濕熱海洋大氣環(huán)境下的厚板產(chǎn)品銹蝕行為

供稿|王鵬建

作者單位：寶山鋼鐵股份有限公司，上海 200940

內(nèi)容導讀

鋼鐵厚板產(chǎn)品表面銹蝕不僅影響產(chǎn)品的外觀，嚴重的點蝕甚至會降低構(gòu)件的有效承載成為應(yīng)力集中點和斷裂源，對構(gòu)件的安全性能和使用構(gòu)成潛在威脅。本文充分利用現(xiàn)有設(shè)備能力、厚板產(chǎn)品種類，通過湛江現(xiàn)場實地掛片實驗，建立了湛江鋼鐵基地不同工藝的厚板產(chǎn)品的腐蝕實驗方案。基于湛江具有代表性的不同生產(chǎn)工藝的試驗鋼種在湛江旱季、雨季氣候條件下的均勻腐蝕和縫隙腐蝕規(guī)律，制定了相應(yīng)的厚板產(chǎn)品存儲防銹原則、厚板產(chǎn)品室外庫堆垛技術(shù)規(guī)定、厚板產(chǎn)品生產(chǎn)工藝及庫區(qū)管理優(yōu)化等措施和對策。

銹蝕是指金屬材料表面與環(huán)境介質(zhì)接觸發(fā)生化學和電化學反應(yīng)使金屬單質(zhì)發(fā)生變化轉(zhuǎn)變成新相，從而造成金屬材料的破壞[1]。湛江鋼鐵工程地處東海島，居粵、瓊、桂三省(區(qū))交匯點，為寶鋼按照國家鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策要求新建的千萬噸鋼鐵基地項目。東海島處于北回歸線以南地區(qū)，屬熱帶季風區(qū)，海洋性季風氣候，太陽輻射強烈，蒸發(fā)旺盛，具有熱量豐富、水氣充足、高溫高濕的氣候特點，且湛江鋼鐵工程臨靠海邊，屬于高濕度的近海氯鹽環(huán)境，大氣中含有對鋼鐵產(chǎn)品具有侵蝕性的Cl-。研究表明[2-5]，腐蝕環(huán)境中侵蝕性陰離子如Cl-和氧化劑共同存在，且腐蝕電位大于保護電位時，易發(fā)生銹蝕，隨著Cl-的局部富集，加速縱深方向腐蝕形成點蝕，由點蝕而產(chǎn)生的應(yīng)力集中效應(yīng)，能夠促進裂紋的萌生和擴展。厚板產(chǎn)品表面銹蝕不僅影響產(chǎn)品的外觀，嚴重的點蝕甚至會降低構(gòu)件的有效承載成為應(yīng)力集中點和斷裂源，對構(gòu)件的安全性能和使用構(gòu)成潛在威脅。

本文通過典型厚板產(chǎn)品在湛江旱季及雨季的實地掛片實驗，重點分析了銹蝕行為的基本特征、發(fā)生規(guī)律和影響因素，并結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)工藝，在避免大幅度增加成本、不增加專門工序環(huán)節(jié)的前提下，建立了湛江鋼鐵厚板產(chǎn)品使用的防銹管理技術(shù)。

厚板產(chǎn)品湛江實地掛片實驗

實驗材料選用典型厚板工藝的產(chǎn)品(成分見表1)，實驗時間分湛江旱季和雨季兩次開展，地點分別為湛江原料碼頭堆場和厚板廠庫區(qū)內(nèi)。每個地點均開展均勻銹蝕及縫隙銹蝕實驗(試樣掛片示意圖見圖1)。均勻銹蝕實驗周期分30、60和90 d，縫隙銹蝕實驗周期為90 d。

表1 典型厚板工藝的產(chǎn)品化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

圖1 銹蝕試樣掛片示意圖

均勻銹蝕試樣表面光潔無擦劃傷，剪切成75 mm×75 mm×厚度的標準小樣，并依次用丙酮、無水乙醇、蒸餾水清洗，冷風吹干進行表面除污清理。

縫隙腐蝕試樣表面光潔無擦劃傷，剪切成1000 mm×600 mm×厚度的標準試樣，以5 mm為縫隙開口模擬厚板實際堆垛縫隙。另外，為了考察異種金屬接觸對縫隙腐蝕的影響，選取1 種常見的合金元素(Cu、Cr、Ni 等)含量高的樣品和一種合金元素含量較低的樣品疊放在一起進行實驗。試樣堆垛的3個側(cè)面用防銹紙進行包裹，防止雨水進入，僅留1個迎風面。

結(jié)果與討論

均勻銹蝕掛片實驗

圖2和圖3分別為典型厚板產(chǎn)品在湛江旱季、雨季露天原料碼頭堆場環(huán)境中，分別掛片30、60和90 d后銹層的宏觀形貌。由圖可見，無論是旱季還是雨季，試樣在掛片30 d后表面即形成致密的紅褐色銹層，隨著掛片周期的增加，銹層逐漸變厚，出現(xiàn)分層現(xiàn)象，除去部分橙紅色銹層后，內(nèi)部銹層呈現(xiàn)黑褐色，掛片90 d后，銹層出現(xiàn)剝落，出現(xiàn)不規(guī)則孔洞。

