摘要：通過大氣暴曬試驗和大氣腐蝕監測儀（ACM）技術研究了碳鋼在湖南大氣環境中的腐蝕行為，探討了大氣環境因素、樣品形狀因子等對大氣環境腐蝕嚴酷性評估的影響。研究結果表明，湖南地區碳鋼腐蝕速率與空氣中 SO2 沉積量呈正相關關系，但氯化工廠附近 Cl-的沉積量成為了影響碳鋼腐蝕的重要因素。在相同大氣環境中，Q345 鋼的腐蝕速率快于 Q235 鋼，Q235 角鋼的腐蝕速率快于 Q235 平板鋼。ACM 累計電量與 Q235 鋼大氣腐蝕速率之間符合線性關系，ACM 技術可用于碳鋼大氣腐蝕行為預測和環境腐蝕性評定。

關鍵詞：Q235 鋼；Q345 鋼；大氣腐蝕；ACM 技術

大氣腐蝕是材料與其周圍大氣環境相互作用的結果，是一種最廣泛存在的金屬腐蝕形式[1, 2]。材料大氣腐蝕造成的經濟損失約占總腐蝕損失的一半。電網設備及輸電線路服役于大氣環境中，其腐蝕失效是影響電網安全運行的最為普遍和重要的災害之一[3]。國內外就不同大氣腐蝕介質中電網金屬的腐蝕行為開展了較多的基礎研究。Lyon 等[4]通過周期性干/濕中性鹽霧試驗研究了鋁、鋼及鍍鋅鋼的腐蝕行為，確定了鹽霧腐蝕試驗的加速比，并討論了溶液化學的影響。王振堯等[5]對比了 NaHSO3+NaCl 混合溶液中和野外暴曬時鋅及 LY2 鋁合金的腐蝕過程，發現兩者的結果能較好地吻合，因此 NaHSO3+NaCl 混合溶液是理想的大氣腐蝕模擬溶液。劉偉等[6]對比了大氣環境中 SO2 和 H2S 對銅腐蝕電化學行為的影響，發現大氣環境中兩者可以改變銅電極表面腐蝕產物的組成，降低電極反應阻力，促進銅的陽極溶解過程，從而加速銅的腐蝕。張建堃等[7]發現，模擬大氣環境中鋼芯鍍鋅層可以起到犧牲陽極的作用，對內層鋁股線形成陰極保護，降低其腐蝕速率。由上述研究可以看出，電網金屬受到材料種類、大氣干濕交替、侵蝕性 Cl-和污染性的 SO2 和 H2S 等因素的影響[8]。

湖南省是中國有色金屬之鄉，冶金、化工企業密布，大氣中腐蝕性化工氣體和粉塵較多。另外，湖南地區雨水豐沛，年均相對濕度大于 85%，且山地、丘陵和湖泊交錯分布，地理環境復雜，不同區域大氣環境中腐蝕性因子差異較大。在這種腐蝕性氣體濃度較高和極度潮濕的環境中，電網金屬具有較大的腐蝕傾向且不同區域腐蝕差異較大，嚴重威脅著電網的安全穩定運行[9, 10]。為了對電網金屬材料進行合理防護，有必要對湖南地區大氣環境嚴酷程度進行合理表征，也就是進行大氣環境腐蝕性分類，以更好地進行防腐設計和選用合理的防護措施。工程實踐中，大氣腐蝕性成分的含量和碳鋼的腐蝕失重是兩類評價大氣環境腐蝕性的指標。前者可變性較大，后者更接近實際情況但耗時費力，均具有較大的局限性，已不能完全滿足日益增長的電網建設對所處地區大氣環境腐蝕性進行科學快速分類的需求。

金屬大氣腐蝕本質上是發生在薄層液膜下的金屬電化學腐蝕[11]。腐蝕過程受到薄層液膜下特殊的供氧條件和腐蝕過程中形成的腐蝕產物的影響[12]，對研究手段有著特殊的要求。1976 年 Mansfeld 等[13]率先開發了大氣腐蝕監測儀（ACM），并利用 ACM 進行了薄液膜下的電化學研究。經過幾十年的發展，目前 ACM 技術因其簡單、快速和準確等優點，已經成功應用于金屬大氣腐蝕行為研究、大氣腐蝕影響因子確定和現場腐蝕速率監測[8, 14]。因此，在湖南地區大氣環境腐蝕性分類研究中引入 ACM 技術是一種可行的方案。

