沿海工业区域输变电电塔钢构件的腐蚀行为研究

柴 滨

（国华瑞丰（东营河口）风力发电有限公司，东营，257000）

0 引言

输变电电塔安全是维持输变电电力系统持续稳定运行的重要保证[1]。然而，在电塔服役过程中，大气腐蚀常常会使金属构件失效[2-4]，尤其是沿海工业区，输变电电塔常年处于含有工业气体（SO2、CO2、NxOy等）和海洋水气的大气环境中，其金属构件更容易被腐蚀。因此，金属构件大气腐蚀是制约沿海工业区输变电系统建设的重大难题[5, 6]。

镀锌钢是输变电电塔常用的一种钢材，在普通大气下具有良好的防腐蚀性能，而沿海工业区大气含有许多腐蚀介质，Fuente 等[7]研究发现，比起农村、城市，低碳钢长期处于工业和海洋大气环境中更容易被腐蚀，金属腐蚀速率与海岸垂距具有指数关系；Allam[8]，Chen[9]，Gong[10]等认为Cl-、HSO3-的存在是沿海-工业大气中金属腐蚀的主要原因；陈云等[11]认为沿海大气含有的Cl-、SO2、NO2等通常会促使输变电电塔金属构件发生局部或整体锈蚀；张丹丹等[12]采用含有Cl-的酸性腐蚀介质研究了海洋气溶胶环境中的Q345 钢腐蚀行为；孟晓波等[13]配比不同NaHSO3溶液研究了输电杆塔架基本材料的腐蚀行为，认为镀锌钢比Q235 和Q345 钢更能抵抗SO2的腐蚀作用。以上研究主要考虑了Cl-或SO2对金属的腐蚀作用，而沿海工业区大气中包含Cl-、SO2，二者共存条件下镀锌钢腐蚀过程的研究还比较少。

通常而言，将实验样品暴露于户外可直接得到镀锌钢的腐蚀过程，但是实验周期较长，大气影响因素多，实验结果偶然性较大。为避免这些问题，通常采用干湿循环方法开展实验[14,15]，该方法可缩短实验周期，更有利于因素分析。因此本文围绕沿海工业区大气的混合腐蚀介质可能会进一步加速服役电力设备金属失效的问题，以某沿海工业区为背景，配比了6 种不同的腐蚀介质，采用干湿循环方法，通过分析镀锌钢腐蚀增重质量，研究了输变电电塔金属构件的腐蚀规律。

1 实验试样与方法

1.1 试样及腐蚀介质制备

实验材料为镀锌钢，主要含锌(Zn)98.96 wt.%和含铁(Fe)1.04 wt.%，试验时采用切割机床切取数片30 mm×30 mm×2 mm 的镀锌钢钢片，然后用砂纸将镀锌钢钢片打磨、抛光[13]，并采用环氧树脂涂抹钢片的边缘和背面，接着分别用丙酮清和离子水洗钢片，最后将制成的试样放入干燥箱中备用。

腐蚀介质采用NaCl 和NaHSO3混合溶液，6种配比方案如表1 所示。

表1 腐蚀介质溶液配比方案Table 1 Corrosive media solution proportioning scheme

1.2 实验过程

采用干湿交替法[14,15]研究金属构件腐蚀过程，首先采用电子天平称取试验的初始重量，记录为m0；然后吸取腐蚀介质40μL/cm2均匀铺展到样品暴露面，并将试样夹入试验箱，保持温度(25℃)和相对湿度(60%)恒定，12h 后取出称重；最后在试样表面均匀铺展等量的蒸馏水后放入试验箱，该过程为干湿交替1 次循环。

2 结果分析

2.1 镀锌钢腐蚀增重变化分析

模拟海洋工业大气环境下的镀锌钢腐蚀增重变化曲线如图1 所示，经过不同的腐蚀介质溶液处理后，镀锌钢试样的腐蚀增重均随着干湿交替循环次数的增大而增大；腐蚀介质溶液的HSO3-具有腐蚀镀锌钢的作用，Cl-浓度的增加，会加剧镀锌钢的腐蚀程度。

图1 镀锌钢试样腐蚀增重变化曲线Fig.1Corrosion weight gain curve for galvanized steel specimens

2.2 腐蚀过程的阶段划分

预测任意时刻金属构件的腐蚀增重有利于探究金属腐蚀规律，预测公式一般为[16,17]：

式中Δm为单位面积试样的腐蚀增重，mg/cm2；A为第一次完成干湿交替时的腐蚀增重，mg/cm2；N为干湿交替的次数；k为常数，可反应金属腐蚀速度[8]，k>1，表示腐蚀加速过程，k=1 表示腐蚀速率为常数，k<1 表示腐蚀减速过程。根据公式(1)，拟合结果如表2，R2均大于0.94，表明公式(1)能较好预测试样的腐蚀增重。

表2 不同腐蚀介质下的腐蚀增重拟合方程Table 2 Fitting equations for corrosion weight gain in different corrosive media