圖4和圖5分別為湛江旱季、雨季典型厚板產(chǎn)品分別掛片30、60和90 d后銹蝕深度隨著時間的變化曲線。Ra為3 個測試點所得到的銹蝕深度均值，Rz為在3 個測試點所獲得的最大深度峰值。從圖中可知，銹蝕深度隨著銹蝕時間的增加不斷加深，60 d后銹蝕速率明顯增大，這主要是因為鋼板規(guī)格較厚，采用非連續(xù)軋制工藝生產(chǎn)，且冷卻時間較長，鋼板表面的氧化鐵皮較厚且完整，對基體有一定的防護作用，但隨周期的增加，原始氧化膜不斷被破壞，加速了銹蝕介質(zhì)對基體的銹蝕，使得銹蝕比較嚴重，表面出現(xiàn)麻坑，甚至形成大片容易剝落的銹蝕產(chǎn)物。

圖2 湛江旱季均勻銹蝕試樣銹層表面形貌：(a) 30 d；(b) 60 d；(c) 90 d；(d) 30 d(除銹后)；(e) 60 d(除銹后)；(f) 90 d(除銹后)

從表面形貌、銹蝕速率及銹蝕深度來看，湛江雨季的銹蝕程度較旱季嚴重，這是由于雨季時，陣雨與驕陽交替，形成干濕循環(huán)，從而在Cl-濃度較高的環(huán)境下發(fā)生(Fe2+，F(xiàn)e3+)+Cl-+OH-→FeOCl+HCl↑(濕循環(huán))，F(xiàn)eOCl→β-FeOOH(干循環(huán))反應(yīng)[6]，銹蝕產(chǎn)物為可加速Cl-注入的β-FeOOH，從而加速銹蝕。

縫隙銹蝕掛片實驗

圖6和圖7分別為典型厚板產(chǎn)品在湛江旱季、雨季露天原料碼頭堆場環(huán)境中，掛片90 d后縫隙銹蝕銹層及除銹后的宏觀形貌。由圖可見，無論是旱季還是雨季，試樣在掛片90 d后表面銹層較厚，出現(xiàn)分層現(xiàn)象，部分橙紅色銹層剝落，呈現(xiàn)黑褐色銹層，局部出現(xiàn)蝕坑。相同實驗周期下，雨季的蝕坑深度顯著深于旱季。這主要是由于湛江在雨季時，其空氣濕度均在80%以上；當大氣中濕度達到60%時，其腐蝕速率相對緩慢；當濕度為80%～100%時，腐蝕速率會急劇增加。

圖4 湛江旱季典型厚板產(chǎn)品均勻銹蝕樣銹蝕深度與時間的變化關(guān)系：(a) 平均深度Ra；(b) 最大深度Rz

圖5 湛江雨季典型厚板產(chǎn)品在干濕環(huán)境中均勻銹蝕樣銹蝕深度與時間的變化關(guān)系：(a) 平均深度Ra；(b) 最大深度Rz

圖6 湛江旱季縫隙銹蝕試樣90 d銹層表面形貌：(a) 掛片1原始形貌；(b) 掛片1銹蝕形貌；(c) 掛片1除銹后形貌；(d) 掛片2原始形貌；(e) 掛片2銹蝕形貌；(f) 掛片2除銹后形貌；(g) 掛片3原始形貌；(h) 掛片3銹蝕形貌；(i) 掛片3除銹后形貌

圖7 湛江雨季縫隙銹蝕試樣90 d銹層表面形貌：(a) 上板除銹前形貌；(b) 上板除銹后形貌；(c) 下板除銹前形貌；(d) 下板除銹后形貌

圖8和圖9分別為湛江旱季、雨季典型厚板產(chǎn)品在露天原料碼頭堆場環(huán)境中，分別掛片90 d后銹蝕深度。Ra為3 個測試點所得到的銹蝕深度均值，Rz為在3 個測試點所獲得的最大深度峰值。從圖中可知，在旱季時縫尖處的Ra和Rz最大，縫口處縫隙面與縫隙反面的Ra、Rz板面未見明顯蝕坑；90 d蝕坑峰值Rz≤50 μm。在雨季時縫尖處的Ra和Rz最大，下板的銹蝕深度明顯大于上板，這是因為雨水或者潮氣非常容易被吸入縫隙，縫隙口水汽容易揮發(fā)，而內(nèi)部較窄的縫隙，形成了比較特殊的幾何形態(tài)，非常容易滯留，發(fā)生不均勻的縫隙銹蝕，導致雨水停留的部位形成較深的蝕坑。

