腐蝕的危害超過自然災(zāi)害和各類事故損失的總和，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國年平均腐蝕成本超過2萬億元，相當(dāng)于因?yàn)楦g損耗，全國人民每年人均約承擔(dān)1500元的成本。

碳鋼作為常見的結(jié)構(gòu)支撐和機(jī)械工程材料，被廣泛應(yīng)用于變壓器、變電站出線門型構(gòu)架、主變構(gòu)架、戶外敞開式隔離開關(guān)、斷路器、輸電線路角鋼塔、導(dǎo)地線等輸變電設(shè)備。目前，電網(wǎng)設(shè)備在大氣環(huán)境中的腐蝕問題日益突出，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行和可靠性，甚至導(dǎo)致停電跳閘、倒塔斷線等事故。

通常認(rèn)為溫度、濕度和污染物是影響碳鋼耐大氣腐蝕性能的主要環(huán)境因素。在電網(wǎng)輸變電工程中，超過90%的設(shè)備處于不同的大氣腐蝕環(huán)境中，因此，有必要對碳鋼在不同大氣環(huán)境中的腐蝕規(guī)律進(jìn)行研究，為輸變電工程設(shè)計(jì)、選材、基建、運(yùn)維階段開展差異化防腐蝕措施提供理論指導(dǎo)。

本工作選取四川省宜賓市三個典型變電站作為暴曬試驗(yàn)站點(diǎn)，對碳鋼材料進(jìn)行為期一年的大氣暴曬試驗(yàn)，分析了Q235碳鋼的腐蝕行為和規(guī)律，以期為該地區(qū)的差異化防腐蝕措施提供理論指導(dǎo)。

1   試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為Q235碳鋼，其主要化學(xué)成分為：0.16%C，0.20%Si，0.61%Mn，S<0.023%，P<0.019%，F(xiàn)e余量。按照國標(biāo)截取尺寸為150 mm×70 mm×3 mm的大氣暴曬標(biāo)準(zhǔn)試樣，試樣經(jīng)過車銑、打鋼印、打磨、除污清洗及干燥后，使用精度為0.0001 g的分析天平進(jìn)行稱量并記錄。

選取四川省宜賓市三個典型變電站作為暴曬試驗(yàn)站點(diǎn)，對碳鋼材料進(jìn)行為期一年的大氣暴曬試驗(yàn)。

A變電站

位于四川省宜賓市區(qū)，所處環(huán)境為城市大氣環(huán)境，年平均溫度19.1℃，年降雨量1064.1 mm，年均濕度82.3%，SO2年平均濃度15 μg/m3

B變電站

位于四川省宜賓市屏山縣某工業(yè)園區(qū)附近，距離重工業(yè)污染源較近且污染源集中，所處環(huán)境可劃分為重污染工業(yè)環(huán)境，年平均溫度17.9℃，年降雨量1205.7 mm，年均濕度83.9%，SO2年平均濃度19 μg/m3

C變電站

位于四川省宜賓市長寧縣，距離大氣污染源較遠(yuǎn)且污染源較為分散，所處環(huán)境為輕工業(yè)污染環(huán)境，年平均溫度18.7℃，年降雨量864 mm，年均濕度81.6%，SO2年平均濃度17 μg/m3

2   腐蝕形貌及腐蝕產(chǎn)物

利用Quanta 250型掃描電鏡和自帶的能譜儀分析不同地區(qū)暴露一年后碳鋼試樣的表面腐蝕形貌和銹層化學(xué)成分。

(a) A變電站         (b) B變電站

(c) C變電站

圖1 Q235碳鋼在宜賓A，B，C變電站大氣環(huán)境中暴露一年后的宏觀形貌

由圖1可見：在A變電站大氣環(huán)境中，Q235碳鋼表面腐蝕產(chǎn)物分布不均，底層腐蝕產(chǎn)物較為致密，表層腐蝕產(chǎn)物較為分散，多呈條棒狀分布，谷壑分明，銹層呈深棕色，腐蝕程度較輕；在B變電站和C變電站大氣環(huán)境中，Q235碳鋼表面腐蝕產(chǎn)物較為疏松，銹層呈現(xiàn)紅棕色，且表層銹層脫落情況明顯，腐蝕程度較為嚴(yán)重。