本文擬以不同形狀的 Q235 鋼和 Q345 鋼為對象，采用 ACM 技術對湖南地區 14 個站點（含 1 個歸屬湖南電力公司管轄的惠州站點）的大氣腐蝕嚴酷性進行研究，旨在揭示影響大氣腐蝕嚴酷性的環境因素，并探索利用 ACM 技術進行大氣腐蝕嚴酷性評定的可行性，為后續湖南省大氣環境腐蝕性分類提供理論和技術支持。

1 實驗方法

1.1 材料及試樣制備

實驗所選材料為 Q235 平板鋼、Q235 角鋼和 Q345 平板鋼。平板鋼樣品尺寸為 100 mm × 50 mm × 3 mm，角鋼樣品尺寸為 100 mm × 35 mm × 3 mm。首先將所有樣品進行機械打磨至1000#，然后在丙酮中超聲清洗 10 min，最后利用無水乙醇擦洗后置于干燥器中。24 小時后用分析天平對試樣進行稱重，精確至 0.1 mg。

1.2 實地掛片試驗

選取湖南省的 13 個變電站以及廣東省 1 個變電站（歸屬湖南電力公司管轄）作為大氣腐蝕試驗站進行了實地掛片實驗。編號 1-14 分別代表：東塘（長沙），葉子沖（株洲），清水塘（株洲），蓮花（株洲），都塘（株洲），菊花塘（湘潭），毛家塘（益陽），新市（岳陽），演坡（衡陽），天堂（郴州），枇巴沖（湘西），樹巖橋（湘西），胡家坪（張家界） 和鵝城（惠州試驗站）。

采用室外敞開曝曬的方法，試樣與水平面的角度為 45°，面向南方。株洲葉子沖站、株洲清水塘站、郴州天堂變站以及惠州鵝城站，進行了 4 次取樣，取樣周期為 3 個月、6 個月、12 個月及 24 個月；其余站點取樣周期固定為 12 個月。每次取樣前用相機拍攝宏觀照片，每次取 3 片平行試樣進行失重分析。

1.3 腐蝕失重分析

依據 GB/T 16545-2015，采用 500mL HCl （38% 濃鹽酸） + 500mL 蒸餾水 + 3.5g 六次甲基四胺的混合溶液作為除銹液對樣品進行除銹，除銹過程在室溫下進行。將樣品在除銹液中浸泡 10 min 后用毛刷擦洗鋼表面殘留的銹層物質，直到鐵銹去除干凈為止。隨后將試樣用蒸餾水和酒精依次清洗干凈，用電吹風吹干后放入干燥器中，24h 后再進行稱重，稱重精確到 0.1mg。每個周期取 3 個平行試樣測定腐蝕失重值，采用平均值作為測量數據。

為了便于開展大氣環境嚴酷性分級研究，將腐蝕失重數據轉化為年腐蝕深度數據。鋼的年腐蝕深度由下式給出：

γcorr = Wt × 104 / ρA

其中，γcorr 表示年腐蝕深度或腐蝕速率（μm·a-1），Wt 表示腐蝕失重（g），ρ 為鋼的密度（這里取7.8 g·cm-3），A 為試樣的暴露面積（cm2）。對于平板試樣 A = 100 cm2，對于角鋼試樣 A = 140 cm2。

1.4 環境污染物監測分析

在開展掛片實驗的同時，進行了相應的環境污染物因子 SO2 沉降量以及 Cl-沉降量的檢測。監測周期為每月 1 次，結果取 1a 監測的沉降總量計算出沉積速度的平均值。監測方法為：每次測量時將碳酸鉀溶液浸漬過的玻璃纖維濾膜曝露于空氣中，15 d 后測量玻璃纖維濾膜上 SO3 含量，作為該站點半個月的 SO2 沉降量，進而估算這個月的沉積量。采用沾有稀氫氧化鈉溶液 0.3 μm 微孔濾膜吸收空氣的 HCl 氣體，然后采用分光光度計測量 Cl-濃度。為了便于與國際標準數值比較，將檢測結果換算成 mg·m-2·d-1。

