強(qiáng)腐蝕環(huán)境下輸電桿塔塔材腐蝕及壽命預(yù)測(cè)研究進(jìn)展

李 航，李新梅，楊現(xiàn)臣，王曉輝，商 利

（新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047）

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，承載著輸送電能的特高壓輸電工程快速發(fā)展。根據(jù)國家電網(wǎng)有限公司2020年社會(huì)責(zé)任報(bào)告，國家電網(wǎng)已累計(jì)建成投運(yùn)“十四交十二直”特高壓輸電工程，在運(yùn)在建線路總長度達(dá)4.1 萬公里。輸電桿塔作為特高壓輸電工程的主體結(jié)構(gòu)，塔材以碳鋼、鍍鋅鋼、耐候鋼等金屬材料為主［1-2］，長期服役于苛刻的野外環(huán)境，穿過的大氣環(huán)境多種多樣，諸如鄉(xiāng)村大氣、城市大氣、工業(yè)大氣、海洋大氣等［3］，極易受到各類腐蝕介質(zhì)作用使輸電桿塔發(fā)生銹蝕，如遭遇極端天氣，輸電桿塔極易發(fā)生倒塌［4］。同時(shí)有學(xué)者注意到，隨著沿海城市工業(yè)化的迅速發(fā)展，一些沿海地區(qū)受到SO2腐蝕影響越來越嚴(yán)重，因而這些地區(qū)形成了既含有氯化物又含有SO2的海洋—工業(yè)大氣，這給輸電桿塔安全性帶來了更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。高巖等［5］通過在廣東地區(qū)掛片腐蝕試驗(yàn)驗(yàn)證了重工業(yè)、海洋—輕工業(yè)復(fù)合和海洋大氣環(huán)境相比鄉(xiāng)村、特大和中型城市掛片腐蝕更嚴(yán)重。因此，充分認(rèn)識(shí)強(qiáng)腐蝕大氣環(huán)境下不同輸電桿塔塔材的腐蝕行為和腐蝕差異性，對(duì)于塔材防腐蝕設(shè)計(jì)、定期維護(hù)和壽命預(yù)測(cè)非常重要。本文就主要大氣污染物腐蝕影響機(jī)制、強(qiáng)腐蝕環(huán)境下不同輸電桿塔塔材的大氣腐蝕行為以及相關(guān)性分析、壽命預(yù)測(cè)方法進(jìn)行總結(jié)分析，以期為輸電桿塔選址、選材及維護(hù)提供參考。

1 大氣污染物腐蝕影響機(jī)制

1.1 氯化物

海水中的主要組成是氯化物鹽類，氯化物鹽類沉積在金屬表面會(huì)加速金屬的腐蝕。Yamashita等［6］在探究海洋大氣環(huán)境下鋼鐵銹層的主要組成時(shí)發(fā)現(xiàn)，銹層的組成主要是α-FeOOH、γ-FeOOH 和Fe3O4，在高濃度氯化物地區(qū)還會(huì)出現(xiàn)β-FeOOH。Morales等［7］認(rèn)為在低Cl-沉積量的條件下，Cl-可促進(jìn)γ-FeOOH 向α-FeOOH 的轉(zhuǎn)化，有利于降低鋼的腐蝕速率，干濕循環(huán)會(huì)加速這些轉(zhuǎn)化過程，尤其是在干循環(huán)中HCl 釋放到環(huán)境中。Ma 等［8］認(rèn)為在高Cl-沉積量的條件下，Cl-的存在有利于β-FeOOH 的形成，降低了低碳鋼的耐大氣性能。Stratmann 等［9］也認(rèn)為，在富含Cl-的環(huán)境中，腐蝕過程主要由β-FeOOH 主導(dǎo)，而不是γ-FeOOH，γ-FeOOH 在無Cl-環(huán)境中是加速腐蝕的氧化劑。碳鋼高Cl-沉積量的條件下的腐蝕機(jī)理如圖1所示，其反應(yīng)式可表示為：

