐蝕損傷的防護(hù)對(duì)策，以期為通信鐵塔的設(shè)計(jì)與服役期間的維護(hù)提供一定參考。

1 通信鐵塔腐蝕原因分析

通過查閱大量國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，并結(jié)合在役通信鐵塔不同部位的現(xiàn)場(chǎng)腐蝕形貌，經(jīng)過深入分析，總結(jié)出通信鐵塔發(fā)生銹蝕的原因主要有以下3點(diǎn)。第一，高濕度、大降雨量和富含碳氧、氮氧化物的大氣環(huán)境是通信鐵塔快速銹蝕的主要原因；第二，通信鐵塔用鋼外表面的防護(hù)涂層的厚度不夠以及質(zhì)量不過關(guān)，尤其通信鐵塔的斜材、螺栓以及主斜材連接件，或鐵塔的材質(zhì)不適用于該地區(qū)特殊的腐蝕環(huán)境；第三，通信鐵塔在安裝過程中防護(hù)涂層被破壞，比如焊接、機(jī)械安裝部位容易發(fā)生涂層破壞，從而使其達(dá)不到相應(yīng)的防腐要求。

2 室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)

2.1 試件選材與腐蝕方案

為了研究通信鐵塔用鋼Q345B鋼材在工業(yè)大氣環(huán)境中的腐蝕行為，本研究在中國(guó)鐵塔公司的資金支持下，開展Q345B鋼材室內(nèi)酸性溶液的周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)，選取試件的尺寸為200 mm×50 mm×15 mm，材料的質(zhì)量等級(jí)和力學(xué)性能參數(shù)均滿足規(guī)范要求，將加工好的試件進(jìn)行編號(hào)及稱重。本研究采用周期性浸潤(rùn)加速腐蝕方案，來模擬工業(yè)大氣環(huán)境中通信鐵塔用鋼Q345B鋼的腐蝕行為，并對(duì)腐蝕機(jī)理進(jìn)行分析。腐蝕溶液為0.01 mol/L NaHSO3+0.001 mol/L NaCl、環(huán)境溫度為35℃±2℃、濕度為70±5% RH、pH值為4.4～4.8、循環(huán)周期為1 h（包含20 min浸潤(rùn)、40 min干燥）。腐蝕試件每間隔10 d取樣一次，取件周期為10 d、20 d、30 d、40 d和50 d。

2.2 宏觀腐蝕形貌

由不同腐蝕周期的Q345B鋼試件的宏觀形貌可知，未腐蝕的試件具有良好的金屬光澤，隨著腐蝕試驗(yàn)的進(jìn)行，試件的金屬色澤逐漸變暗，表面分布有少量黃褐色點(diǎn)狀銹蝕產(chǎn)物，以局部腐蝕為主；隨著損傷程度的增加，腐蝕產(chǎn)物包裹基體表面，金屬色澤逐漸喪失，此時(shí)腐蝕向均勻腐蝕過渡；腐蝕20 d時(shí)，紅褐色生成物迅速增多，并呈層片堆積狀分布于鋼材表面，且質(zhì)地疏松，局部發(fā)生腐蝕剝落的現(xiàn)象。對(duì)試件除銹后，Q345B鋼試件腐蝕前后的質(zhì)量平均值見表1。其中，ηs為質(zhì)量損失率；m0、m1為腐蝕前和腐蝕后質(zhì)量（g）。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，質(zhì)量損失率隨腐蝕周期的增加而成線性增加，同一周期內(nèi)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在離散性，這符合材料常規(guī)的線性腐蝕損傷變化規(guī)律。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在腐蝕環(huán)境中，通信鐵塔用鋼的腐蝕銹層較疏松，且容易發(fā)生腐蝕剝落的現(xiàn)象。因此，腐蝕銹層無(wú)法阻止或抑制鋼材在工業(yè)大氣環(huán)境中繼續(xù)被銹蝕。

表1 試件質(zhì)量損失率

2.3 微觀腐蝕形貌

通過PS50 3D非接觸便攜式表面形貌儀得到不同腐蝕周期試件的微觀形貌。當(dāng)腐蝕10 d后，腐蝕產(chǎn)物會(huì)呈現(xiàn)出隨機(jī)性分布的特點(diǎn)，尚未發(fā)現(xiàn)有蝕坑的產(chǎn)生，損傷程度弱，實(shí)測(cè)高度不超過310 μm，腐蝕最大深度約為165 μm。隨著腐蝕周期的增加，點(diǎn)蝕尺寸也在逐漸增加，掃描區(qū)域的形貌起伏差異大，分布有少量蝕坑；當(dāng)腐蝕30 d后，試件表面會(huì)產(chǎn)生大量致密堆積物，且腐蝕是沿著表面水平方向快速擴(kuò)展，最終銹蝕物完全包裹試件外圍；當(dāng)腐蝕50 d后，實(shí)測(cè)高度不超過620 μm，腐蝕最大深度約為435 μm。研究表明，腐蝕50 d后，較深的點(diǎn)蝕坑使得鋼材在荷載的作用下發(fā)生應(yīng)力集中，點(diǎn)蝕坑處的應(yīng)力驟增，同時(shí)點(diǎn)蝕坑的存在也會(huì)導(dǎo)致鋼材的延性降低。因此，在通信鐵塔點(diǎn)蝕較為嚴(yán)重的部位，由于應(yīng)力集中使得鋼材承受的應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度而發(fā)生塑性變形，加之點(diǎn)蝕降低了鋼材的延性，使得鋼材的耗能能力更弱，在荷載作用下更容易被破壞。