1.5  環境腐蝕等級的 ACM 評定

在掛片試驗暴曬的同時，采用 ACM-400 型大氣腐蝕監測儀進行環境腐蝕等級評定。ACM 監測儀放置在相應試驗站點的戶外遮蔽通風處，測試探頭為 Cu/Fe（Q235）探頭，探頭與掛片試樣平行放置，與水平面呈 45°角，面向南方，定期記錄累積電量 Q。其中，累積電量 Q 與腐蝕失重 Wt 存在如下關系：

Wt = K·Q

式中，K 為關聯系數，主要受到樣品種類、腐蝕環境等因素影響。

2 結果與討論

2.1 腐蝕速率分析

圖 1 所示為Q235 平板鋼、Q345 平板鋼和Q235 角鋼在 14 個站點暴曬 1a 后的腐蝕速率。根據大氣環境腐蝕性分類標準 GB/T 19292.1—2018，各站點的腐蝕等級可由圖 1 中藍色虛線給出。由圖可知，不同站點中樣品的腐蝕速率差別較大，其中 2 號葉子沖站和 10 號天堂站樣品的腐蝕速率最高，其環境腐蝕性分級已經進入甚至超過 C5 級；而 9 號演坡站、12 號湘西樹巖橋站和 14 號鵝站腐蝕速率較低，環境腐蝕性為 C3 級；1~13 號站點都分布在湖南省行政區域內，各站點氣候相似而腐蝕速率相差較大，可以推測環境因素對碳鋼的大氣腐蝕行為起到了較大的作用。

對比 Q235 平板鋼和 Q345 平板鋼腐蝕速率可知，除 1 號東塘站以外 Q345 平板鋼的腐蝕速率總高于 Q235 平板鋼腐蝕速率，說明 Q345 鋼的大氣腐蝕敏感性高于 Q235 鋼。采用Q345 鋼進行分級評價時，部分站點（2 號葉子沖站、5 號都塘站、7 號毛家塘站和 11 號枇巴沖站）環境腐蝕性等級出現了變化，說明不同等級碳鋼對大氣環境腐蝕性分級有一定影響， 且在腐蝕速率接近腐蝕等級分界線時其影響最大。

所有站點中 Q235 角鋼的腐蝕速率均明顯高于 Q235 平板鋼腐蝕速率，說明 Q235 鋼大氣腐蝕行為受到樣品形狀的影響，帶有彎曲結構的樣品腐蝕敏感性更高。從環境腐蝕性分級來看，帶有彎曲結構的碳鋼對環境腐蝕性分級影響較大，例如通過 Q235 平板鋼和角鋼得到5 號都塘站的大氣腐蝕等級分別為 C3 和 C5 級，兩者差別兩個等級。從上面分析中可以看出，環境、材料和樣品形狀是影響環境腐蝕性評價的重要因素。

圖 1 Q235 平板鋼、Q345 平板鋼和 Q235 角鋼在 14 個站點的年腐蝕深度

2.2 大氣環境因素的影響分析

圖 2 環境因素與 Q235 平板鋼腐蝕速率之間的關系

含氯化合物是影響碳鋼腐蝕行為的重要因素。另外，湖南地區是酸雨影響較大的區域， 降水 pH 普遍偏低。降水酸性強的地區主要分布在湘中地區（長株潭）和湘西南地區（懷化和洪江等地）。因此，本文中主要考慮環境中氯離子和二氧化硫對碳鋼腐蝕行為的影響。14 個站點腐蝕速率與環境中 Cl-和 SO2 濃度的關系見圖 2。

從圖中可以看出，湖南地區空氣中 SO2 濃度遠高于氯離子濃度，這與湖南地區酸雨影響的情況是一致的。10 號天堂變電站附近建有氯化工廠，因此 Cl-濃度很高，該站點較高的腐蝕速率可能就是高濃度 Cl-引起的。其它站點中 Cl-濃度普遍偏低，腐蝕速率與 SO2 濃度之間呈現較好的正相關關系，說明湖南地區碳鋼腐蝕過程主要受到 SO2 沉積量的調控。綜上， SO2 是影響湖南地區碳鋼腐蝕過程的主要環境因素[17]，但是還需要考慮附近其他因素（如氯化工廠附近的 Cl-濃度）的影響。