圖1 碳鋼在Cl-沉積條件下腐蝕機(jī)理Fig.1 Corrosion mechanism of carbon steel under Cl- deposition

此外，Askey 等［10］提出一個(gè)循環(huán)生銹模型，在金屬水性附著層或銹跡嚴(yán)重區(qū)域，高Cl-濃度會(huì)導(dǎo)致FeCl2的形成，F(xiàn)eCl2會(huì)發(fā)生如下水解反應(yīng)：

這是一個(gè)循環(huán)反應(yīng)，重新釋放的HCl 將與鐵反應(yīng)重新生成FeCl2，電解液酸性也會(huì)被提高，陰極過程被加快。同時(shí)，金屬陽離子和氫離子的電荷需要被中和，這會(huì)使Cl-濃度增加，加速了金屬的腐蝕，且這種腐蝕過程將一直持續(xù)到Cl-被去除。

1.2 二氧化硫

SO2分子極性極強(qiáng)且極易溶于水（SO2在水中的溶解度是氧氣的2600 倍），因此易溶于金屬表面的電解液薄膜中，加快金屬的腐蝕速率［11］。Rozenfeld表明SO2是一種活性陰極去極化劑，會(huì)極大加速陰極過程［12］。Alcantara 等［13］也表明當(dāng)SO2濃度超過0.1 mg/m3時(shí)，對(duì)鋼鐵的侵蝕性更強(qiáng)。對(duì)于非鐵金屬，SO2最終會(huì)被消耗在腐蝕反應(yīng)過程中。而對(duì)于鋼鐵來說，SO2參與的是一個(gè)自催化反應(yīng)（“酸的再生循環(huán)機(jī)制”），F(xiàn)eSO4持續(xù)參與電化學(xué)反應(yīng)，循環(huán)往復(fù)造成鋼鐵源源不斷被腐蝕，這是SO2對(duì)鋼鐵腐蝕速率產(chǎn)生很大影響的主要原因，其腐蝕機(jī)理如圖2，反應(yīng)式可以表示為：

圖2 碳鋼在SO2大氣環(huán)境下腐蝕機(jī)理Fig.2 Corrosion mechanism of carbon steel in SO2 atmosphere

2 強(qiáng)腐蝕環(huán)境下塔材大氣腐蝕行為研究

2.1 海洋大氣環(huán)境

海洋大氣環(huán)境下一般具有高溫、高濕、強(qiáng)輻射、多鹽等多因素耦合的特點(diǎn)，因此其腐蝕機(jī)理較為復(fù)雜［14］。氯化物是海洋大氣中最顯著污染物之一，氯化物濃度往往決定了輸電桿塔塔材的腐蝕速度。在氯化物沉積率相對(duì)較低的海洋大氣中，輸電桿塔塔材表面會(huì)形成堅(jiān)固的銹層，可以抑制腐蝕性物質(zhì)對(duì)下層鋼材的腐蝕［15］。而在氯化物沉積率相對(duì)較高的海洋大氣中，鋼的腐蝕速率隨著NaCl濃度增加而增加，高Cl-導(dǎo)致基體/銹層界面之間的腐蝕產(chǎn)物呈強(qiáng)磁性，無法形成致密穩(wěn)定的銹層，輸電桿塔塔材往往遭受嚴(yán)重腐蝕破壞［16-17］。

