分享：Q235钢在冀北地区的大气腐蚀行为

宋子博1,2,王智春1,2,王建国1,2,彭 波1,2,张传正1,2

(1. 华北电力科学研究院有限责任公司,北京100045;2.国网冀北电力有限公司电力科学研究院,北京100045)

摘 要:对 Q235钢在冀北地区(唐山市、秦皇岛市、廊坊市、承德市和张家口市)进行暴露1a的大气腐蚀试验,对比了 Q235钢在不同城市的腐蚀速率,研究了5个城市中心位置(安各庄、天马、霸州、隆城、万全)大气环境中的 Cl- 沉积率、SO2 含量及湿度对 Q235钢腐蚀速率的影响,并观察了腐蚀产物形貌。结果表明:Q235钢的腐蚀速率从东南方向至西北方向逐渐降低;Cl- 沉积率较低,对腐蚀速率的影响较小,SO2 含量对腐蚀速率的影响大于 Cl- 的,空气相对湿度的影响最大;Q235钢在安各 庄 站 的 腐 蚀 速 率 较 快,表 面 腐 蚀 产 物 主 要 为 对 基 体 保 护 作 用 较 小 的 片 状 γFeOOH,在霸州和天马站的腐蚀速率次之,腐蚀产物主要为团簇状α-FeOOH,在万全和隆城站的腐蚀速率较慢,表面腐蚀产物主要为棉絮状的α-FeOOH,对基体的保护作用较大。

关键词:大气腐蚀;Q235钢;腐蚀速率;冀北地区中图分类号:TG174.3 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)06-0046-06

0 引 言

随着我国经济建设速度的加快,电力杆塔、输变电设备数量激增。输变电设备是电力系统正常运行的重 要 保 障。在 沿 海 高 湿 高 温 地 区,输 变 电设备的腐蚀 较 为 频 繁,影 响 了 电 力 系 统 的 正 常 运行,其中大气腐蚀是一种主要的腐蚀方式,是影响输变电设备安全使用的重要因素[1]。现有关于输变电设备用 材 料 的 大 气 腐 蚀 研 究 还 不 健 全,相 关材料的耐腐蚀性能数据十分欠缺。输变电设备所46宋子博,等:Q235钢在冀北地区的大气腐蚀行为处环境存在地域性差异,如大气环境中的污染物、降雨量、温 度 等 差 异 较 大,且 防 腐 手 段 单 一,导 致设备在不同 地 区 的 腐 蚀 情 况 不 同,具 有 明 显 的 地域差异性。因 此,对 输 变 电 设 备 用 材 料 在 不 同 地区的大气腐 蚀 情 况 进 行 对 比 研 究,有 助 于 在 设 计阶段对输变 电 设 备 进 行 差 异 化 防 腐 蚀 设 计,这 对设备的安全运行具有重要意义。冀北地区承担北京冬奥会供、保电,首都供电安全以 及 国 家 风 光 储 输 示 范 工 程 等 重 要 战 略 任务。该地区 不 同 地 市 间 的 环 境 差 异 明 显,例 如 唐山市存在大量工业区,承德市以草原、山区地貌为主;此地区输 变 电 设 备 用 材 料 的 大 气 腐 蚀 情 况 数据欠缺,因此 有 必 要 对 输 变 电 设 备 用 材 料 在 冀 北地区不同地市的大气腐蚀情况进行对比研究。作者以 广 泛 应 用 在 输 变 电 设 备 和 线 路 杆 塔 中 的Q235碳素结构钢为研究对象,采用大气腐蚀现场试验的标准方法(暴露法),对 Q235碳素结构钢在冀北地区不同大气环境中的腐蚀速率及腐蚀产物进行对比分 析,拟 为 冀 北 地 区 不 同 地 市 输 变 电 设备的防腐设计提供参考。