2.3 宏觀腐蝕形貌分析

為了研究碳鋼等級和樣品形狀對其大氣腐蝕敏感性的影響，選擇 2 號、3 號、10 號和14 號站點分別進行了為期 2a 的暴曬實驗。暴曬 2a 后不同樣品的宏觀腐蝕形貌如圖 3 和 4 所示。

圖 3 在 2、3、10、14 號試驗點暴曬 2a 后 Q235 平板鋼和 Q235 角鋼表面腐蝕產物宏觀形貌Fig. 3 Macro-morphologies of Q235 flat steel（a-d） and Q235 angle steel （e-h）samples after 2a exposure in 2# station （a，e）， 3# station （b，f）， 10# station （c，g） and 14# station （d，h）

從圖 3a-d 可以看出，暴曬 2a 后 2 號葉子沖站和 10 號天堂站 Q235 平板試樣表面腐蝕產物呈金黃色，對比夾具邊緣可知樣品發生了十分嚴重的腐蝕。3 號清水塘站樣品表面腐蝕產物呈暗黃色，產物致密性提高。14 號鵝城站樣品表面腐蝕產物呈棕黃色，更加均勻致密。此外，由于Q345 鋼腐蝕產物形貌與 Q235 鋼相似，本文不再列出。從圖 3e-h 可以看出，暴曬 2a 后 2 號葉子沖站的 Q235 角鋼樣品表面腐蝕產物出現了剝離、開裂現象；10 號天堂站角鋼試樣腐蝕極其嚴重，幾乎腐蝕殆盡；3 號清水塘站試樣表面覆蓋了較厚的腐蝕產物，且有腐蝕產物剝落痕跡；14 號鵝城站試樣表面腐蝕產物最為均勻和致密。

2.4 腐蝕速率分析

在 2a 的暴曬周期內，對上述 4 個站點試樣間隔性取樣進行了腐蝕速率分析，得到的年腐蝕深度演化規律如圖 4 所示。由圖 4a 可以看出，不同站點中 Q235 平板鋼的年腐蝕深度隨時間不斷增加。年腐蝕深度曲線的斜率可以表征樣品的腐蝕速率，隨時間延長清水塘站和鵝城站中樣品腐蝕速率明顯降低，但是葉子沖站和天堂站樣品腐蝕腐蝕基本保持不變。這一事實說明，株洲清水塘站和惠州鵝城站中的樣品表面能形成具有一定保護性的腐蝕產物，而葉子沖站和天堂站中的樣品表面腐蝕產物膜沒有保護性，無法對樣品形成保護。

 圖 4 2、3、10、14 號試驗點中 Q235 平板鋼，Q345 平板鋼和 Q235 角鋼年腐蝕深度隨時間的演化

對比圖 4b 和圖 4a 可知，同一站點中 Q345 平板鋼和 Q235 平板鋼腐蝕速率均有相同的變化趨勢；隨著暴曬時間延長，葉子沖站和天堂站中 Q345 平板鋼腐蝕速率呈加快的趨勢， 而在清水塘站和鵝城站中其腐蝕速率逐漸下降。但是，在同一站點，Q345 平板鋼的腐蝕速率總是高于 Q235 平板鋼腐蝕速率，說明 Q345 鋼耐大氣腐蝕性能較低。

對比圖 4c 和圖 4a 可知，同一站點中 Q235 角鋼和 Q235 平板鋼均有相似的腐蝕規律，但是 Q235 角鋼的腐蝕速率約為 Q235 平板鋼腐蝕速率的 2 倍，說明在相同大氣環境中 Q235 角鋼腐蝕速率較高，樣品形狀對碳鋼大氣腐蝕行為具有較大影響，在碳鋼材料大氣腐蝕行為研究和大氣環境腐蝕等級評定中需要考慮。