圖8 湛江旱季縫隙銹蝕試樣90 d后銹蝕深度

圖9 湛江雨季縫隙銹蝕試樣90 d后銹蝕深度

減輕銹蝕的措施和對策

厚板產(chǎn)品存儲防銹原則

基于湛江旱季、雨季均勻腐蝕、縫隙腐蝕實驗分析，制定厚板產(chǎn)品存儲防銹原則：

(1) 根據(jù)高、中、低端銹蝕要求用戶分類，高端要求用戶盡量室內(nèi)堆垛，存儲周期控制在30 d內(nèi)，雨天禁止轉(zhuǎn)庫出廠；中端要求用戶室內(nèi)外堆垛比例為3∶7，存儲周期控制在60 d內(nèi)，室外堆垛如為雨季，則需加蓋防雨布；低端要求用戶優(yōu)先室外庫堆垛，存儲周期控制在90 d內(nèi)(雨季60 d)。

(2) 根據(jù)厚板品種分類，高等級船板、管線及不含Cu、Cr合金的高等級厚板盡量室內(nèi)堆垛，存儲周期控制在30 d。其他厚板品種優(yōu)先室外庫堆垛，存儲周期控制在90 d內(nèi)(雨季60 d)。

厚板產(chǎn)品室外庫堆垛技術(shù)規(guī)定

基于湛江旱季、雨季均勻腐蝕、縫隙腐蝕、加速腐蝕實驗分析，制定厚板產(chǎn)品室外庫堆垛技術(shù)規(guī)定：

(1) 檢查電磁吸盤的模塊(表面是否有鐵屑、油污等雜物)；

(2) 檢查場地及積水情況(場地是否平整；鋪設(shè)的混凝土墊塊上是否有雜物，如石子等雜物，必須清理后再進行堆放；排水是否暢通等)；

(3) 厚板堆放高度不超過1.5 m(含底層墊塊)，嚴禁在鋼板表面堆放其他貨物或吊具；

(4) 鋼板堆垛時，若鋼板之間采用墊木進行襯墊隔離的應(yīng)使用實木，鋼板長度方向墊木間距為1.5～2 m，上下墊木必須要對齊；

(5) 鋼板長度或?qū)挾儒e差較大，長度下?lián)隙热舫^20 cm，寬度下?lián)隙热舫^10 cm，必須用墊木襯平，防止產(chǎn)品變形；

(6) 鋼板堆垛時，按堆垛記號勾連的垛位進行堆放(堆垛記號包含港口、交貨期、規(guī)格區(qū)分、分段號、船名)，鋼板表面的嘜頭和側(cè)噴標簽位置要朝同一方向；

(7) 堆垛的間距縱向不少于0.5 m，橫向間距不少于1 m，便于理貨人員核對產(chǎn)品標識；主通道距離不少于1 m，堆垛不能超過安全通道。

厚板產(chǎn)品生產(chǎn)工藝及庫區(qū)管理優(yōu)化

基于湛江旱季、雨季均勻腐蝕、縫隙腐蝕、加速腐蝕實驗分析，制定厚板產(chǎn)品生產(chǎn)工藝及庫區(qū)管理優(yōu)化：

(1) 針對拋丸或涂漆工藝厚板產(chǎn)品，倉儲時間<10 d，遵循先進先出原則。在距交期小于20 d時，精整分廠按交期控制轉(zhuǎn)庫節(jié)奏，并制定45 d目標碼頭庫集批天數(shù)。雨天禁止轉(zhuǎn)庫出廠。堆放條件：放置于枕木之上，水泥枕木上鋪墊柔性材料；堆放要求：平直，鋼板長度存在較大差異時使用墊木墊平；吊運：電磁鐵，磁塊上用尼龍帶包裹，減少鋼板表面劃傷；配山：嚴格按照交貨期、合約號、長度堆放，便于生產(chǎn)組織和庫存周期控制生產(chǎn)組織，按交貨期組織，兼顧庫存周期。

(2) 基于厚板產(chǎn)品經(jīng)冷矯或壓平后銹蝕加劇的情況，開展工藝優(yōu)化，降低薄規(guī)格厚板產(chǎn)品的冷矯壓平比率，從而減少鋼板發(fā)生銹蝕的機會。

(3) 庫區(qū)管理優(yōu)化：根據(jù)湛江當?shù)氐臍夂驐l件在工廠設(shè)計中對門窗合適選型：均選用0.86 kN/m2風壓值門窗；車間大門均采用抗風卷簾大門，車間大門除成品庫采用卷簾門外裝以外，其余均采用卷簾門內(nèi)裝；沿主車間外墻下不間斷設(shè)置組合立轉(zhuǎn)窗，立轉(zhuǎn)窗選型為LC-806；立轉(zhuǎn)窗扇有可靠的限位能力或限位器，立轉(zhuǎn)窗自帶上下窗框；門窗的抗風性、氣密性、水密性、隔聲性等物理指標均滿足“門窗設(shè)計統(tǒng)一技術(shù)規(guī)定”(QZJ-018-2014)的相關(guān)要求；門窗在雨天關(guān)閉防雨，晴時打開通風。

結(jié)束語

通過存儲防銹原則的宣傳貫徹、室外庫堆垛現(xiàn)場巡檢、生產(chǎn)工藝及庫區(qū)管理優(yōu)化等措施的落實，湛江厚板產(chǎn)品在用戶端未出現(xiàn)因銹蝕導致的質(zhì)量異議。