海洋大氣環(huán)境下不同的輸電桿塔塔材往往表現(xiàn)出不同的腐蝕演化規(guī)律。對(duì)于碳鋼而言，潘剛等［18］提出碳鋼腐蝕前期銹層疏松多孔，Cl-、O2等腐蝕性介質(zhì)易進(jìn)入銹層和基體結(jié)合面，導(dǎo)致腐蝕速率較大，腐蝕后期銹層變厚，腐蝕速率逐漸較?。欢愇木甑龋?9］認(rèn)為碳鋼在經(jīng)歷中期腐蝕速率下降后，在后期腐蝕速率會(huì)有所提高。造成這樣差異可能是試驗(yàn)環(huán)境、腐蝕周期存在較大差異。對(duì)于鍍鋅鋼而言，蔣武斌等［20］對(duì)比了幾種輸電桿塔材料腐蝕行為差異，發(fā)現(xiàn)鍍鋅鋼速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于碳鋼，是由于表面鍍鋅層隔絕了腐蝕性介質(zhì)與基體的直接接觸，表1 給出了海洋大氣環(huán)境下碳鋼和鍍鋅鋼暴露三個(gè)月后腐蝕速率對(duì)比。但李文瀚等［21］提出高溫高濕的海洋大氣環(huán)境下，Cl-從鍍層缺陷處進(jìn)入與材料反應(yīng)形成局部活化區(qū)，加速了鍍鋅層腐蝕，其反應(yīng)式如下：

表1 海洋大氣環(huán)境下碳鋼和鍍鋅鋼暴露3個(gè)月后腐蝕速率對(duì)比Tab.1 Comparison of corrosion rates of carbon steel and galvanized steel after exposure in marine atmospheric environment for 3 months

對(duì)于耐候鋼而言，劉雨薇等［22］提出合金元素富集提升了耐候鋼表面氧化層的致密性，減緩了Cl-的穿透作用，阻礙了氧氣和水進(jìn)入基材與銹層的結(jié)合處，并促進(jìn)了Fe3O4的生成，降低了電化學(xué)反應(yīng)速率。相比較于碳鋼和鍍鋅鋼，“以銹防銹”的耐候鋼具有耐蝕性強(qiáng)、后期維護(hù)成本低等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化現(xiàn)有合金元素搭配，研制出海洋大氣環(huán)境下耐蝕性更強(qiáng)的耐候鋼。

2.2 工業(yè)大氣環(huán)境

工業(yè)大氣環(huán)境下不同的輸電桿塔塔材往往也表現(xiàn)出不同的腐蝕演化規(guī)律。對(duì)碳鋼而言，孟曉波等［23］對(duì)碳鋼進(jìn)行了多種濃度下的噴霧試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)碳鋼的腐蝕失重隨噴霧濃度的增加呈線性變化規(guī)律，高濃度（0.03 mol/L）噴霧有利于α-FeOOH 形成，提高了銹層的致密性。

圖3 為工業(yè)大氣環(huán)境下鍍鋅鋼、碳鋼加速腐蝕96 h 后微觀形貌。相比碳鋼，鍍鋅鋼耐腐蝕性明顯更優(yōu)。陳翠等［24］采用循環(huán)鹽霧試驗(yàn)?zāi)M工業(yè)大氣環(huán)境，探究鍍鋅鋼的腐蝕行為和腐蝕機(jī)理，發(fā)現(xiàn)腐蝕速率先減速再加速，試驗(yàn)后期出現(xiàn)紅銹和密集的點(diǎn)蝕坑，熱浸鍍鋅很快失效；此外，車淳山等［25］提出，相比熱浸鍍鋅，熱浸鍍鋁具有更優(yōu)異的耐工業(yè)大氣腐蝕性能。對(duì)于耐候鋼而言，張幸等［26］提出，相比傳統(tǒng)碳鋼而言，耐候鋼的耐工業(yè)大氣腐蝕性能要更好；同時(shí)，降低S、P 含量，增加Cu、Ni、Cr 含量可以顯著改善耐候鋼的耐工業(yè)大氣腐蝕性能。張琳等［27］也在對(duì)耐候鋼進(jìn)行室內(nèi)加速腐蝕研究中獲得了同樣的發(fā)現(xiàn)。因此，繼續(xù)開展耐工業(yè)大氣腐蝕性能鍍層和耐候鋼的研究，是提升服役于工業(yè)大氣環(huán)境輸電桿塔塔材耐蝕性的發(fā)展方向。