1 试样制备与试验方法

选取廊坊市、唐山市、承德市、秦皇岛市和张家口市作为布点地区,这些地市具有不同的地貌特征和环境组成,如沿海、工业、城市、农村、草原、山地和森林等。根据每个地市的管辖面积均匀分散布置5~6个试验站点,同时结合地区环境、设备及腐蚀试验经验,对腐蚀情况严重的地区如重工业地区、工矿地区及沿海地区等进行重点布点。根据管辖面积、地理环境特征,共设立29个试验站点。试验材料为廊坊新航瑞有限公司生产的 Q235碳素结 构 钢,化 学 成 分 和 力 学 性 能 均 满 足 GB/T700-2006标准要求,尺寸为100mm×150mm×5mm,在4个角开孔,孔直径为9.5mm。对 Q235钢进行磨抛,去除表面油污和锈蚀,使表面粗糙度不高于3.2μm。根据 GB/T14165-2008,在不同试验站点对 Q235钢进行暴露试验,暴露周期为1a。根据 GB/T19292.4-2003计算腐蚀速率,大气腐蚀速率计算公式为rcorr =ΔmAρt(1)式中:rcorr 为腐蚀速率,μm·a-1;Δm 为质量损失,g;A 为表面积,m2;ρ为密度,g·cm-3;t为暴露时间,a。每个试验站点进行6组平行试验,腐蚀速率取平均值。根据 GB/T19292.1-2003,对 Q235钢在不同站点的大气腐蚀情况进行评级。分别选取5个城市的地理中心位置隆城站、万全站、霸州站、天马站、安各庄站,分析大气染污物和湿度对腐蚀速率的影响。研究[2-5]表明,大气环境中的 Cl- 、SO2-3 能显著加快腐蚀进程,因此大气污染物的主要采集对象为 Cl- 和 SO2,其 中 Cl- 的 沉 积 率 根 据 GB/T19292.3-2018测定,SO2 含量数据来自当地气象监测部门[6],相对湿度数据来自中国气象数据中心,上述结果均取暴露期间的年平均值。对暴露1a后的 Q235钢进行酸洗,观察表面宏观形貌,采用 OlympusSZ6型体视显微镜观察腐蚀坑形貌;采用蔡司 EVO18型扫描电镜(SEM)及附带的能谱仪(EDS)观察表面腐蚀产物形貌,并测试微区成 分;采 用 D8 ADVANCE 型 X 射 线 衍 射 仪(XRD)测试腐蚀产物的物相组成。

2 试验结果与讨论

2.1 表面宏观形貌和腐蚀坑微观形貌

由图1可以看出,大气腐蚀前,Q235钢的表面平整,呈银白色金属光泽,经过1a大气腐蚀后表面呈红褐色(深色),表面锈层疏松且均匀。由图2可以看出,1a大气腐蚀后的 Q235钢表面可见均匀分布、尺寸较小的腐蚀坑。