(a) A變電站

(b) B變電站

(c) C變電站

圖2 Q235碳鋼在宜賓A，B，C變電站大氣環(huán)境中暴露一年后表面腐蝕產(chǎn)物的微觀形貌

由圖2可見：在三個地區(qū)暴露后，碳鋼表面的腐蝕產(chǎn)物形貌存在明顯的差異；在城市大氣環(huán)境中（A變電站所處環(huán)境），碳鋼表面生成大量的球狀腐蝕產(chǎn)物，高倍下可見腐蝕產(chǎn)物呈現(xiàn)出納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；在B變電站所處重污染工業(yè)環(huán)境中，碳鋼表面生成細(xì)小的球狀腐蝕產(chǎn)物，表面存在裂紋，高倍下可見腐蝕產(chǎn)物多為針狀結(jié)構(gòu)；在C變電站所處輕污染大氣環(huán)境中，碳鋼表面生成的腐蝕產(chǎn)物較為平整，存在少量裂紋，在高倍下腐蝕產(chǎn)物多為納米網(wǎng)狀和針狀結(jié)構(gòu)。由以上結(jié)果可知，Q235碳鋼在三個地區(qū)暴露一年后，表面腐蝕產(chǎn)物與銹層結(jié)合較為緊密，局部存在少量的裂縫和孔洞，裂縫等缺陷的存在有利于腐蝕性介質(zhì)穿過銹層，從而加速碳鋼的腐蝕。

表1 圖2中不同位置處的EDS分析結(jié)果

由表1可見，部分地區(qū)腐蝕產(chǎn)物中存在Si，Al等元素，這些元素可能是大氣中風(fēng)沙攜帶的土壤、污染物等物質(zhì)沉積到試樣表面，這些吸濕性物質(zhì)或粉塵的存在會加速碳鋼的大氣腐蝕。

利用X射線衍射儀對試樣表面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行成分分析，相關(guān)測試參數(shù)為：掃描范圍10°~90°，掃描速率4°/min。

圖3 Q235碳鋼在宜賓不同變電站大氣環(huán)境中暴露一年后表面腐蝕產(chǎn)物的XRD譜

由圖3可見，在三個地區(qū)暴露一年后Q235碳鋼表面的腐蝕產(chǎn)物主要由α-FeOOH，γ-FeOOH和Fe3O4組成。通過半定量分析可知：在A變電站所處環(huán)境（城市氣候）中，Q235碳鋼表面腐蝕產(chǎn)物中γ-FeOOH含量最高；在重污染工業(yè)大氣及輕工業(yè)污染大氣（B變電站和C變電站）中，Q235碳鋼表面腐蝕產(chǎn)物中α-FeOOH含量有所增加，說明在腐蝕過程中，生成的γ-FeOOH可轉(zhuǎn)化為α-FeOOH和Fe3O4，銹層中α-FeOOH含量升高，這在一定程度上提高了銹層的保護(hù)性。

依據(jù)GB/T 16545-2015《金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除》標(biāo)準(zhǔn)，選用除銹液對試樣表面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行清洗。除銹液的成分為：500 mL鹽酸+500 mL去離子水+3.5 g六次甲基四胺。將試樣置于除銹液中超聲清洗10 min后，經(jīng)去離子水清洗、乙醇溶液浸泡后，用吹風(fēng)機(jī)冷風(fēng)吹干后稱量。

利用Keyence VK-X250型激光共聚焦顯微鏡對除銹后試樣的表面形貌和多個區(qū)域的腐蝕坑深度進(jìn)行觀察和統(tǒng)計(jì)。

(a) A變電站

(b) B變電站

(c) C變電站

圖4 Q235碳鋼在宜賓不同變電站大氣環(huán)境中暴露一年后表面腐蝕坑的分布

如圖4所示，不同地區(qū)環(huán)境中暴露后Q235碳鋼表面均出現(xiàn)大量的腐蝕坑。對多個區(qū)域內(nèi)的腐蝕坑深度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知，三個變電站暴露后Q235碳鋼表面點(diǎn)蝕坑最大深度分別為47.2 μm、125.9 μm和82.9 μm。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，Q235碳鋼在B變電站工業(yè)大氣環(huán)境中的腐蝕最為嚴(yán)重，腐蝕坑大且深，表明Q235碳鋼在重工業(yè)環(huán)境中的腐蝕程度中相比于在城市大氣環(huán)境中更為嚴(yán)重，局部點(diǎn)蝕擴(kuò)展成大且深的腐蝕坑。這主要是因?yàn)樵谥毓I(yè)環(huán)境中，空氣中大量的SO2等污染物會隨雨水沉降到試樣表面，從而加速碳鋼的腐蝕。

3   腐蝕速率

按照以下公式計(jì)算試樣的腐蝕質(zhì)量損失率：

式中：R為腐蝕質(zhì)量損失率，μm/a；w0為試樣原始質(zhì)量，g；wt為去除腐蝕產(chǎn)物后質(zhì)量，g；S為試樣暴露面積，cm2；ρ為Q235碳鋼的密度，7.86 g/cm3；t為試樣在大氣中暴曬時間，年，此處t=1年。

根據(jù)腐蝕速率計(jì)算公式可得Q235碳鋼在A，B，C變電站大氣環(huán)境中暴露一年后的平均腐蝕速率分別為19.68 μm/a、41.4 μm/a和28.75 μm/a，按照大氣腐蝕等級劃分，A變電站大氣腐蝕等級為C1，B和C變電站大氣腐蝕等級為C2。