圖3 工業(yè)大氣環(huán)境下鍍鋅鋼和碳鋼加速腐蝕96 h 后的微觀形貌Fig.3 Microstructure of galvanized steel and carbon steel after 96 h accelerated corrosion under industrial atmospheric environment

2.3 海洋—工業(yè)大氣環(huán)境

隨著我國沿海地區(qū)工業(yè)化快速發(fā)展，部分地區(qū)變成了由兩種主要污染物同時(shí)存在的海洋—工業(yè)大氣環(huán)境［28］。大量研究表明，這種海洋—工業(yè)大氣比單一的海洋大氣或工業(yè)大氣對(duì)輸電桿塔塔材的腐蝕更加劇烈。對(duì)于碳鋼而言，郭明曉等［29］通過室內(nèi)加速試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，SO2和Cl-的協(xié)同效應(yīng)會(huì)加速碳鋼的腐蝕，二者比例的變化對(duì)碳鋼腐蝕失重以及腐蝕產(chǎn)物組成沒有明顯改變。針對(duì)鍍鋅鋼，原徐杰等［30］也通過試驗(yàn)研究表明，NaCl 和NaHSO3混合介質(zhì)對(duì)鍍鋅鋼腐蝕產(chǎn)生了協(xié)同作用，要比單獨(dú)NaCl 存在時(shí)嚴(yán)重。此外，李波等［31］發(fā)現(xiàn)，隨著Cl-濃度的增大，Cl-和SO2對(duì)鍍鋅鋼的協(xié)同腐蝕作用增強(qiáng)，對(duì)鍍鋅鋼的腐蝕更加嚴(yán)重。對(duì)耐候鋼而言，孟曉波等［32］對(duì)比了碳鋼、鍍鋅鋼和耐候鋼在海洋工業(yè)大氣環(huán)境下的耐蝕性，發(fā)現(xiàn)腐蝕后期SQ420NH 耐候鋼表現(xiàn)出耐候特點(diǎn)，但在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)鍍鋅鋼腐蝕速率最低，這可能與試驗(yàn)周期較短，鍍鋅層尚未被完全腐蝕有關(guān)。

關(guān)于SO2氣體對(duì)含有Cl-大氣環(huán)境的影響，Chen等［33］模擬了SO2對(duì)海洋—工業(yè)大氣下低合金鋼腐蝕的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在腐蝕初期，SO2對(duì)鋼的腐蝕劣化作用不明顯，隨著腐蝕過程的增加，SO2開始加速鋼的腐蝕。并且隨著SO2含量的增加，鋼的腐蝕增重率先增加到一定程度，然后隨著SO2含量的進(jìn)一步增加而減?。煌瑯?，Allam 等［34］研究了碳鋼在阿拉伯海灣表面腐蝕產(chǎn)物的演化過程，也發(fā)現(xiàn)了同樣的規(guī)律。而梁彩鳳等［35-36］通過大氣暴露腐蝕的研究，認(rèn)為SO2對(duì)鋼在大氣環(huán)境中的腐蝕行為的影響主要表現(xiàn)在腐蝕初期的階段，而對(duì)腐蝕后期的作用不是十分明顯，腐蝕后期Cl-起主導(dǎo)作用。造成這樣研究結(jié)果矛盾的原因可能有：（1）試驗(yàn)方法、試驗(yàn)條件存在較大的差異；（2）亦可能是實(shí)驗(yàn)組數(shù)較少，試驗(yàn)結(jié)果具有偶然性。從以上相關(guān)研究結(jié)果來看，大氣腐蝕過程的初始階段SO2對(duì)Cl-的影響以及隨著暴露時(shí)間延長對(duì)鋼材腐蝕總量的影響仍然存在相當(dāng)大的爭議。因此，需要在這個(gè)方面加大研究力度。