2.2 腐蚀速率

由表1可以看出:唐山地区站点的平均大气腐蚀速率最快,秦皇岛地区的次之,廊坊、张家口、承德地区的依次递减,其中海港站、姜家营站的腐蚀情况最严重,最高腐蚀速率达28.40μm·a-1,腐蚀等级达 C3 级;秦 皇 岛 和 廊 坊 地 区 的 大 气 腐 蚀 速 率 在13.71~23.8μm·a-1之间,各站点腐蚀等级均为 C2级。唐山地区大量的炼钢厂和化工厂导致大气环境中的污染物含量比其他地区的高,并且唐山地区毗邻渤海湾,空气湿度较大,因此 Q235钢的腐蚀速率较快。张家口和承德地区多为山地、草原地貌,污染物较少,且空气相对湿度较低,因此 Q235钢的腐蚀速率较慢,在6.89~19.35μm·a-1之间,各站点的腐蚀等级均为 C2级。Q235钢在冀北地区的腐蚀情况整体 呈 现 从 东 南 方 向 至 西 北 方 向 逐 渐 减 轻 的趋势。文献[2-5]表明,金属材料的腐蚀速率与所处地区的大气环境湿度及 Cl- 沉积率、SO2 含量密切相关。由表2可以看出:霸州站大气中的 Cl- 沉积率最高,为 17.92mg·m-2·d-1,约 为 隆 城 站 的 3 倍,二者的空气相对湿度和 SO2 含量相近,而 Q235钢在霸州站的腐蚀速率高于在隆城站的,说明大气环境中 Cl- 沉积率较高时,腐蚀速率较快;霸州站大气中的 Cl- 沉积率高出天马站的近1倍,天马站大气中的SO2 含量比霸州站的高45.28%,二者的相对湿度基本相等,而 Q235钢在天马站的腐蚀速率高于在霸州站的,说明大气环境中SO2 含量对 Q235钢腐蚀速率的影响大于 Cl- 的。GB/T19292.1-2003规定氯化物沉积率不高于3mg·m-2·d-1(S0 级)时,氯化物对腐蚀破坏的影响很小。表2中5个站点的氯化物 沉 积 率 等 级 均 为 S1 级 (3~60 mg·m-2·d-1),均 在 一 个 较 低 的 范 围 内 (3.33~17.92 mg·m-2·d-1),对碳钢腐蚀速率的影响十分有限。表1 Q235钢在不同站点暴露1a后的腐蚀速率及等级Table1 CorrosionratesandgradesofQ235steelafterexposionfor1aatdifferentstations序号站点名称所属地区环境类型腐蚀速率/(μm·a-1)腐蚀等级1 沽源站 草原 13.99 C22 张南站 农村 19.35 C23 尚义站 草原 10.27 C24 康保站张家口草原 9.59 C25 万全站 草原 11.31 C26 南张庄站 农村 15.07 C27 御道口站 森林 9.78 C28 金山岭站 山地 15.21 C29 承德站 城市 11.07 C210 丰宁站承德草原 6.89 C211 隆化站 山地 8.72 C212 隆城站 山地 11.38 C213 固安站 城市 13.71 C214 霸州站 工业 15.46 C215 廊坊站 廊坊 城市 18.18 C216 翟各庄站 农村 15.31 C217 广安站 农村 18.14 C218 昌黎站 沿海 23.80 C219 天马站 沿海 21.43 C220 五里台站 秦皇岛 沿海 18.95 C221 青龙站 农村 16.21 C222 平方站 农村 15.00 C223 阳乐站 工业 22.44 C224 安各庄站 农村 23.65 C225 姜家营站 工业 25.16 C326 太平站 唐山 工业 23.03 C227 甸头站 沿海 24.66 C228 海港站 沿海 28.40 C329 洒河站 沿海 15.24 C2SO2 在大气中的含量虽然有限,但其在水中的溶解度高,在20 ℃时的溶解度是 O2 的1300倍。SO2 溶于试样表面的水膜后形成 H2SO3,在Fe3+ 作用下 H2SO3 中的 S4+ 被氧化成 S6+ ,SO2-3 转化为SO2-4 ,水 膜 的 pH 下 降,碳 钢 的 腐 蚀 速 率 加 快[7]。此外,SO2 作为强阴极去极化剂,是阳极反应的活化剂。SO2 溶于水膜后,溶解氧作为阴极参与反应,铁与水膜中溶解的SO2 共同作为阳极,SO2 的腐蚀是一个自催化过程[8],反应式如下:Fe+SO2 +O2 =FeSO4 (2)4FeSO4 +6H2O+O2 =4FeOOH+4H2SO4 (3)4H2SO4 +4Fe+2O2 =4FeSO4 +4H2O (4)48宋子博,等:Q235钢在冀北地区的大气腐蚀行为由式(2)~(4)可知,1个分子 SO2 可以生成多个分子的铁锈(FeOOH)。大气中的 Cl- 可透过锈膜迁移,直接腐蚀金属基体[9]。在 Cl- 沉积率低的大气环境中,Cl- 对 Q235 钢的腐蚀影响较小。但SO2-3 和 Cl- 在腐蚀过程中具有较强的协同作用,引起的腐 蚀 程 度 远 远 大 于 二 者 单 独 作 用 的 简 单 加和[10]。除大气中的污染物会影响碳钢的腐蚀速率外,空气相对湿度也会对碳钢的腐蚀速率产生较大影响[11]。研究表明,与其他腐蚀因素(如日照时间、温度、大气中的污染物含量等)的影响相比,空气相对湿度对腐蚀速率的影响最大[12-15]。由表2可以看出,大气环境的相对湿度越大,Q235钢的腐蚀速率越快。

