沿海工業(yè)區(qū)域輸變電電塔鋼構(gòu)件的腐蝕行為研究

柴 濱

（國華瑞豐（東營河口）風(fēng)力發(fā)電有限公司，東營，257000）

0 引言

輸變電電塔安全是維持輸變電電力系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證[1]。然而，在電塔服役過程中，大氣腐蝕常常會使金屬構(gòu)件失效[2-4]，尤其是沿海工業(yè)區(qū)，輸變電電塔常年處于含有工業(yè)氣體（SO2、CO2、NxOy等）和海洋水氣的大氣環(huán)境中，其金屬構(gòu)件更容易被腐蝕。因此，金屬構(gòu)件大氣腐蝕是制約沿海工業(yè)區(qū)輸變電系統(tǒng)建設(shè)的重大難題[5, 6]。

鍍鋅鋼是輸變電電塔常用的一種鋼材，在普通大氣下具有良好的防腐蝕性能，而沿海工業(yè)區(qū)大氣含有許多腐蝕介質(zhì)，F(xiàn)uente 等[7]研究發(fā)現(xiàn)，比起農(nóng)村、城市，低碳鋼長期處于工業(yè)和海洋大氣環(huán)境中更容易被腐蝕，金屬腐蝕速率與海岸垂距具有指數(shù)關(guān)系；Allam[8]，Chen[9]，Gong[10]等認(rèn)為Cl-、HSO3-的存在是沿海-工業(yè)大氣中金屬腐蝕的主要原因；陳云等[11]認(rèn)為沿海大氣含有的Cl-、SO2、NO2等通常會促使輸變電電塔金屬構(gòu)件發(fā)生局部或整體銹蝕；張丹丹等[12]采用含有Cl-的酸性腐蝕介質(zhì)研究了海洋氣溶膠環(huán)境中的Q345 鋼腐蝕行為；孟曉波等[13]配比不同NaHSO3溶液研究了輸電桿塔架基本材料的腐蝕行為，認(rèn)為鍍鋅鋼比Q235 和Q345 鋼更能抵抗SO2的腐蝕作用。以上研究主要考慮了Cl-或SO2對金屬的腐蝕作用，而沿海工業(yè)區(qū)大氣中包含Cl-、SO2，二者共存條件下鍍鋅鋼腐蝕過程的研究還比較少。

通常而言，將實驗樣品暴露于戶外可直接得到鍍鋅鋼的腐蝕過程，但是實驗周期較長，大氣影響因素多，實驗結(jié)果偶然性較大。為避免這些問題，通常采用干濕循環(huán)方法開展實驗[14,15]，該方法可縮短實驗周期，更有利于因素分析。因此本文圍繞沿海工業(yè)區(qū)大氣的混合腐蝕介質(zhì)可能會進(jìn)一步加速服役電力設(shè)備金屬失效的問題，以某沿海工業(yè)區(qū)為背景，配比了6 種不同的腐蝕介質(zhì)，采用干濕循環(huán)方法，通過分析鍍鋅鋼腐蝕增重質(zhì)量，研究了輸變電電塔金屬構(gòu)件的腐蝕規(guī)律。

1 實驗試樣與方法

1.1 試樣及腐蝕介質(zhì)制備

實驗材料為鍍鋅鋼，主要含鋅(Zn)98.96 wt.%和含鐵(Fe)1.04 wt.%，試驗時采用切割機(jī)床切取數(shù)片30 mm×30 mm×2 mm 的鍍鋅鋼鋼片，然后用砂紙將鍍鋅鋼鋼片打磨、拋光[13]，并采用環(huán)氧樹脂涂抹鋼片的邊緣和背面，接著分別用丙酮清和離子水洗鋼片，最后將制成的試樣放入干燥箱中備用。