2.4 不同強(qiáng)腐蝕環(huán)境對(duì)塔材影響情況

同等氣候條件或試驗(yàn)條件下，不同強(qiáng)腐蝕環(huán)境對(duì)同一輸電桿塔塔材腐蝕情況存在較大差異性。表2 以輸電桿塔常用塔材碳鋼為例［37］，從影響因素、影響機(jī)制、腐蝕失重、銹層形貌等方面對(duì)比歸納了不同強(qiáng)腐蝕環(huán)境對(duì)碳鋼腐蝕影響情況的差異性。

表2 不同強(qiáng)腐蝕環(huán)境對(duì)碳鋼腐蝕影響差異Tab.2 Influence of different strong corrosion environments on carbon steel corrosion

3 相關(guān)性分析及壽命預(yù)測(cè)

3.1 相關(guān)性分析

大氣腐蝕研究方法包括了室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)和室外暴曬試驗(yàn)，但二者不能簡單的進(jìn)行相互代替，因此對(duì)于兩者的相關(guān)性研究成為當(dāng)前和今后研究的重點(diǎn)問題。相關(guān)性分析方法包括了圖表法、腐蝕機(jī)理對(duì)比、回歸分析、秩相關(guān)系數(shù)法等［38］，部分相關(guān)性分析模型優(yōu)缺點(diǎn)如表3 所示。周經(jīng)中等［39］通過對(duì)比輸電桿塔用鍍鋅鋼在室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)和室外暴曬試驗(yàn)后的腐蝕試樣，從腐蝕形貌、腐蝕產(chǎn)物、腐蝕機(jī)理、腐蝕動(dòng)力學(xué)等多角度進(jìn)行了相關(guān)性分析，并提出室內(nèi)中性鹽霧+周浸加速試驗(yàn)具有良好的加速性。范嘉雯等［40］采用周浸加速腐蝕試驗(yàn)研究了純鋅在模擬熱帶海洋大氣環(huán)境下腐蝕行為，并通過灰色關(guān)聯(lián)分析方法發(fā)現(xiàn)周浸加速腐蝕試驗(yàn)具有很好的加速性和相關(guān)性。王振堯等［41］對(duì)沈陽地區(qū)碳鋼和低合金鋼的腐蝕結(jié)果進(jìn)行了回歸分析，得到了腐蝕規(guī)律公式ΔW=Ktn，從而得到了室外暴曬試驗(yàn)和室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)達(dá)到相同腐蝕量所需要的時(shí)間。

表3 相關(guān)性分析及壽命預(yù)測(cè)模型Tab.3 Correlation analysis and life prediction model

大氣腐蝕試驗(yàn)可能會(huì)受到試驗(yàn)條件、大氣成分等眾多因素影響，這阻礙了相關(guān)性研究進(jìn)一步的推廣和發(fā)展。對(duì)此James 提出［42］：若只是對(duì)材料耐蝕性進(jìn)行評(píng)估，則不必充分模擬室外大氣環(huán)境，但需保證試驗(yàn)重現(xiàn)性和加速性，如單一鹽霧試驗(yàn)、周浸試驗(yàn)等；若要以相關(guān)性分析、壽命評(píng)估為研究目的，則要充分模擬室外大氣環(huán)境，設(shè)計(jì)盡可能完備的多因素耦合試驗(yàn)，如：楊曉然等［43］設(shè)計(jì)了一種能夠同時(shí)模擬鹽霧、濕度、溫度、光照和風(fēng)速共5 種因素綜合海洋氣候的加速試驗(yàn)箱，經(jīng)過技術(shù)評(píng)價(jià)測(cè)試，該試驗(yàn)箱模擬結(jié)果具備良好的相關(guān)性和加速性；徐迪等［44］提出在周期噴霧試驗(yàn)機(jī)基礎(chǔ)上增加鹽水浸漬、低溫等系統(tǒng)，可以較好地模擬典型地區(qū)金屬材料的大氣腐蝕行為。

3.2 壽命預(yù)測(cè)