根據(jù)腐蝕速率計(jì)算結(jié)果可以看出，碳鋼在宜賓不同地區(qū)的腐蝕速率差別較大，Q235碳鋼在B變電站（重工業(yè)污染大氣環(huán)境）暴露一年后的平均腐蝕速率最大，分別是在C變電站和A變電站的1.4倍和2.1倍。B變電站附近有多家化工、冶金、碳素等重工業(yè)污染企業(yè)，這對碳鋼的大氣腐蝕速率有明顯影響。

4   極化曲線

使用PARSTAT 3F電化學(xué)工作站對暴曬后的碳鋼進(jìn)行電化學(xué)測試。采用三電極體系，輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），工作電極為未去除腐蝕產(chǎn)物的Q235碳鋼試樣，工作面積為1 cm2，其余面用環(huán)氧樹脂封裝。極化曲線測試掃描速率為0.5 mV/s。電化學(xué)阻抗測試頻率為10 mHz~100 kHz，幅值為10 mV。電化學(xué)測試前，體系穩(wěn)定30 min，試驗(yàn)溫度為25 ℃，試驗(yàn)溶液為3.5% NaCl溶液。

圖5 在宜賓不同變電站大氣環(huán)境中暴露一年后Q235碳鋼在3.5% NaCl溶液中的極化曲線

由圖5可見：在三個地區(qū)分別暴露一年后，Q235碳鋼的腐蝕電位和腐蝕電流密度差距較為明顯，表明在宜賓不同變電站環(huán)境中Q235碳鋼的腐蝕行為存在較大差異，腐蝕電流密度越大，表明帶銹試樣的耐蝕性越差。相比于未暴露的裸鋼試樣，在三個區(qū)域暴露一年后Q235碳鋼試樣的腐蝕電位均有所上升，且腐蝕電流密度顯著增加，說明暴露一年后Q235碳鋼試樣的耐蝕性降低，其表面的腐蝕產(chǎn)物并不具有保護(hù)性，反而會加速腐蝕。

(a) Nyquist圖

(b) Bode圖

圖6 在宜賓不同變電站大氣環(huán)境中暴露一年后Q235碳鋼在3.5% NaCl溶液中的電化學(xué)阻抗譜

由圖6可見在不同變電站暴露一年后，試樣的Nyquist曲線均由容抗弧和擴(kuò)散過程組成，不同環(huán)境對Q235碳鋼腐蝕的影響存在差異，具體表現(xiàn)為容抗弧半徑的大小。

圖7 電化學(xué)阻抗譜的等效擬合電路

采用圖7的等效電路對試樣的電化學(xué)阻抗譜進(jìn)行擬合。其中，Rs為溶液電阻，Q1為腐蝕產(chǎn)物層電容，Rr為電極表面腐蝕產(chǎn)物層電阻，Qdl為工作電極表面的雙電層電容，Rct為工作電極表面反應(yīng)的電荷轉(zhuǎn)移電阻，W為腐蝕區(qū)域內(nèi)基底金屬的有效擴(kuò)散層阻抗。

表2 在宜賓不同變電站大氣環(huán)境中暴露一年后Q235碳鋼在3.5% NaCl溶液中的Rr和Rct

如表2所示在三個變電站環(huán)境中，Q235碳鋼表面形成銹層的性能存在明顯的差異；在重污染大氣環(huán)境（變電站B）中，Q235碳鋼表面形成的銹層保護(hù)性能較差，其銹層電阻僅8.5 Ω·cm2，說明銹層對基體基本沒有保護(hù)作用，隨著暴露時間的延長，腐蝕進(jìn)一步加劇；在城市和鄉(xiāng)村環(huán)境（A和C變電站）中，由于空氣中污染物較少，Q235碳鋼的腐蝕進(jìn)程較緩慢，其表面形成的銹層具有一定的保護(hù)性能。

5   結(jié)論

(1) 在宜賓A，B，C三個變電站環(huán)境中暴露一年后，Q235碳鋼的平均腐蝕速率分別為19.68 μm/a、41.4 μm/a和28.75 μm/a，最大點(diǎn)蝕深度分別為47.2 μm、125.9 μm和82.9 μm。

(2) 在B變電站環(huán)境中，Q235碳鋼表面銹層存在裂紋，腐蝕性溶液很容易進(jìn)入基體，加速基體的腐蝕。在宜賓三個變電站環(huán)境中暴露一年后，Q235碳鋼表面的腐蝕產(chǎn)物均由α-FeOOH，γ-FeOOH和Fe3O4組成。在B和C變電站環(huán)境中，Q235碳鋼表面腐蝕產(chǎn)物中的α-FeOOH含量較高。

(3) Q235碳鋼在B變電站中形成的腐蝕產(chǎn)物的膜層電阻小于其他兩個地區(qū)，說明B變電站環(huán)境中Q235碳鋼表面形成的銹層對基體的保護(hù)性能較差。