腐蝕介質(zhì)采用NaCl 和NaHSO3混合溶液，6種配比方案如表1 所示。

表1 腐蝕介質(zhì)溶液配比方案Table 1 Corrosive media solution proportioning scheme

1.2 實驗過程

采用干濕交替法[14,15]研究金屬構(gòu)件腐蝕過程，首先采用電子天平稱取試驗的初始重量，記錄為m0；然后吸取腐蝕介質(zhì)40μL/cm2均勻鋪展到樣品暴露面，并將試樣夾入試驗箱，保持溫度(25℃)和相對濕度(60%)恒定，12h 后取出稱重；最后在試樣表面均勻鋪展等量的蒸餾水后放入試驗箱，該過程為干濕交替1 次循環(huán)。

2 結(jié)果分析

2.1 鍍鋅鋼腐蝕增重變化分析

模擬海洋工業(yè)大氣環(huán)境下的鍍鋅鋼腐蝕增重變化曲線如圖1 所示，經(jīng)過不同的腐蝕介質(zhì)溶液處理后，鍍鋅鋼試樣的腐蝕增重均隨著干濕交替循環(huán)次數(shù)的增大而增大；腐蝕介質(zhì)溶液的HSO3-具有腐蝕鍍鋅鋼的作用，Cl-濃度的增加，會加劇鍍鋅鋼的腐蝕程度。

圖1 鍍鋅鋼試樣腐蝕增重變化曲線Fig.1Corrosion weight gain curve for galvanized steel specimens

2.2 腐蝕過程的階段劃分

預(yù)測任意時刻金屬構(gòu)件的腐蝕增重有利于探究金屬腐蝕規(guī)律，預(yù)測公式一般為[16,17]：

式中Δm為單位面積試樣的腐蝕增重，mg/cm2；A為第一次完成干濕交替時的腐蝕增重，mg/cm2；N為干濕交替的次數(shù)；k為常數(shù)，可反應(yīng)金屬腐蝕速度[8]，k>1，表示腐蝕加速過程，k=1 表示腐蝕速率為常數(shù)，k<1 表示腐蝕減速過程。根據(jù)公式(1)，擬合結(jié)果如表2，R2均大于0.94，表明公式(1)能較好預(yù)測試樣的腐蝕增重。

表2 不同腐蝕介質(zhì)下的腐蝕增重擬合方程Table 2 Fitting equations for corrosion weight gain in different corrosive media

由圖1 可知，腐蝕初期試樣腐蝕增重非常小，而在腐蝕后期，試樣的腐蝕速度明顯增快，這表明k存在多值。因此，直接采用公式(1)不能準(zhǔn)確描述鍍鋅鋼的腐蝕過程。為解決這一問題，將公式(1)兩邊取對數(shù)：

根據(jù)公式(2)得出試樣的腐蝕增重雙對數(shù)圖如圖2。

圖2 鍍鋅鋼試樣腐蝕增重的雙對數(shù)擬合曲線Fig.2Double logarithmic fitting curve for corrosion weight gain of galvanized steel specimens

由圖2 可知，鍍鋅鋼腐蝕增重的log(Δm)-logN數(shù)據(jù)可分段擬合3 條曲線，不同擬合曲線的分段斜率如表3 所示。

表3 擬合方程的斜率Table 3Slope of the fitted equations

l1、l2、l3曲線斜率不同，表明試樣的腐蝕過程具有初期、中期和后期三個階段。同一組實驗斜率大小均呈現(xiàn)：k3＞k1＞k2，這是因為在腐蝕初期，經(jīng)過拋光處理的試樣表面較平整，致密性較好，在該階段鍍鋅鋼表層的Zn 與O2、Cl-、HSO3-等分子接觸，腐蝕增重較小；而后隨著干濕交替次數(shù)增加，鍍鋅鋼表面逐漸產(chǎn)生了一層含有ZnCl2、ZnO、Zn(OH)2、Zn5(OH)8Cl2等成分的銹層[14,18]，該銹層疏水性較強(qiáng)，具有一定致密性，可對鍍鋅鋼的基體起保護(hù)作用，因而試樣的腐蝕速度減緩，擬合曲線的斜率從k2減至k1；在腐蝕后期，因HSO3-的酸性會破壞Zn(OH)2形成孔洞，在干濕交替作用下，干燥處理又會使銹層產(chǎn)生局部裂隙，所以隨著N的增大，鍍鋅鋼在具有較強(qiáng)透性的Cl-作用下進(jìn)一步被腐蝕，擬合曲線的斜率從k2增加至k3，該階段主要是碳鋼基體的腐蝕。另外，在腐蝕同一階段中，不同實驗組的k值不同，表明不同濃度的腐蝕介質(zhì)具有不同的腐蝕能力，但是k 值隨著溶液中Cl-濃度的增加沒有明顯的規(guī)律，這可能是因為k值只能定性表征金屬構(gòu)件的腐蝕速度。