由图1 可知，腐蚀初期试样腐蚀增重非常小，而在腐蚀后期，试样的腐蚀速度明显增快，这表明k存在多值。因此，直接采用公式(1)不能准确描述镀锌钢的腐蚀过程。为解决这一问题，将公式(1)两边取对数：

根据公式(2)得出试样的腐蚀增重双对数图如图2。

图2 镀锌钢试样腐蚀增重的双对数拟合曲线Fig.2Double logarithmic fitting curve for corrosion weight gain of galvanized steel specimens

由图2 可知，镀锌钢腐蚀增重的log(Δm)-logN数据可分段拟合3 条曲线，不同拟合曲线的分段斜率如表3 所示。

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

l1、l2、l3曲线斜率不同，表明试样的腐蚀过程具有初期、中期和后期三个阶段。同一组实验斜率大小均呈现：k3＞k1＞k2，这是因为在腐蚀初期，经过抛光处理的试样表面较平整，致密性较好，在该阶段镀锌钢表层的Zn 与O2、Cl-、HSO3-等分子接触，腐蚀增重较小；而后随着干湿交替次数增加，镀锌钢表面逐渐产生了一层含有ZnCl2、ZnO、Zn(OH)2、Zn5(OH)8Cl2等成分的锈层[14,18]，该锈层疏水性较强，具有一定致密性，可对镀锌钢的基体起保护作用，因而试样的腐蚀速度减缓，拟合曲线的斜率从k2减至k1；在腐蚀后期，因HSO3-的酸性会破坏Zn(OH)2形成孔洞，在干湿交替作用下，干燥处理又会使锈层产生局部裂隙，所以随着N的增大，镀锌钢在具有较强透性的Cl-作用下进一步被腐蚀，拟合曲线的斜率从k2增加至k3，该阶段主要是碳钢基体的腐蚀。另外，在腐蚀同一阶段中，不同实验组的k值不同，表明不同浓度的腐蚀介质具有不同的腐蚀能力，但是k 值随着溶液中Cl-浓度的增加没有明显的规律，这可能是因为k值只能定性表征金属构件的腐蚀速度。

2.3 平均腐蚀速度

图3 为试样腐蚀的阶段转变所需N值。从图3 可以发现，随着Cl-浓度的增大，试样从腐蚀初期进入腐蚀中期、从腐蚀中期进入腐蚀后期所需的N值逐渐减少，说明Cl-浓度的增大可减少干湿交替循环次数，即增大Cl-浓度可缩短试样进入下一腐蚀阶段的时间。

图3 镀锌钢试样腐蚀的阶段变化所需N 值Fig.3 N values required for stage change in corrosion of galvanized steel specimens

根据表3，发现在腐蚀初期和中期的k值均小于1，可认为在镀锌钢在腐蚀初期和中期试样处于腐蚀减速状态，但是在腐蚀后期由于k值大于1，试样则处于腐蚀加速状态。为定量研究镀锌钢的腐蚀快慢程度，定义阶段平均腐蚀速度[19]：

式中：阶段平均腐蚀速度（mg·cm-2/次），Δmi是阶段i(i=1, 2, 3) 末期的腐蚀样品重量(mg·cm-2)，ΔNi是阶段i经历的干湿交替次数。由式(3)得出的试样腐蚀的阶段平均速度如图4。

图4 镀锌钢试样腐蚀的阶段平均速度Fig.4 Stage average rate of corrosion of galvanized steel specimens

在图4 中，随着Cl-浓度的增大，各个阶段的平均腐蚀速度的趋势不同。阶段1 的平均腐蚀速度随着Cl-浓度的增大先增大后减小，阶段2 的平均腐蚀速度处于较小水平，比阶段1 更为波动，这可能是锈层反复被破裂和有新锈层生成有关[20]，但是阶段2 总体呈现出先增加后减小的趋势。阶段3 的平均腐蚀速度随着Cl-浓度的增大而增大，这表明Cl-浓度的增大对镀锌钢腐蚀后期的影响更大。与仅含有HSO3-(1#)的腐蚀介质对比，随着腐蚀时间的增加和Cl-浓度的增大，同时含有Cl-和HS的腐蚀介质溶液的腐蚀能力更强。

3 结论

(1)通过探究输变电电塔钢构件在25 ℃、6种不同浓度的腐蚀介质中干湿交替循环的腐蚀行为，得出镀锌钢试样的腐蚀增重均随着干湿交替循环次数的增大而增大，变化规律符合幂指数方程。

(2)通过研究log(Δm)-logN图，发现镀锌钢试样的腐蚀过程可以划分为腐蚀初期、腐蚀中期和腐蚀后期，镀锌钢的腐蚀初期、中期处于腐蚀减速状态，腐蚀后期处于腐蚀加速状态。

(3)定义了海洋-工业大气环境中镀锌钢腐蚀阶段的平均腐蚀速度，发现阶段1 和阶段2 的平均腐蚀速度随着Cl-浓度的增大先增大后减小，阶段3 的平均腐蚀速度随着Cl-浓度的增大而增大，Cl-浓度的增大可缩短试样进入下一腐蚀阶段的时间，含有Cl-和HSO3-的腐蚀介质溶液的腐蚀能力更强。