同時(shí)，為了表征不同腐蝕周期下試件的微觀形貌變化規(guī)律，基于掃描區(qū)域蝕坑尺寸的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得到試件表面的體積損失率ηv、腐蝕深度速率ζ、質(zhì)量損失速率K，以及掃描區(qū)域的參數(shù)統(tǒng)計(jì)，如實(shí)測(cè)蝕坑平均深度d、平均寬度w、深寬比d/w。通過分析可知，試件的腐蝕損傷面積與腐蝕周期近似成線性遞增。在腐蝕初期，腐蝕主要是沿著試件的深度方向進(jìn)行延伸的，表面分布著大量針尖狀形貌，以點(diǎn)蝕產(chǎn)物為主。隨著腐蝕的進(jìn)行，沿深度方向的腐蝕擴(kuò)展幅度明顯降低，此時(shí)水平方向的腐蝕速率明顯高于縱向，試件表面的點(diǎn)蝕形貌逐漸向坑蝕形貌過渡，腐蝕損傷區(qū)域的表面積也隨之增加，導(dǎo)致蝕坑的深寬比減小。研究結(jié)果表明，在腐蝕環(huán)境中，通信鐵塔用鋼的微觀形貌會(huì)發(fā)生較大變化，由腐蝕初期的點(diǎn)蝕逐漸變?yōu)榫鶆蚋g，嚴(yán)重削弱通信鐵塔用鋼的力學(xué)性能，從而使通信鐵塔在服役期間發(fā)生損壞。

3 通信鐵塔用鋼預(yù)防腐蝕措施

通過分析研究，得到通信鐵塔用鋼的腐蝕原因及腐蝕機(jī)理，從而可因地制宜地制定出有效預(yù)防通信鐵塔用鋼在大氣環(huán)境中遭受腐蝕而導(dǎo)致鋼材出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕，使其力學(xué)性能出現(xiàn)明顯退化的防護(hù)對(duì)策。預(yù)防通信鐵塔用鋼腐蝕的主要原則是阻斷通信鐵塔用鋼腐蝕的有利誘因，抑制相應(yīng)的腐蝕環(huán)節(jié)，減小腐蝕對(duì)通信鐵塔用鋼的危害，從而極大地降低由環(huán)境腐蝕造成的人力和物力浪費(fèi)。預(yù)防通信鐵塔用鋼腐蝕的對(duì)策有以下4個(gè)。①現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員定期對(duì)通信鐵塔進(jìn)行檢查，及時(shí)清理鋼材表面由自然沉降而堆集的鹽分、塵土等。②在制作混凝土維護(hù)帽時(shí)，將其制成斜面，防止塵土在塔腳根部堆集。③在通信鐵塔的連接處涂抹環(huán)氧樹脂，敷上厚度為1 mm的保護(hù)層，對(duì)于通信鐵塔易出現(xiàn)腐蝕的部位，要避免其直接接觸腐蝕介質(zhì)。④積極推進(jìn)耐候鋼在通信鐵塔中的應(yīng)用，在通信鐵塔建設(shè)中使用耐候鋼，能縮短制造和建設(shè)工期，也可減輕鐵塔結(jié)構(gòu)的自重，節(jié)約建設(shè)成本，且有利于通信鐵塔的共享建設(shè)［7］。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外大量文獻(xiàn)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，鐵塔用鋼的腐蝕類型以大氣腐蝕為主，即以高濕度、大降雨量和富含碳氧、氮氧化物的大氣環(huán)境為主要誘因。通過通信鐵塔用鋼Q345B鋼材進(jìn)行室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著腐蝕的進(jìn)行，鋼材固有的金屬光澤會(huì)逐漸變暗，表面分布有少量的黃褐色點(diǎn)狀銹蝕產(chǎn)物，以局部腐蝕為主，且隨著腐蝕周期的增加，腐蝕產(chǎn)物包裹基體表面，金屬光澤完全喪失，逐漸向均勻腐蝕過渡。通過通信鐵塔用鋼Q345B鋼材的室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在腐蝕初期，點(diǎn)蝕尺寸逐漸增加，掃描區(qū)域的形貌起伏差異大，分布有少量蝕坑；隨著腐蝕損傷程度的增加，試件表面會(huì)產(chǎn)生大量的致密堆積物，且腐蝕過程開始沿著表面水平方向快速擴(kuò)展，最終銹蝕物將試件外圍完全包裹，當(dāng)腐蝕50 d后，腐蝕最大深度約為435 μm。因此，為避免通信鐵塔用鋼腐蝕造成的危害，大力推廣高性能耐候鋼在通信鐵塔建設(shè)中的應(yīng)用是一種行之有效的方法。針對(duì)目前通信鐵塔質(zhì)量驗(yàn)收存在的安全隱患，相關(guān)部門應(yīng)盡快完善現(xiàn)有通信鐵塔驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中的安全性能指標(biāo)；大力發(fā)展科學(xué)技術(shù)，提高相應(yīng)的測(cè)量技術(shù)水平，使得通信鐵塔在安裝過程中不易測(cè)試的質(zhì)量指標(biāo)得以測(cè)量與對(duì)比，如鐵塔鋼材的尺寸、厚度、含量等；相關(guān)部門應(yīng)逐步完善工程竣工驗(yàn)收的指標(biāo)檢測(cè)。