2.3 腐蚀产物

由图3可以看出:Q235钢在万全站、隆城站暴露1a后,表面腐蚀产物较为致密,主要呈棉絮状特征,推测为 α-FeOOH[15],少数腐蚀产物呈片状,推测为γ-FeOOH[16];腐蚀产物大面积附着在基体表面,局部较平整,整个锈层完整,存在少量微裂纹,无明显空隙,能对基体形成有效保护。在霸州站、天马站暴露1a后的表面腐蚀产物较多,呈团簇状,结构松散易脱落,推测为 α-FeOOH[16];α-FeOOH 团簇间存在大量间隙,不能对基体形成有效保护。在安各庄站暴露1a后的表面腐蚀产物呈片状,结构疏松,片层间隙明显,推测为 γ-FeOOH;表面腐蚀产物存在断层,并出现较宽的腐蚀裂缝以及大块碎片,空气中的水分和腐蚀介质可从裂缝不断渗入内部,从而加快腐蚀进程。这与 Q235钢在安各庄站的腐蚀速率较快的结果一致。Q235钢在上述5个站的腐蚀产物未观察到雪茄 状 的 β-FeOOH,通 过 文 献 [17-18]可 知,βFeOOH 的形成与 Cl- 有关,这进一步说明5个站的 Cl- 沉积率较低,对 Q235钢腐蚀的影响较小。5个 站 点 的 腐 蚀 产 物 形 貌 和 结 构 不 同,其 中 γ49宋子博,等:Q235钢在冀北地区的大气腐蚀行为FeOOH 对基体的保护弱 于 α-FeOOH[19],而 团 簇状的 α-FeOOH 对 基 体 保 护 要 弱 于 棉 絮 状 的 αFeOOH,这与腐蚀速率的测试结果一致。由表3可以看出,Q235钢在万全站、隆城站暴露1a后的表面腐蚀产物主要成分为铁、氧、硅等,在霸州站、天马站、安各庄站暴露1a后的表面腐蚀产物主要成分为铁、氧、硅、硫等,均未检测到氯元素,这与前面的结果一致。由图4可以看出,Q235钢在5个站点暴露1a后 表 面 腐 蚀 产 物 的 XRD 谱 相 似,均 出 现 了 αFeOOH、γ-FeOOH 的特征峰,但峰强不同,未观察到β-FeOOH 的特征峰。这进一步验证了腐蚀产物的组成。未 观 察 到 β-FeOOH 的 特 征 峰 是 由 于 βFeOOH 的形成与 Cl- 有关,而这5个站点的 Cl- 沉积率均处于较低水平。

3 结 论

(1)Q235钢在冀北地区(廊坊市、唐山市、承德市、秦皇岛市和张家口)暴露1a后的腐蚀程度整体呈现从东南方向至西北方向逐渐减轻的趋势;在5个城市的中心位置,大气环境中的 Cl- 沉积率较低,对 Q235钢腐蚀速率的影响较小,SO2 含量对腐蚀速率的影响大于 Cl- 的,空气相对湿度的影响最大。(2)Q235钢在安各庄站的腐蚀速率较快,表面腐蚀产 物 主 要 为 对 基 体 保 护 作 用 较 小 的 片 状 γFeOOH,在霸州和天马站的腐蚀速率次之,腐蚀产物主要为团簇状 α-FeOOH,在万全和隆城站的腐蚀速率 较 慢,表 面 腐 蚀 产 物 主 要 为 棉 絮 状 的 αFeOOH,结构致密,对基体的保护作用较大。