現(xiàn)階段，材料設(shè)計(jì)和材料評(píng)估皆通過腐蝕試驗(yàn)，如何通過短期腐蝕試驗(yàn)預(yù)測(cè)材料長期服役壽命，這對(duì)于輸電桿塔塔材選擇和定期維護(hù)具有重要意義。當(dāng)前，壽命預(yù)測(cè)方法包括：解析法、灰色系統(tǒng)理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，部分腐蝕壽命預(yù)測(cè)模型的優(yōu)缺點(diǎn)在表3 中列出。尹程輝等［45］在模擬萬寧海洋大氣環(huán)境下對(duì)四種不銹鋼腐蝕行為進(jìn)行研究分析，灰色關(guān)聯(lián)度方法分析表明，室內(nèi)加速試驗(yàn)環(huán)境譜與萬寧戶外暴露試驗(yàn)符合腐蝕動(dòng)力學(xué)一致原則，建立了不銹鋼大氣腐蝕預(yù)測(cè)模型。蕭彧星等［46］基于貝葉斯正則化算法，建立了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，選取青島、廣州等數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)樣本，發(fā)現(xiàn)模型具備較好預(yù)測(cè)性。黃海軍等［47］利用武漢地區(qū)空氣污染物含量數(shù)據(jù)，選取二氧化硫和氯化物典型大氣腐蝕介質(zhì)，建立了不同維數(shù)的GM（1，1）預(yù)測(cè)模型，探討了不同維數(shù)對(duì)腐蝕預(yù)測(cè)精度的影響。

金屬材料腐蝕破壞是一個(gè)復(fù)雜長期的過程，腐蝕行為受到材料服役環(huán)境影響，不同地區(qū)的氣象條件可能千差萬別，這導(dǎo)致對(duì)材料在不同大氣環(huán)境下的腐蝕壽命預(yù)測(cè)研究工作一直是重點(diǎn)工作，同時(shí)又是難點(diǎn)工作。目前，腐蝕壽命預(yù)測(cè)分析方法在不斷發(fā)展和完善中，通過深化對(duì)灰色系統(tǒng)理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等非線性數(shù)學(xué)方法的研究，加強(qiáng)現(xiàn)有分析方法之間的深度融合，提高輸電桿塔服役壽命預(yù)測(cè)的精度和準(zhǔn)確性。

4 展 望

輸電桿塔塔材在強(qiáng)腐蝕大氣環(huán)境下的腐蝕研究工作雖已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但輸電桿塔服役環(huán)境復(fù)雜多變，大氣腐蝕影響因素眾多，腐蝕機(jī)理極其復(fù)雜，未來仍存在很多研究工作要做，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）開展輸電桿塔塔材在不同地區(qū)大氣環(huán)境下的腐蝕實(shí)驗(yàn)，特別是針對(duì)一些極端惡劣的大氣環(huán)境，充分獲取輸電桿塔大氣腐蝕相關(guān)信息，開發(fā)輸電桿塔腐蝕數(shù)據(jù)庫。根據(jù)掌握的輸電桿塔腐蝕信息，選擇適配性較好的材料，設(shè)計(jì)不同的防護(hù)體系和防護(hù)級(jí)別。

（2）開展更加貼合真實(shí)大氣環(huán)境下的輸電桿塔塔材室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)，特別是多因素耦合試驗(yàn)；充分利用當(dāng)前計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)，深入探究室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)和室外暴曬試驗(yàn)的相關(guān)性。

（3）目前，在材料壽命預(yù)測(cè)方面使用和研究較多的是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和灰色系統(tǒng)理論技術(shù)，需要繼續(xù)強(qiáng)化人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和灰色系統(tǒng)理論等非線性數(shù)學(xué)問題研究，并繼續(xù)深入發(fā)掘能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)輸電桿塔塔材在不同地區(qū)腐蝕速率的數(shù)學(xué)模型。

（4）研制高耐候、高耐蝕、低成本和綠色環(huán)保的涂層和涂料；開發(fā)具備低合金、高耐候、高強(qiáng)度等優(yōu)勢(shì)的鋼材。