上海市奉贤区降水成分分析及其腐蚀性能实验

2017-08-16曾为民吴慧兰

实验室研究与探索 2017年7期

关键词：碳钢电导率不锈钢

曾为民，吴慧兰

(华东理工大学机械与动力工程学院承压系统安全科学教育部重点实验室，上海 200237)

上海市奉贤区降水成分分析及其腐蚀性能实验

曾为民，吴慧兰

(华东理工大学机械与动力工程学院承压系统安全科学教育部重点实验室，上海 200237)

降水；成分分析；腐蚀；碳钢；不锈钢

0 引言

水是人类赖以生存和国家可持续发展的可贵资源，我国人均水资源占有量约为世界人均水平的1/4，属于水资源缺乏的国家。同时，水污染带来的危害也日益凸现出来，其中，对建筑、桥梁、特别是钢筋混凝土的腐蚀破坏是其重要的组成部分。随着工业的发展，酸降的危害日益严重。我国酸降面积已占国土面积的1/3，不仅对生态损害极大，同时对建筑物、钢筋混凝土也造成很大的腐蚀破坏[1-2]。1999年至今，我国多省市因为酸降造成的经济损失就高达130亿元[3-10]。

我国是全球最大的钢材消费国[11]，而其中建筑是用钢大户。可以毫不夸张地说，全世界半数以上的钢筋混凝土工程项目、基础设施建设，都是在中国大地上进行的。上海市是我国工程项目和基础设施建设最多的超大城市之一，而上海市奉贤区地处沿海又为工业废气排放严重区域。因此，持续跟踪分析上海市奉贤区降水成分并研究其腐蚀性能将具有重要的社会意义和科学研究价值。

1 pH值和电导率测量结果及分析

在不同时间采用防挥发装置在上海市奉贤区华东理工大学收集了2次降水，采用DDS-11A型电导率仪测试了其电导率，作为比较，同时测试了自来水和离子交换純净水的电导率。采用PHS-25C型数显酸度计测量了相关介质的pH值。测量结果如表1所示。

表1 pH值和电导率测量结果

由表1可见，降水的电导率在0.8～2.0 mS/m，随时间的变化有明显的变化。降水的电导率与純净水的电导率相当，但降水的电导率明显低于自来水的电导率。根据电导率测试结果，可认为降水中存有微量的可溶性物质，其溶解量与純净水相当，远低于自来水。

在2#降水前，上海有2个多月的时间没有较大量的降水，空气中灰尘量大，可溶性颗粒物增多，这可能是2#降水的电导率大大高于1#降水的电导率的原因。

另外，由pH值测量结果可见，2#降水的pH值明显低于1#降水pH值，2#降水显微酸性，这可能与奉贤区为工业废气排放严重区相关。

2 降水阴、阳离子的成分和含量分析

使用DIONEX600型高效离子色谱仪测试了2#降水中阴、阳离子的成分和含量，测试结果如表2所示。

表2 2#降水收集的降水中几种阴、阳离子的含量

3 腐蚀浸泡实验结果及分析

根据《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》GBl0124—1988进行了腐蚀浸泡实验。采用1#降水、2#降水进行了碳钢恒温25 ℃ 72 h腐蚀浸泡实验，试片为Q235钢，尺寸为50 mm×20 mm×1 mm，降水腐蚀浸泡实验前后试样形貌如图1所示，实验结果如表3所示。由该表可见，2次不同时间收集的降水腐蚀速率相差不大，对普通碳钢板(Q235)的腐蚀速率约为0.09 mm/a。

(a) 腐蚀浸泡前

(b) 腐蚀浸泡后

表3 碳钢试样在降水中恒温25 ℃浸泡实验结果(试样面积0.002 m2，72 h)

碳钢试样在降水中腐蚀浸泡时，碳钢试样表面有黄色和褐色产物附着，降水中有黄色沉淀产物产生，浸泡实验过程中未见气泡产生。碳钢试样上的腐蚀产物用软毛涮刷易擦除，与基体金属表面的结合强度不高，擦除腐蚀产物后可暴露出新鲜表面，几乎没有腐蚀产物附着，表面未见深小孔状腐蚀，腐蚀产物清除后形貌如图2所示。

