腐蝕的危害超過自然災害和各類事故損失的總和，據統計，我國年平均腐蝕成本超過2萬億元，相當于因為腐蝕損耗，全國人民每年人均約承擔1500元的成本。

碳鋼作為常見的結構支撐和機械工程材料，被廣泛應用于變壓器、變電站出線門型構架、主變構架、戶外敞開式隔離開關、斷路器、輸電線路角鋼塔、導地線等輸變電設備。目前，電網設備在大氣環境中的腐蝕問題日益突出，嚴重影響電網的安全運行和可靠性，甚至導致停電跳閘、倒塔斷線等事故。

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

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

1   試驗材料

試驗材料為Q235碳鋼，其主要化學成分為：0.16%C，0.20%Si，0.61%Mn，S<0.023%，P<0.019%，Fe余量。按照國標截取尺寸為150 mm×70 mm×3 mm的大氣暴曬標準試樣，試樣經過車銑、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站點，對碳鋼材料進行為期一年的大氣暴曬試驗。

A變電站

位于四川省宜賓市區，所處環境為城市大氣環境，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園區附近，距離重工業污染源較近且污染源集中，所處環境可劃分為重污染工業環境，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且污染源較為分散，所處環境為輕工業污染環境，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   腐蝕形貌及腐蝕產物

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

(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變電站大氣環境中，Q235碳鋼表面腐蝕產物分布不均，底層腐蝕產物較為致密，表層腐蝕產物較為分散，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變電站大氣環境中，Q235碳鋼表面腐蝕產物較為疏松，銹層呈現紅棕色，且表層銹層脫落情況明顯，腐蝕程度較為嚴重。

(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變電站大氣環境中暴露一年后表面腐蝕產物的微觀形貌

由圖2可見：在三個地區暴露后，碳鋼表面的腐蝕產物形貌存在明顯的差異；在城市大氣環境中（A變電站所處環境），碳鋼表面生成大量的球狀腐蝕產物，高倍下可見腐蝕產物呈現出納米網狀結構；在B變電站所處重污染工業環境中，碳鋼表面生成細小的球狀腐蝕產物，表面存在裂紋，高倍下可見腐蝕產物多為針狀結構；在C變電站所處輕污染大氣環境中，碳鋼表面生成的腐蝕產物較為平整，存在少量裂紋，在高倍下腐蝕產物多為納米網狀和針狀結構。由以上結果可知，Q235碳鋼在三個地區暴露一年后，表面腐蝕產物與銹層結合較為緊密，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分析結果

由表1可見，部分地區腐蝕產物中存在Si，Al等元素，這些元素可能是大氣中風沙攜帶的土壤、污染物等物質沉積到試樣表面，這些吸濕性物質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物進行成分分析，相關測試參數為：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境中暴露一年后表面腐蝕產物的XRD譜

由圖3可見，在三個地區暴露一年后Q235碳鋼表面的腐蝕產物主要由α-FeOOH，γ-FeOOH和Fe3O4組成。通過半定量分析可知：在A變電站所處環境（城市氣候）中，Q235碳鋼表面腐蝕產物中γ-FeOOH含量最高；在重污染工業大氣及輕工業污染大氣（B變電站和C變電站）中，Q235碳鋼表面腐蝕產物中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性。

依據GB/T 16545-2015《金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣上腐蝕產物的清除》標準，選用除銹液對試樣表面的腐蝕產物進行清洗。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，經去離子水清洗、乙醇溶液浸泡后，用吹風機冷風吹干后稱量。

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域的腐蝕坑深度進行觀察和統計。

(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境中暴露一年后表面腐蝕坑的分布

如圖4所示，不同地區環境中暴露后Q235碳鋼表面均出現大量的腐蝕坑。對多個區域內的腐蝕坑深度進行統計分析可知，三個變電站暴露后Q235碳鋼表面點蝕坑最大深度分別為47.2 μm、125.9 μm和82.9 μm。根據統計結果可以看出，Q235碳鋼在B變電站工業大氣環境中的腐蝕最為嚴重，腐蝕坑大且深，表明Q235碳鋼在重工業環境中的腐蝕程度中相比于在城市大氣環境中更為嚴重，局部點蝕擴展成大且深的腐蝕坑。這主要是因為在重工業環境中，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

按照以下公式計算試樣的腐蝕質量損失率：

式中：R為腐蝕質量損失率，μm/a；w0為試樣原始質量，g；wt為去除腐蝕產物后質量，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。

根據腐蝕速率計算公式可得Q235碳鋼在A，B，C變電站大氣環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。

根據腐蝕速率計算結果可以看出，碳鋼在宜賓不同地區的腐蝕速率差別較大，Q235碳鋼在B變電站（重工業污染大氣環境）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、碳素等重工業污染企業，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電化學工作站對暴曬后的碳鋼進行電化學測試。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物的Q235碳鋼試樣，工作面積為1 cm2，其余面用環氧樹脂封裝。極化曲線測試掃描速率為0.5 mV/s。電化學阻抗測試頻率為10 mHz~100 kHz，幅值為10 mV。電化學測試前，體系穩定30 min，試驗溫度為25 ℃，試驗溶液為3.5% NaCl溶液。

圖5 在宜賓不同變電站大氣環境中暴露一年后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，其表面的腐蝕產物并不具有保護性，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境中暴露一年后Q235碳鋼在3.5% NaCl溶液中的電化學阻抗譜

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散過程組成，不同環境對Q235碳鋼腐蝕的影響存在差異，具體表現為容抗弧半徑的大小。

圖7 電化學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阻抗譜進行擬合。其中，Rs為溶液電阻，Q1為腐蝕產物層電容，Rr為電極表面腐蝕產物層電阻，Qdl為工作電極表面的雙電層電容，Rct為工作電極表面反應的電荷轉移電阻，W為腐蝕區域內基底金屬的有效擴散層阻抗。

表2 在宜賓不同變電站大氣環境中暴露一年后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；在重污染大氣環境（變電站B）中，Q235碳鋼表面形成的銹層保護性能較差，其銹層電阻僅8.5 Ω·cm2，說明銹層對基體基本沒有保護作用，隨著暴露時間的延長，腐蝕進一步加劇；在城市和鄉村環境（A和C變電站）中，由于空氣中污染物較少，Q235碳鋼的腐蝕進程較緩慢，其表面形成的銹層具有一定的保護性能。

5   結論

(1) 在宜賓A，B，C三個變電站環境中暴露一年后，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，最大點蝕深度分別為47.2 μm、125.9 μm和82.9 μm。

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

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