2.5 材料種類和樣品形狀的影響分析

從上述討論中可知，碳鋼種類和樣品形狀對碳鋼大氣腐蝕行為都有較大影響，其中樣品形狀的影響更大。從上述實驗結果中還能看出，國際標準中采用標準試片評定的大氣腐蝕性等級結果偏保守。在實際工程中，鋼鐵材料更多是以角鋼（如輸電鐵塔中）等各種形狀的形態應用的。因此，需要考慮采用形狀因子對相關大氣腐蝕性等級評定結果進行修正。本文以Ra 和 Rf 分別表示 Q235 角鋼和平板鋼年腐蝕深度，將 κs =Ra/Rf 定義為碳鋼腐蝕速率的形狀因子。以 Rf‘表示 Q345 鋼平板鋼的年腐蝕深度，將 κm = Rf'/Rf 定義為碳鋼腐蝕速率的材料因子。采用圖 1 中的腐蝕數據，可以得到 Q235 鋼形狀因子和材料因子與年腐蝕深度之間的關系， 如圖 5 所示。

圖 5 腐蝕影響因子與腐蝕速率的關系

從圖 5 中可以看出，在腐蝕等級達到或者高于 C5 級時，Q235 鋼形狀因子和材料因子的絕對值和分散性較大，無法給出合理的預測。但是，在腐蝕等級小于 C5 時，Q235 鋼的材料因子分布在 1.0~1.2 之間，而對應的形狀因子分布在 1.1~2.3 之間。可以看出，在本文研究范圍內形狀因子的影響大于材料因子的影響，這個結果與 2.3 節中通過 4 個站點得出的結論一致。此外，上述因子的數值均大于 1.0，有時甚至達到了 2.3，因此在進行碳鋼大氣腐蝕行為研究和環境腐蝕等級評價時必須考慮材料因子和形狀因子的影響。

2.6 環境腐蝕性分類的 ACM 研究

通過 ACM 測量可以得到的 14 個站點的累計電量，其與 Q235 平板鋼年腐蝕深度之間的關系如圖 6 所示。可以看出，Q235 平板鋼大氣腐蝕速率與 ACM 累計電量之間符合線性關系，通過 ACM 可以較準確地預測 Q235 平板鋼在大氣環境的腐蝕行為，這一結果與 Pei 等[2] 的結果有較好的相似性。將環境腐蝕性分級標準列于圖 6 中，從而建立了 ACM 累計電量與環境腐蝕性等級之間的對應關系，如表 1 所示。ACM 標準無法評價 C1 等級的環境，這可能是通過 ACM 標準評價環境腐蝕性時，其背景電量較大，影響了低電量環境中檢測的準確性。因此，不建議將 ACM 方法評價標準用于低腐蝕性環境。另外，ACM 標準通過 Q235 平板鋼得到，對于腐蝕速率較快的 Q345 平板鋼和 Q235 角鋼，建議在這一標準下考慮材料因子 κm 和形狀因子 κs，可得到對應的腐蝕等級。

圖 6 ACM 累積電量與腐蝕速度之間的關系

表 1 ACM 環境腐蝕性評價標準與 ISO 環境腐蝕性評價標準的對比

*γcorr 表示年腐蝕速率，Q 表示 ACM 累積電量

3 結論

本文通過大氣暴曬試驗和 ACM 技術研究了碳鋼在湖南大氣環境中的腐蝕行為，探討了碳鋼大氣腐蝕的影響因素，給出了 ACM 評價大氣環境腐蝕性的標準。主要結論如下：

1.  湖南地區碳鋼腐蝕速率與空氣中 SO2 沉積量呈正相關關系。SO2 是湖南地區碳鋼大氣腐蝕的主要環境因素。但是，特殊環境下還需要考慮其他因素的影響，如氯化工廠附近需要考慮 Cl-的影響。

2.  在相同大氣環境中，Q345 平板鋼的腐蝕速率快于 Q235 平板鋼，Q235 角鋼的腐蝕速率快于 Q235 平板鋼。碳鋼等級和形狀是影響碳鋼大氣腐蝕行為的重要因素，在大氣腐蝕行為研究和環境腐蝕性評價中應予以考慮。

3.  ACM 累計電量與 Q235 平板鋼大氣腐蝕速率之間符合線性關系，可用于碳鋼大氣腐蝕行為預測和環境腐蝕性評定。通過 ACM 進行環境腐蝕性評定時，需要考慮材料因子 κm 和形狀因子 κs 對結果的影響。

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