由以上实验结果，可认为普通碳钢板(Q235)在降水中的腐蚀机理符合耗氧腐蚀机理，其腐蚀历程为：

铁为阳极被氧化，

Fe→Fe2++2e-

氧气为阴极被还原，

O2+H2O+4e-→4OH-

碱性、中性介质，

Fe2++ 2OH-→Fe(OH)2

氧主要来自降水中的溶解氧。

图2 碳钢试样在降水中腐蚀浸泡、清洗后形貌

4 电化学实验结果及分析

采用CHI604B型电化学工作站进行电化学实验，工作电极采用Q235钢或者304L不锈钢(试样面积均为1 cm2)，铂电极作辅助电极，参比电极为饱和甘汞电极。

4.1碳钢在降水中的塔菲尔曲线测试结果及分析

实验时，先将工作电极用粗砂纸去除表面氧化膜，然后用金相砂纸逐级打磨至镜面光亮，最后用酒精清洗，置于干燥器中备用。

实验采用三电极体系。取250 mL 2#降水倒入电解槽内，安装好工作电极、参比电极、辅助电极，并用恒温水浴控制温度。采用2 mV/s扫描速率从阴极向阳极进行动电位扫描，获得不同恒定温度下的Tafel曲线。实验结果如图3所示，CHI604B自带软件计算腐蚀速率如表4所示。

图3 不同温度时碳钢试样在2#降水中的Tafel曲线

由图3可见，碳钢试样在2#降水中的Tafel曲线随温度升高形状变化不大。阳极极化曲线没有出现钝化特征，没有活化峰，随电位升高，电流不断增大，呈现活化状态特征，因此，碳钢在降水中表现为不断地腐蚀。不同温度时碳钢试样在2#降水中实验结果如图4所示。

表4 不同温度下碳钢在降水中的Tafel曲线实验结果(试样面积1 cm2)

图4 温度对碳钢试样在2#降水中腐蚀速率的影响

由表4及图4可见，在温度18～33 ℃，随着温度升高，碳钢的腐蚀速率不断升高，当温度从18 ℃升高到33 ℃时，碳钢的腐蚀速率增大了1倍多。但当温度由33 ℃升高到38 ℃时碳钢的腐蚀速率反而下降，这可能是溶液中的溶解氧在此温度范围内下降较快造成的。

另外，电化学方法测试的腐蚀速率值明显低于腐蚀浸泡法测试的腐蚀速率值，这可能是由于阴极极化时产生了大量的氢气，氢气逸出时部分驱除了溶液中溶解的氧气，造成了腐蚀速率值偏低。

4.2304不锈钢在降水中钝化性能的电化学腐蚀实验结果及分析

不锈钢的主要合金元素为Cr、Ni，不锈钢在空气中不锈的主要原因是能在表面生成稳定、致密的Cr2O3、NiO氧化物钝化膜，但在一些特定介质(如含氯离子等)中，钝化膜受到破坏，就会发生小孔腐蚀或应力腐蚀开裂等。

研究孔蚀的电化学方法较多，较普遍的是由采用稳态慢速电位扫描方法得到的阳极环状极化曲线研究孔蚀发生、发展的特征电位；由特征电位的数值和变化情况来判断金属和合金的孔蚀倾向，继而评价钝化膜的稳定性。也可利用电位扫描曲线滞后环的面积来表征孔蚀程度，滞后环的面积越大，发生孔蚀的倾向越大[12-15]。采用304不锈钢制作电化学试样(工作电极，试样面积为1 cm2)，2#降水作工作介质，铂电极作辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，采用CHI604B型电化学工作站进行恒温25 ℃下电化学循环伏安试验，所得结果如图5所示。

图5 304不锈钢在2#降水中的循环伏安曲线

由图5可得，击穿电位Eb=1.06 V,保护电位Epr=0.53 V，两者相差0.53 V。304不锈钢在2#降水中的阳极极化曲线随电位升高有一段近1.4 V的稳定钝化区，当电位达到1.0 V时,出现钝化膜破裂,电流随电位升高快速升高；当电位回扫时，电流不能完全沿原曲线回落，击穿电位Eb和保护电位Epr两者相差0.5 V左右，出现了一定面积的滞后环。这说明304不锈钢在降水中的钝化膜不完全稳定，304不锈钢在降水中有缓慢出现小孔腐蚀的可能性。

5 结语

碳钢试样在2#降水中阳极极化曲线呈现活化状态特征，表现为持续腐蚀。304不锈钢在2#降水中有缓慢出现小孔腐蚀的可能性。

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Analysis of Precipitation Composition and Its Corrosion Performance in Fengxian District of Shanghai City

ZENGWeimin，WUHuilan

(Key Laboratory of Safety Science of Pressurized System,Ministry of Education,School of Mechanical and Power Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)