2.3 平均腐蝕速度

圖3 為試樣腐蝕的階段轉(zhuǎn)變所需N值。從圖3 可以發(fā)現(xiàn)，隨著Cl-濃度的增大，試樣從腐蝕初期進(jìn)入腐蝕中期、從腐蝕中期進(jìn)入腐蝕后期所需的N值逐漸減少，說明Cl-濃度的增大可減少干濕交替循環(huán)次數(shù)，即增大Cl-濃度可縮短試樣進(jìn)入下一腐蝕階段的時間。

圖3 鍍鋅鋼試樣腐蝕的階段變化所需N 值Fig.3 N values required for stage change in corrosion of galvanized steel specimens

根據(jù)表3，發(fā)現(xiàn)在腐蝕初期和中期的k值均小于1，可認(rèn)為在鍍鋅鋼在腐蝕初期和中期試樣處于腐蝕減速狀態(tài)，但是在腐蝕后期由于k值大于1，試樣則處于腐蝕加速狀態(tài)。為定量研究鍍鋅鋼的腐蝕快慢程度，定義階段平均腐蝕速度[19]：

式中：階段平均腐蝕速度（mg·cm-2/次），Δmi是階段i(i=1, 2, 3) 末期的腐蝕樣品重量(mg·cm-2)，ΔNi是階段i經(jīng)歷的干濕交替次數(shù)。由式(3)得出的試樣腐蝕的階段平均速度如圖4。

圖4 鍍鋅鋼試樣腐蝕的階段平均速度Fig.4 Stage average rate of corrosion of galvanized steel specimens

在圖4 中，隨著Cl-濃度的增大，各個階段的平均腐蝕速度的趨勢不同。階段1 的平均腐蝕速度隨著Cl-濃度的增大先增大后減小，階段2 的平均腐蝕速度處于較小水平，比階段1 更為波動，這可能是銹層反復(fù)被破裂和有新銹層生成有關(guān)[20]，但是階段2 總體呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。階段3 的平均腐蝕速度隨著Cl-濃度的增大而增大，這表明Cl-濃度的增大對鍍鋅鋼腐蝕后期的影響更大。與僅含有HSO3-(1#)的腐蝕介質(zhì)對比，隨著腐蝕時間的增加和Cl-濃度的增大，同時含有Cl-和HS的腐蝕介質(zhì)溶液的腐蝕能力更強(qiáng)。

3 結(jié)論

(1)通過探究輸變電電塔鋼構(gòu)件在25 ℃、6種不同濃度的腐蝕介質(zhì)中干濕交替循環(huán)的腐蝕行為，得出鍍鋅鋼試樣的腐蝕增重均隨著干濕交替循環(huán)次數(shù)的增大而增大，變化規(guī)律符合冪指數(shù)方程。

(2)通過研究log(Δm)-logN圖，發(fā)現(xiàn)鍍鋅鋼試樣的腐蝕過程可以劃分為腐蝕初期、腐蝕中期和腐蝕后期，鍍鋅鋼的腐蝕初期、中期處于腐蝕減速狀態(tài)，腐蝕后期處于腐蝕加速狀態(tài)。

(3)定義了海洋-工業(yè)大氣環(huán)境中鍍鋅鋼腐蝕階段的平均腐蝕速度，發(fā)現(xiàn)階段1 和階段2 的平均腐蝕速度隨著Cl-濃度的增大先增大后減小，階段3 的平均腐蝕速度隨著Cl-濃度的增大而增大，Cl-濃度的增大可縮短試樣進(jìn)入下一腐蝕階段的時間，含有Cl-和HSO3-的腐蝕介質(zhì)溶液的腐蝕能力更強(qiáng)。